慢走丝线切割加工异常及分析

 

慢走丝线切割加工在精密模具制造中有着不可或缺的地位，尤其是在冲压模具制造中更为重要。冲压模具的凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等零件都需要进行慢走丝线切割加工。加工质量与效率直接影响模具零件的装配性能、产品质量、模具寿命、制造周期及成本，因此防范发生加工异常问题具有重要意义。

 

2 模具慢走丝线切割加工常见的异常问题及分析

 

本文根据模具企业多年的慢走丝线切割加工实践经验，就慢走丝线切割加工效率、表面质量、加工精度三方面的异常问题，分析了其产生原因并提出了解决问题的具体措施。

 

2.1 加工效率低问题

 

慢走丝线切割加工模具零件采用多次切割的工艺方法。加工效率低下时，需要区分是发生在主切加工还是修切加工。

 

2.1.1 主切加工效率低

 

实际生产中，能否进行有效的高压冲水是影响慢走丝线切割主切加工效率的主要原因。慢走丝线切割加工电极丝走丝速度较慢，加工需要采用高压冲水的方式来排屑。由于加工中上下喷嘴没有贴于工件表面，或者是沿边缘进行切割的情况，高压水不能有效冲入切缝，导致加工效率大幅度降低。为了保证正常的加工效率，上下喷嘴与工件表面之间应控制在0.1mm左右的距离。不能达到此要求时，也要尽可能实行近距离的贴面加工。为了不使高压冲水沿工件边缘泄漏，切割的坯料要做成有利于冲水要求的形状，例如坯料做成板料，多个零件排料在一起相互借用余料装夹。不论凸凹模尽量从小的穿丝孔开始切割。以预加工留余量来进行慢走丝线切割加工的情况，则留量要尽量小，切割时要让电极丝能露在外面进行切割。对于台阶形状类的工件,确实不能进行有效的高压冲水的加工，只能通过降低切割能量，牺牲一定的加工效率来防止加工频繁断丝，这时对加工效率就要有正确的认识。

 

电极丝的直径与材料对主切加工的效率影响较大。慢走丝线切割加工常用的电极丝直径有0.20㎜、0.25㎜两种。Φ0.2㎜电极丝在工件高度小于10㎜可以获得比Φ0.25mm电极丝更理想的主切加工效率，这是因为切缝窄，工件薄，总的蚀除量小。而在工件高度达到40mm以上时，Φ0.25mm的电极丝与Φ0.2mm电极丝相比，加工效率就会高出约25%，因为厚度增加，较粗的电极丝可以承受更大的脉冲能量，较宽的切缝有利于排屑。就电极丝材料而言，实际生产中应用最多的还是廉价的黄铜丝。黄铜丝是纯铜与锌的合金。锌的熔点较低能够改善加工过程中的冲洗性能，同时在切割过程中，锌受高温气化使得热量充分传递到工件加工表面，因此从理论上讲，锌的比例越高越有利于提高加工效率。但在黄铜丝的制造过程中，当锌的比例超过一定范围后材料就会变得太脆而不适合拉丝。后来人们想到了在黄铜丝外面单独加一层锌，也就是镀锌丝，它的加工效率比黄铜丝能够提高约30%，并且不容易断丝。在追求高效率加工的情况下可以优先选用镀锌丝。

 

慢走丝线切割加工机床的工艺专家系统，只需要输入电极丝材料、丝径、工件材料、工件厚度、表面粗糙度，加工优先权等，系统即可自动生成优化的加工参数。为了获得正常的加工速度，应确保正确输入相关的工艺数据，例如追求高效率的加工场合，优先权应选择速度。先进的慢走丝线切割加工机床具有的自适应控制功能，如瑞士GF加工方案公司CA20U机床的ACO功能，加工启用此功能，对于台阶类不能有效进行高压冲水的工件，可以避免加工断丝并保持稳定的切割。但对于能有效进行高压冲水的板类加工，就有可能会降低较多的加工效率。因此在切割稳定的情况下，可取消ACO自适应控制功能。同样，慢走丝线切割加工机床丰富的拐角保护策略功能也会降低加工效率，只有在精度要求高时才开启此功能，其策略的强弱一般可以调节，可根据加工需要合理使用。

 

对于特殊的加工（例如特殊材料、复杂形状的台阶工件）频繁发生断丝的情况，不得不修改电参数降低放电能量来避免断丝。这时应优先加大脉冲间隙来降低脉冲放电的频率，通常能有效解决问题。通过减小加工电流来避免断丝也是一种有效的方法，但这种方法会更多地降低加工效率。因此只有在增大脉冲间隙仍然断丝的情况下才考虑减少加工电流。

 

