胀圈零件线切割工序断丝现象分析及工艺对策

中航工业导弹院凯迈机电公司 （河南洛阳 471003） 刘仁春

1. 胀圈零件加工工艺

如图1（未注圆角均为R1mm）所示，胀圈零件材质为65Mn弹簧钢，加工工艺安排为：粗车（大端带夹头）→淬火（调质硬度为40～45HRC）→精车（车好锥面及小端和孔大端夹头）→线切割（孔大端夹头切断大端留余量0.2mm）→磨工（磨锥面磨大端尺寸50mm）→线切割（切缝宽2mm）→钳工（去毛刺）。线切割工序加工内容是在零件锥外圆母线位置，沿径向方向切宽为2mm、沿零件轴线截面成C形弹性开缝。零件切缝的作用是在受到轴向力时，径向方向产生弹性变形，将相配合零件的内锥面挤紧，两配合零件通过径向弹性变形，相互间产生很大的摩擦力，可将动力传递给机器或（系统）互相连接的下一级负载。

图 1

2. 断丝产生的原因及相关措施

零件在进行线切割工序中，线切割丝经常发生断丝故障，从而导致废品的产生，既影响产品质量，又增加了操作工人换丝的工作量。断丝后，零件加工位置需要重新凭人眼观察对丝，经常会出现对丝精度不好，零件加工的尺寸很难保证。严重情况下经两次加工的表面会产生明显的台阶，这种情况类似车工或铣工对同一加工面分两次加工，在两次加工的结合面上产生的痕迹（称为接刀痕迹）。胀圈零件加工中，工人反映经常会出现这种情况，严重时会造成胀圈零件报废。

（1）断丝的原因及改进措施。在线切割加工过程中，通常认为断丝是因为电极丝强度低而被拉断的，其实断丝的真正原因是韧性不足。

通常采购的合格电极丝抗拉强度为450MPa，但电极丝并不是因为强度低而被拉断。电火花切割的实质是靠放电腐蚀来切割金属，放电时在电极丝表面形成电腐蚀坑洞，是电极丝在切割时断丝的根本原因。

从断裂力学角度来看，断裂是在裂纹源扩散到一定程度后产生的。放电时，电极丝表面会因放电腐蚀作用形成许多坑洞，电极丝也会同时受到电火花或金属排屑的冲击，切割过程中几个受力最大的小坑洞会因断裂韧性不足而发生断裂。

表1 优化前的切削参数

表2 优化后的切削参数

改进措施：检查线切割机床的切割丝表面是否有裂纹，可用工具显微镜进行检查，如果发现有明显裂纹则更换新丝。切丝的直径用百分尺测量，看与原来规格的新丝直径相比是否明显减小。如果发现丝径有明显减小则更换新丝。

（2）机床的检查及采取的措施。检查机床走丝机构的位置，保持储丝桶和导丝轮转动灵活。同时，检查上、下导丝轮是否保持干净或有腐蚀现象。机床各传动部件应正常无松动。

采取措施：①定期检查储丝桶和上、下导丝轮。②定期清洗上、下导丝轮模块。

（3）优化切削参数。综合考虑加工效率，切削参数兼顾加工质量、断丝故障，对加工电流、脉宽挡位和脉宽幅度3个参数进行调整。优化前、后的切削参数分别如表1、表2所示。

（4）及时更换切削液。根据切削液的实际使用情况，大均80～100h更换新切削液。实际使用中，如果切削液需要更换，反映在加工中的表现为零件切削效率明显降低。切削液如不及时更换，在机床的工作过程中易产生将线切割丝拉断的现象。

改进措施：切削液工作时间超过80～100h、切割效率大幅下降时，必须更换新切削液。

（5）工件情况分析。工件在进行线切割加工前已进行了车工的精加工，工件表面的氧化物（黑皮）已经去除，没有影响切割的杂物。工件经热处理和机械加工后存在因这两种因素造成的内应力。工件的材质在入厂前有材料证明合格。另外，入厂前该工件材料公司也做了理化指标分析检测，指标满足65Mn材料GB 1222―84的技术条件要求。线切割（孔大端夹头切断）工序顺利完成，未发生线切割断丝的故障，说明65Mn材质本身合格，不是产生断丝的主要原因。

3. 防止断丝的工艺措施

（1）工装的设计。根据胀圈零件加工工艺过程及断丝原因分析，制作了一套防断丝工装（见图2、图3）来减少和控制内应力的突然释放，保证胀圈线切割工序的正常进行。具体做法是：将工件孔中间撑入一端带球头的螺杆，使螺杆的球头和另一端六方头零件孔壁接触。工人用两个扳手同时扳住螺杆的六方头和球头，向相反的两个方向扳动螺杆六方头和球头螺母，螺杆上的球头沿轴线方向上伸长，将零件孔壁径向撑紧。螺杆此时给胀圈零件施加了预加撑紧力，这个力用来控制零件切开瞬间内应力的突然释放，达到防止断丝现象的发生。

（2）工艺试验及切削参数的优化。工装应用后断丝现象得到了控制。我们发现胀圈零件宽2mm的切缝尺寸因螺杆撑紧零件力的大小而有区别。如何控制螺杆撑紧力的大小是控制尺寸2mm的重要因素。螺杆两端的球头和六方头顶紧零件内孔壁后，两扳手扳紧螺母和扳手1、2的轴线相交成60°的交角。经过工艺试验发现，这个零件装夹时的工艺规律结合优化后切削参数表中的参数设置，胀圈零件线切割开缝工序正常进行。

图 2

图3 防断丝工装加工胀圈

4. 结语

胀圈零件线切割工序断丝问题的解决，主要有以下几点需要说明：①胀圈切缝时内应力释放是造成断丝的主要原因。②通过对工件外观和材质、机床、切割丝及切削液进行检查以及优化切削参数来解决断丝问题。③通过防止断丝的工装（夹具）的应用来控制工件切开瞬间内应力的突然释放。在工件内应力释放的方向上提前放置该工装，使工件内应力的释放最大程度地得到减弱。该工装的使用使得胀圈线切割开缝工序的断丝现象大大减少，零件加工质量稳定可控。

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专家点评

文章写得较好，层次清晰，对断丝的原因、改进措施都做了相关叙述，提出了比较有价值的解决方案，例如文中切削参数、工装等方面的改进都写得较清晰，而且图文并茂，有助于读者理解相关知识。