基于WEDM的金属工艺品凤凰的加工应用*

2021-03-22汪玉琪

机械研究与应用 2021年1期

汪玉琪

(陕西理工大学，陕西汉中 723001)

0 引言

金属工艺品是以金属材料，或以金属材料为主辅以其他材料，加工制作而成的工艺品，以其特有的金属质感、色泽和雄浑、华贵、典雅、精细等各种不同的艺术风格，深受人们的喜爱。传统的金属工艺品制作主要以手工和机械加工为主，不仅生产效率低，而且加工成本高[1]。

数控电火花线切割(WEDM)是在电火花穿孔、成形加工的基础上于20世纪50年末代发展起来的一种新工艺。其加工过程是用一根移动着的金属丝作为工具电极，在金属丝与工件间通以脉冲电流，使之产生脉冲放电，利用电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉,连续不断的脉冲放电就切割出了所需形状和尺寸的工件，故称电火花线切割，简称为线切割[2-3]。

不同于传统加工技术需要用机械力和机械能来切除材料，线切割主要利用电能来实现对材料的加工[4]。作为一种现代特种加工技术，线切割具有诸多优点：①可加工传统机械不易加工的微细形状；②自动化程度高、操作方便，加工周期短、功耗低；③工作平稳、均匀、抖动小、加工精度高、表面质量好；④切缝窄，蚀除量少，可对工件材料进行“套料”加工，材料利用率高；⑤电极和工件之间不直接接触，几乎没有切削力，可加工高硬度材料[5]。

基于以上优点，相较于传统方法，线切割更适合于金属工艺品的加工制作。笔者针对金属工艺品的线切割加工中容易出现的问题，以一个小型金属工艺品——复杂二维图案凤凰的加工为实例，对整个流程的各个环节进行了仔细研究和详细阐述，总结了一些需要注意的事项。

1 加工制作方法与流程

采用设备：线切割机床，设备型号为DK7735，电极丝材料为钼丝，直径为0.18 mm，冷却液为乳化液。

使用软件：CAXA线切割,以及WireCut。

材料：300 mm×200 mm×1 mm不锈钢板。

1.1 图像采集与处理

在线切割加工前，要获得便于 CAD/CAM 系统处理，且符合加工要求的图像。线切割加工图像轨迹一般以一笔画的形式出现，实现一次切割即可完成整个金属工艺品的加工，这样可以提高加工效率、避免二次穿丝。轮廓图像的获得通常有两种方法，分别是：①采用拍照、扫描或者下载图片等方式进行图像采集，再对采集的图像进行处理。在CAXA线切割软件中导入BMP、GIF、JPG、PNG、PCX格式的图像文件，通过描图获得工艺品的轮廓图；②采用其他绘图软件(如CAD等)完成绘图，最终保存为“EXB”格式文件，导入CAXA线切割软件中。

对于不规则的曲线图形，可以采用样条曲线进行绘制，然后通过图形上的各个控制点对所绘图形进行局部编辑调整，以求获得理想的图案形状。本例中的凤凰为一个二维平面工艺品，其轮廓完全由自由曲线所构成。因此，可通过“CAXA 线切割”软件本身自带的位图矢量化功能，导入图像，采用描图后再编辑处理的方法，完成如图1所示凤凰轮廓的绘制。

图1 凤凰轮廓

需要注意的是，最终获得的图形轮廓一定要封闭，不能有断开点和交叉点，而且是单连通的，也不能有重复多余的线条，否则不符合线切割加工的条件，在后续生成轨迹时也会出错。所以，图形绘制完成后要局部放大看，认真检查各个细节并予以修正，确保没有上述问题存在。

加工时，往往将图形的总体尺寸限定在某一范围内(比如将单个工艺品大小限定在100 mm×100 mm以内)，以合理控制加工时间和所用材料尺寸。为此，可以在测量图形尺寸后，按照一定比例，对所绘图形缩放到规定的大小范围，以满足加工要求。