对慢走丝线切割加工机床定期进行规范的维护保养工作，是高效率加工的基础。电极丝通过导电块获得放电能量，需要确保它们接触良好。当导电块的磨损凹槽深度超过电极丝的半径时，必须更换导电块位置。导电块的表面需用砂纸打磨去除氧化层，以提高其导电率。长期不清理下导丝芯座会堵塞（使用黄铜丝会掉铜粉）下导电块冷却水甚至下喷嘴加工用冲水会严重影响加工效率，需要定期进行下导丝芯座的的维护。当加工中水压表的读数与工艺设定值差异很大时，应检查喷嘴是否有损坏，它会影响高压冲水的实际压力，会使加工效率大幅度降低，必要时及时更换。

 

2.1.2 修切加工效率低

 

工件在切割加工过程中若发生变形，会明显影响精修加工的效率。轻则加工效率降低，变形较大时甚至会出现修不动的情况。为防止慢走丝线切割加工模具发生变形，必须采取一定的措施。首先应选择变形量较小的材料，采用正确的热处理工艺；其次是合理安排加工工艺，大的型腔或窄长而复杂的型腔可对切割部位进行释放应力的预加工，大型腔留多段暂留量，凸模零件应在材料上加工穿丝孔进行封闭的轮廓加工；再次是优化切割加工路径，包括装夹，暂留量的位置，引入路径等。

 

为了获得可靠的加工质量，机床工艺专家系统生成的加工参数一般偏保守，多次切割两刀之间所预留的材料余量会相对较多。实际生产中，通过修改偏移量，减少材料余量可以大幅度提高修切加工的效率，比如工艺专家系统生成的割一修三的偏移量为0.246、0.166、0.146、0.136，可以修改为0.233、0.163、0.145、0.136。但需要注意，材料余量不能减小太多，否则会导致加工表面出现欠修的不良情况。

 

修切加工次数越多可以获得更好的表面粗糙度，越是精修会成倍地增加加工时间。因此，应根据模具零件的加工要求来确定切割次数，以够用为原则，在满足加工要求的前提下尽可能减少修切次数，以保证高效率的模具生产。对于超过四次以上的多次切割，由于最后的精修能量很小，其放电状态受各种因素的影响，很容易出现修切加工效率极低的情况，这种情况可以对最后一次精修工设定恒速切割，既能保证加工速度，也能达到符合要求的表面粗糙度。

 

2.2 表面质量问题

 

加工的表面质量问题主要包括表面条纹、粗糙度达不到要求、表面变质层过厚三个方面。

 

2.2.1 表面条纹

 

按照慢走丝线切割机床指定的工艺进行切割，如果表面出现条纹，首先要看电极丝质量是否有问题，使用市场上价格便宜的劣质电极丝很容易出现加工条纹的问题，尽量使用正品耗材。同样，使用含有杂质、低品质的工件材料，也会导致加工表面出现密集条纹的情况。

 

对于锥度零件的加工，其表面容易产生条纹，使用柔性更好的软黄铜丝可以获得明显的改善效果。加工凹模时，经常会发生进刀处出现凹痕的现像，可以在编程时采用弧进弧出的方式来改善。

 

加工应确保机床运丝平稳，丝张力稳定，必要时校准丝速及张力。导电块发生磨损的情况要及时旋转或更换，清洗上下导丝部件，包括导丝嘴、导丝芯座、下导轮、导轮轴承等。

 

2.2.2 表面粗糙度达不到要求

 

对于表面没有完全修光，表面粗糙度达不到要求的异常情况，应检查程序的偏移量是否合理。可以适当增加修切两刀之间的材料余量，确保后一次修切能将前一次加工的表面能完全修上。

 

切割工件发生微量变形也会导致表面粗糙度达不到要求，修切后的表面局部不均匀，这时就要控制加工变形的发生。对于那些大型、厚壁、形状复杂、厚度不均匀的模具零件，宜采用增加修切次数的办法来减少和去除表面缺陷。

 

表面粗糙度要求Ra≧0.35μm时可使用普通黄铜丝进行加工。当Ra<0.35μm时，为了获得好的加工表面，应该选用镀锌丝进行加工。

 

2.2.3 表面变质层过厚

 

慢走丝线切割加工模具零件的表面会产生一定厚度的变质层。变质层致使模具硬度下降，容易发生早期磨损，影响模具的使用寿命。

 

加工使用纯净水作为工作液，水中离子的导电作用会产生破坏性的电解作用，因此需要在水中添加离子交换树脂来控制水的导电率。去离子水的电导率越高，加工表面的变质层会越厚。因此慢走丝线切割加工要将去离子水的导电率控制在一定范围内，精加工要保证去离子水的电导率小于10µS，超过允许范围时要及时更换离子交换树脂。在加工硬质合金、PCD刀具零件，对表面变质层厚度有严格要求时，可采用绝缘性能较高的油性介质作工作液。油性介质的绝缘性能较高，同样电压条件下较难击穿放电，无电解腐蚀，可获得比用去离子水加工更优越的表面质量，加工表面几乎没有变质层。

