6061铝合金电火花线切割加工工艺研究

2014-04-16李军格程小杰陈黄健

机械制造 2014年4期

□ 刘斌 □ 李军格 □ 程小杰 □ 陈黄健

中国工程物理研究院四川绵阳 621900

6061铝合金属于热处理可强化合金，具有良好的可成型性、可焊接性、可机加工性能，在退火后仍能维持较好的强度。6061铝合金的主要合金元素是镁与硅，并形成Mg2Si相。含有一定量的锰与铬，可以中和铁的负作用；添加少量的铜或锌，以提高合金的强度，而又不使其抗蚀性有明显降低；导电材料中还有少量的铜，以抵消钛及铁对导电性的不良影响；锆或钛能细化晶粒与控制再结晶组织。6061铝合金的熔化温度在582～652℃，老牌号为LD30，其化学成分见表1。

由于6061铝合金具有特殊的理化性能，用电火花线切割加工较厚工件（t＞100 mm）时易发生断丝现象，且加工表面易出现明暗斑条状纹路，严重影响工件的表面粗糙度和加工效率。

1 工况介绍

机型：北京阿奇FW2U；钼丝：φ0.18mm钼丝；切削液：线切割专用乳化液；放电参数选用见表2。

2 断丝及表面粗糙度超值的原因分析

2.1 断丝分析

由于6061铝合金具有特殊的理化性能，在电火花线切割加工时，电蚀物Al2O3易黏附在电极丝上，随着电极丝的高速运行,Al2O3利用电极丝的反复往返磨削，在导电块上产生沟槽，导致电极丝与导电块接触不良，当导电块沟槽深度超过电极丝直径时会卡住电极丝，特别是在丝筒换向时，导电块本身放电的结果易引起电极丝断丝。

2.2 表面粗糙度超值的原因分析

2.2.1 放电参数选用不当

（1）脉冲宽度（ON）。当脉冲宽度增大时，切割速度提高，但表面粗糙度变差。这是因为脉冲宽度增大，单个脉冲放电能量增大，致使切割速度提高，表面粗糙度变差。通常情况下，ON的取值要考虑工艺指标及工件的材质、厚度。如对表面粗糙度要求较高、工件材质较易加工、厚度适中时，ON取值较小，一般在3～10。当工序为中、粗加工且工件材质切割性能较差或材料较厚时，ON取值一般为10～25。

表1 6061铝合金化学成分/%

表2 放电参数

（2）脉冲间隙（OFF）。当脉冲间隙减少时，平均电流增大，切割速度加快，但在一般情况下，脉冲间隙不能取得太小，如果脉冲间隙取得太小，放电产物来不及排出，放电间隙来不及充分消除电离，使加工不稳定，容易发生电弧放电，致使工件表面烧伤和出现断丝；但是脉冲间隙也不宜太大，OFF太大也会导致不能连续进给，使加工变得不稳定。一般情况下，减少脉冲间隙，表面粗糙度值虽然也会提高，但是提高的幅度并不大，而此时切割速度则明显增大。实践表明，脉冲间隙对切割速度影响较大，对表面粗糙度影响较小。对于难加工、厚度大、排屑不利的工件，停歇时间应选长些，为脉宽的5～8倍比较适宜。OFF取值为：（停歇时间/5）－1。对于加工性能好、厚度不大的工件，停歇时间可选脉宽的3～5倍。OFF取值主要考虑加工稳定、防短路及排屑，在满足要求的前提下，通常减小OFF，可以取得较高的加工速度。

（3）放电波形（GP）。线切割机床常用的两种波形是矩形波脉冲和分组脉冲。矩形波加工效率高，加工范围广，加工稳定性好，是快走丝线切割常用的加工波形。分组波适用于薄工件的加工，精加工较稳定。

（4）功率管数（IP）。管数的增、减决定脉冲峰值电流的大小，每只管子投入的峰值电流为5A，电流越大切割速度越高，表面粗糙度值增大，放电间隙变大。功率管数的选择：一般中厚度精加工为3～4只管子，中厚度粗加工、大厚度精加工为5～6管子，大厚度粗加工为6～9只管子。

（5）间隙电压（SV）。它用来控制伺服的参数，最大值为7。当放电间隙电压高于设定值时，电极丝进给，低于设定值时，电极丝回退。加工状态的好坏与放电间隙电压取值密切相关，放电间隙电压取值过小，会造成放电间隙小，排屑不畅，易短路。反之，使空载脉冲增多，加工速度下降。放电间隙电压取值合适，加工状态最稳定。

放电间隙电压一般取02～03，对薄工件一般取01～02，对大厚度工件一般取 03～04。

（6）电压（V）（即加工电压值）。电压目前有两种选择，“0”常压选择，“1”低压选择。低压一般在找正时选用，加工时一般都选用常压“0”，因而电压V参数一般不需修改。

