电火花线切割加工断丝分析及改进措施

2022-09-27贺声阳吴亚伦

设备管理与维修 2022年16期

刘毅，贺声阳，吴亚伦

（沈阳航空航天大学，辽宁沈阳 110136）

0 引言

高速往复走丝线切割机床广泛应用于模具行业，加工中出现的断丝现象，严重影响了加工的稳定性，降低了加工效率，增加了生产成本。在日常加工过程中断丝现象经常出现，恢复生产前的换丝过程费时费力，不仅会对工作效率产生极大影响，而且重复加工使工件加工精度下降。

1 断丝类型分析

线切割加工中产生的断丝一般分为两种类型，即正常磨损断丝和非正常断丝。正常磨损断丝是指在使用过程中，随着加工工件数量及时间的增加，虽然能正常完成加工，但电极丝会逐渐变细[1]，电极丝不断地磨损消耗。加工中由于放电腐蚀导致电极丝损耗，随着时间的累加，达到极限尺寸不能承受能量负荷及应力载荷而断丝。因此，使用中需要及时测量电极丝的损耗量（图1～图2）。在电极丝损耗接近达到使用极限尺寸前，及时更换新的电极丝，防止发生断丝。非正常断丝是指由于某些参数设置不当、工作液选择及配比不合适、切割加工过程不稳定等原因造成的断丝。非正常断丝极大地影响了加工效率，应尽量避免。

图1 测量电极丝损耗

图2 新电极丝测量

2 非正常断丝原因分析及改进措施

工件加工过程中，引起非正常断丝的主要原因为各种因素引起的运行不稳定，如电极丝、电参数、工作液、运丝机构、加工工件、工艺路线、机床操作、日常维护等因素。

2.1 电极丝影响断丝与改进措施

目前电火花线切割加工使用的电极丝材料有钼丝、钨丝、钨钼合金丝、黄铜丝、铜钨丝、镀锌丝等[2]。以DK7735 型电火花数控线切割机床（图3）为例进行分析。该型号机床是电火花线切割加工中较为常见的机床，其最大加工范围400 350 mm，加工中选用Φ0.18 mm 的线切割专用钼丝（图4）。

图3 DK7735 数控机床

图4 专用钼丝

与电极丝张力有关的丝振对稳定性影响铰大，影响加工精度和切割速度。电极丝在贮丝筒上往复运动时产生不同张力出现丝振，电极丝经过一段时间工作后逐渐伸长，丝振加剧张力下降，严重时电极丝跳出导轮槽，极易发生断丝。因此，适当缩短连续加工时间，间断加工，及时调整电极丝的张力，防止断丝。应根据电极丝材料性能和直径的不同调整张紧力，在电极丝抗拉强度允许的范围内应尽可能调大些，从而达到较好的切割质量。

电极丝作为线切割加工中的重要组成部分，极易发生损耗。选购电极丝时要避免选用叠丝、打结及直径不均匀的电极丝。要选择导电性能好、韧性好的钼丝或钨钼丝。如果电极丝导电性能不好，将有一部分能量集中在电极丝上，降低能量的传导效率，致使加工不稳定。

2.2 电参数影响断丝与改进措施

电参数的选取十分重要，对加工精度、表面粗糙度、切割效率、电极丝的损耗有着直接的影响[3]。电参数主要包括：①脉冲宽度：加到电极和工件上电压脉冲的持续时间。一般粗加工时采用较大脉宽，使单个脉冲的放电能量增大，提高加工效率，精加工采用较小脉宽，有利于精细部分加工精度的提高；②脉冲间隔：脉冲的间歇停止时间。线切割机床工作过程中时时都在排屑和金属废渣[4]，在一个间隔中就有部分被排出，脉冲间隔太大会降低加工进给速度，脉冲间隔太小，工作液来不及进入缝隙恢复绝缘，容易引起电弧短路造成断丝。脉冲宽度与脉冲间隙比值要合适[5]，一般脉冲宽度与脉冲间隔的比值取1∶3～1∶5；③峰值电流：单个脉冲能量的指标。大的电流能提高加工速度，但加工表面质量差，同时电极丝损耗加快，导致断丝；④伺服电压：与电源配合，与电流相互协调，合适的电压应与电流相匹配。在切割加工时，正确合理选择脉冲电源电参数，可以提高加工工艺指标和加工的稳定性。稳定性越好则电极丝的使用寿命越长。

2.3 工作液供液影响断丝与改进措施

工作液的主要功能是在脉冲电源的电压下使电流有效击穿介质（工作液），形成放电通道，从而产生巨大的热量（10 000 ℃以上的高温）使被加工的材料熔化、气化，工作液同时起到冷却、带动废料、润滑、防锈和清洗的作用[6]。