1.2 编制程序、生成轨迹

线切割编程分为手工编程和自动编程，编程格式有多种，目前使用最多的是3B格式。对于该工艺品凤凰，其形状轮廓较为复杂，适合采用CAM软件自动编程，此处用线切割自动编程软件CAXA完成编程。

首先，运用CAXA线切割软件中的“轨迹生成”功能生成零件的加工轨迹：填写加工参数表(包括切割参数和偏移量/补偿量的设定)，拾取加工对象的轮廓，点击绿色箭头设定加工方向(顺时针或逆时针)，选定电极丝中心偏移补偿方向，分别选择穿丝点和退出点(通常设定为与穿丝点重合)位置，回车则自动生成了凤凰的加工轨迹[6-7]，如图2所示。

图2 凤凰加工轨迹

穿丝点可以考虑从零件轮廓的左侧、下方或上方切入，具体位置的选择要结合加工时穿丝的便利和材料的合理利用而定。生成的轨迹不能跨过零件轮廓，否则加工时会破坏已有轮廓。穿丝点选在零件外某一点，既要留有一定余量，保证加工图形的完整，又不宜使得切入线太长，以免造成材料浪费，增加切割时间。

1.3 轨迹仿真、生成代码

正式加工前，可通过观看仿真过程，检查零件加工中有无过切或干涉情况。仿真时，选择连续方式，设定适宜的步长(步长越大，则仿真速度越快)，一般采用默认值0.01，选择加工轨迹，点击“轨迹仿真”，即可对切割加工过程进行模拟，如图3所示。

图3 凤凰加工轨迹仿真

模拟无误后，调用“生成3B代码”命令，系统根据图纸尺寸及工件的实际情况计算坐标点并编制程序，自动生成3B格式加工代码，命名并选择保存位置，则得到了一个3B代码的记事本文件。

1.4 设备调试

在操作前必须确认无外界干扰，一切正常后，采用适宜的装夹方法(通常采用压板、螺栓固定工件，在必要时辅助以垫块、垫片等，确保板材水平)，把所要切割的板材背面的保护膜撕掉，并装夹在切割平台上(板材不能超过切割范围)，保证不锈钢板平稳，以免加工时板材振动。

不锈钢板装夹完成之后，打开设备电源开关和走丝开关，即可开始调整钼丝的位置。为保证准确的工件形状和尺寸精度，需要提前对钼丝的垂直度进行校准。检查钼丝的张力情况无异常后，启动高频开关，通过X、Y轴方向的手轮调节钼丝与金属板之间的相对位置，将钼丝移动到靠近加工起始点的位置，结合设备标尺和手轮刻度盘示数，以及游标卡尺测量等，留足各个加工方向周围材料的余量，以免因材料与量不足造成最终加工图形不完整。

1.5 正式加工

在WireCut软件中打开1号卡，调入电脑中保存好的3B代码，则界面中显示出图形的加工轨迹。选择合理的切入位置，缓慢转动手轮，使得钼丝逐渐接近金属板，此时速度不宜过快，以防不慎卡断钼丝。当钼丝和金属板之间有极小间隙，并能产生稳定的电火花时，松开手轮，按下冷却液开关，给加工位置处提供乳化液，在WireCut软件界面点击“开始加工”，正式开始切割零件。

加工时，钼丝由数控装置按加工程序指令控制沿X、Y两个坐标方向移动而合成所需的平面圆弧轨迹。钼丝从穿丝点出发，逐渐切入金属板，按照设定的方向和轨迹进行切割。加工时，在 WireCut软件界面能够直观地看到X、Y两个方向坐标不断变化，并显示加工已用时间和剩余时间，加工进度一目了然。与此同时，能够看到加工限速、空走限速，加工完成所需的总步数和已走步数，绿色脉冲信号灯来回闪烁，设备上的电压、电流表指针也会随之摆动。零件切割结束后，钼丝会退回到穿丝点位置。