（7）进给速度。进给速度的大小对切割速度、加工精度和表面质量的影响很大，因此，调节预置进给速度应紧密跟踪工件蚀除（排屑）速度，以保持加工间隙恒定在最佳值上，这样可使有效放电状态的比例加大，而开路和短路的比例减少，使切割速度达到给定加工条件下的最大值，同时还能获得很好的加工精度和表面质量。

调节进给速度本身并不具有提高加工速度的能力，其作用是保证加工的稳定性。当进给调整不当时会显著影响表面粗糙度，并有可能产生断丝，最佳进给速度可参照两个依据：首先，最佳加工电流应是短路电流的80%左右，这一规律可用于判断进给速度调整是否合适；其次，可通过电流表指针的摆动情况来判断。正常加工时加工电流指针基本不动；如果经常向下摇摆，则说明欠跟踪，应将跟踪速度调快；如经常向上摇摆则说明过跟踪，应将跟踪速度调慢；如指针来回较大幅度摇摆则说明加工不稳定，应判明原因，调整参数后（如调整脉冲能量、工作液流量、走丝系统包括导轮、轴承的调整）再加工，否则易引起断丝。

2.2.2 切削液使用不当

工作液作为高速走丝电火花线切割加工的重要因素，除了完成冷却、排屑等功能外，还作为放电介质直接参与加工，所以其本身对表面粗糙度影响很大。实践证明，电火花加工在液体介质中进行最稳定，并且工作液对表面粗糙度影响很大。

目前常采用DX-1乳化液的水溶液作为线切割加工工作液，常规比例是1∶10（乳化液1份，水10份），切削液使用时间过长，金属粒子与溶剂无法完全分离，加工后形成附着油污的黏性物质（俗称“铁泥”），使工作液的性质发生变化，降低切削液的作用，还会堵塞冷却系统。

3 解决方法

3.1 选用切铝组件

切铝组件的工作原理就是避开导电块进电。从走丝系统的其它部件（丝筒）供给高频电，通过直流电机电枢进电方式，利用碳刷向丝筒给电，避免了导电块夹丝、断丝现象。

3.2 合理选用电参数

工件的进给速度要适当。因为在线切割过程中，如工件的进给速度过大，则被腐蚀的金属微粒不易全部排出，易引起钼丝短路，加剧加工过程的不稳定；如工件的进给速度过小，则生产效率低。

脉冲电源同样是影响加工表面粗糙度的重要因素。脉冲电源采用矩形波脉冲，因为它的脉冲宽度和脉冲间隔均连续可调，不易受各种因素干扰。减少单个脉冲能量，可改善表面粗糙度。影响单个脉冲能量的因素有脉冲宽度、功率管个数、脉冲峰值电流，所以减小脉冲宽度，减小峰值电流，可改善加工表面粗糙度。然而，减小脉冲宽度，将造成生产效率大幅度下降；但减小脉冲峰值电流，对生产效率的影响程度比减小脉冲宽度要小。因此，采用减小脉冲峰值电流，适当增大脉冲宽度，选取合适的脉冲间隔等措施，既可提高生产效率，又可获得较低的加工表面粗糙度值。

通过实际加工调试，调整后的电参数见表3。

表3 调整后的电参数

3.3 切削液更换

电火花线切割加工使用的工作液应具有加工性能好、使用寿命长、环境污染小、对人体无害、价格便宜等技术要求。

水基工作液由于具有导热系数大、冷却性、润滑性和防锈性能好等特点，在金属加工中被广泛采用。

水基工作液是一种环保型机床加工工作液，由100%水性物质构成，不含亚硝酸钠和磺化物，不产生油污。对电器元件尤其电脑控制器、机床电器、排气扇等无侵蚀，不会造成电器设备接触不良或霉烂损坏。而使用乳化油会产生油污，对皮肤、眼睛、呼吸产生毒害，会极大的损害操作人员的身体健康，雾化时还会对机床电气方面产生腐蚀，造成机床故障。

水基工作液在使用过程中，极大地净化了工作环境，使机床保持干净、清洁，保障了操作人员的身体健康。使用水基工作液进行线切割加工，能显著提高工件的表面粗糙度，使工件表面颜色更加亮白，降低了钼丝损耗，效率比传统乳化油提高30%。尤其在进行大厚度工件的加工时，加工效率及加工稳定性更高。

通过调研，选用狄克DIC-206水基切削液。使用时水基的浓度比油基高2～3百分点，对铝质放电产物铝粉质的清理和冲洗性更好。为防止堵塞，加工的沿路相关部分,做到及时清理，同时水箱中成片的放电氧化铝需及时清理干净。