工作液的浓度对电极丝断丝有很大影响。浓度过低，工作液的绝缘性能降低，电阻变小，容易与工件发生短路，造成电极丝熔断；浓度过高，工作液的导电率下降，放电时产生气泡，电弧放电发生在空气中，而工作液起不到冷却作用，电极丝在持续高温下熔断。因此，要合理配制工作液浓度，防止断丝。

针对DK7735 电火花数控线切割机床，采用宝玛牌线切割专用水基工作液（浓缩型）。使用前将机床循环系统彻底清洗干净，确保管路畅通。工作液与水配比浓度为1∶25～30，在切割300 mm 以上大厚度工件时，浓度适当提高。在水箱水位明显下降时应及时向水箱里添加新液。配制工作液应使用自来水或者工业纯净水，切勿使用地下水等硬水配置。原液的颜色为蓝绿色或黄色，随季节、温度及正常使用会有所变化。使用过一段时间的工作液箱中的工作液颜色会发生变化，随着工作液使用时间的增加，工作液会逐渐变质，需要定期更换。

2.4 设备运丝机构影响与改进措施

设备运丝机构由电机贮丝筒、上下托板、同步带、换向装置等部件组成，主要作用是带动电极丝按一定线速度运动并将电极丝整齐地排绕在贮丝筒上[7]。它的基本要求是：贮丝筒边转动边移动，以保证电极丝在贮丝筒上整齐排列；贮丝筒的径向跳动和轴向窜动要小；贮丝筒需要正反转；贮丝机构应与床身绝缘。

电极丝的振动特点是两端的振动幅度小，中央幅度大，一旦二者的振幅差超过电极丝的极限就有可能发生断丝。因此，定时更换送丝装置构件，并始终保持电极丝处于恒定张力，可以有效防止断丝。

当撞块触碰到行程开关时触发换向，贮丝筒的速度由设定值突然降到零，然后转换方向运行。在换向处，速度发生突然变化，如果换向不及时，电极丝内部拉应力将瞬时变大。通常换向不及时是行程开关故障或撞块未紧固锁紧造成的。行程开关未能获得信号进行及时换向，在反复换向过程中，电极丝易出现被拉断的隐患[8]。如果是行程开关失灵，导致运行超程，也会拉断电极丝，此时需要及时更换行程开关。另外，如果电极丝在同一位置反复换向，电极丝内部将受到交变内应力的作用，长时间加工后，此处变得极为薄弱，将在此处被拉断，影响正常切割加工。在加工一段时间后，需要调整撞块位置，改变电极丝的换向位置，减小电极丝内同一位置交变应力的影响。

2.5 工件因素影响断丝与改进措施

工件自身因素对电极丝断丝的影响也非常大。如果切割的工件含有杂质，由于成分不同，在高温下杂质不能与工件同时融化，凸显出来的部分将电极丝拉断。工件过薄，在切割过程中极易导致切口处发生形变夹断电极丝。工件过厚，排屑不畅，废屑不能及时排出，导致断丝。工件表面有污渍、生锈或毛刺等，容易引起集中放电导致断丝[9]。因此，尽量采购优质材料工件，降低杂质，加工较薄工件时通过调高峰值高频电流，增大脉冲宽度的方法，使电火花间隙加大，或换用较粗的电极丝；加工较厚工件时应尽可能地增大放电间隙，使工作液在加工过程中充足稳定地包裹住电极丝并进入加工区内，增强排屑效果，加工前清理工件表面，防止断丝。

2.6 切割工艺影响断丝与改进措施

加工前，对加工工艺的设计同样重要，合理的加工工艺可以提高加工精度，节省原材料，提高加工效率，不易断丝。图5 所示的加工此工件有两种方案：方案1 按照o-a-d-c-b 顺序加工；方案2 按照o-a-b-c-d 顺序加工。显然方案2 更能保证工件内部半圆的加工精度，因此，加工前设计好最佳加工路线，可以大大提高加工质量。此外，工作台的进给速度也是造成断丝的重要因素，速度过快，会出现频繁短路现象，速度过慢，出现空载现象，都容易导致断丝。因此，合理控制进给速度，防止断丝[10]。使用时要按照操作流程进行机床加工操作，避免人为因素导致断丝现象的发生。装夹工件、拆卸工件及加工前的各项准备工作要认真细致。正式加工前检查机床的各部件是否运转正常，发现异常及时处理。加工中应按照既定的工艺路线进行，不可随意更改。

图5 工艺路线分析

2.7 日常维护不及时影响断丝与改进措施

要及时做好各项日常维护工作，日常维护不到位，极易引起加工异常，出现工作液供给不足、运丝机构不运转、加工短路、断丝等现象[10]。日常维护要点有：①检查各按键及开关、旋钮等，确保灵活可靠，位置正确；②检查各安全装置、紧固装置，确保准确、灵活、可靠、无松动；③检查各类仪表，确保指示正确、灵敏；④检查油位，按润滑图表加油或润滑脂，确保油路畅通，油量符合要求；⑤执行热机操作，确保各部件充分运动、润滑。