 

使用慢走丝线切割加工机床的防电解加工工艺，可较有效地将加工过程中电解的破坏作用降到最低程度。其加工原理是在不产生放电的加工时间内（脉冲间隙）施加一反极性电压，这种交变的正负脉冲电压，使得间隙的平均电压为零，防止电解作用这种有害现象的发生。

 

电极丝选用镀锌丝，其在加工中不像黄铜丝那样容易掉铜粉，加工的表面不会积铜，表面变质层可得到改善，工件表面的硬度更高。

 

2.3 加工精度问题

 

慢走丝线切割加工可以胜任高精度的模具零件加工。实际生产中，由于操作不当或者工艺欠合理，会导致加工精度出现问题，一般有以下几种情况。

 

2.3.1 加工尺寸不合格

 

切割后的工件，实际测量尺寸超出了图样要求尺寸的公差范围，尺寸偏大或者偏小。这种情况，一般可以通过修正程序偏移量来精确控制加工尺寸。比如切割凸模，尺寸偏大时可以将程序偏移量减小。需要注意的是，这种调整是建立在机床本身固有良好精度与稳定性的前提下，并且机床处于良好的维护保养状态。同时，环境因素对精密加工的影响也非常大，室内要达到21±2℃的恒温要求、湿度40-80%，不能有阳光的直射或气流。

 

2.3.2 中凹或中凸情况

 

工件的上中下的尺寸不一致，实际生产中称这种情况为凹心鼓肚。出现这种情况的主要原因是加工中电极丝与工件的伺服进给状态没有处于良好的状态。正常的加工要保证电极丝的伺服进给速度与蚀除速度大致相等，进给均匀平稳。若伺服进给速度过高（趋近于短路），即电极丝的伺服进给速度明显超过蚀除速度，在切凸模时，就会出现鼓肚的不良情况，伺服进给速度太慢会出现凹芯的不良情况，切割凹模具则相反。可以根据这一规律来调整机床的伺服进给速度，有效解决模具零件中凹或中凸的尺寸精度问题。

 

2.3.3 锥度现象

 

慢走丝线切割加工走丝速度较慢，主切加工中电极丝会发生损耗。尽管慢走丝线切割加工的电极丝是一次性使用，但还是不可避免地存在电极丝损耗。因此其切缝特征为上宽下窄，这是模具零件加工存在微小锥度现象的主要原因。切割凸模时，零件的上端小，下端大，呈现一定的锥度，尺寸误差在6μm左右。显然，可以通过适当提高机床的走丝速度来解决此问题。但该方法会增加加工成本，实际生产中可在编程时使用锥度补偿功能，也就是给直身零件添加一个微小的锥度来修正这种精度差异。另外，可以适当加大丝张力，同时需要确认电极丝进行过精确的垂直度找正，上下喷嘴完好无损坏，正确地调节了修切时的低压冲液流量。

 

2.3.4 形状误差大

 

一般来讲，加工变形是产生形状误差大的主要原因，可以参考上面相关介绍，从加工工艺方面进行改善。

 

加工中火花通道的压力对电极丝产生较大的后向推力，使电极丝发生微量弯曲，电极丝的这种滞后表现，在切割拐角时容易造成角部塌陷。为了提高拐角切割精度，可以使用机床的拐角控制功能来改善拐角精度问题。当加工至拐角位置时，机床自动降低加工能量，降低冲水压力，降低伺服进，采用延时等办法来控制拐角精度。拐角策略分为内角和外角，可以分别设置它们的保护强度。应根据拐角精度要求灵活应用拐角策略。对于小圆角、窄缝、微细零件的微精加工，可以采用细丝进行切割，以获得更小的内角半径。使用镀锌丝加工的拐角加工精度高，特别是尖角部位的形状误差比黄铜丝有明显改善。

 

若电极丝的张力偏小，冲流压力太高，电极丝抖动，都会造成加工不稳定，导致几何形状误差增大，需要合理进行控制来减小形状误差。

 

2.3.5 位置精度误差大

 

模板上型腔位置的精度很大程度取决于加工前的定位。为了实现高精度的定位精度，工件必须有精密、明确的基准面。电极丝必须进行过自动垂直找正，不要使用火花校正的方法，因为它难以获得较高精度的垂直度，会影响定位精度。使用四面分中的定位方式能获得更高的定位精度，两基准边的感知误差可以相互抵消。定位找边要多进行几次，检查并确认定位精度。跳步加工如果发生较大的位置精度误差，要检查加工是否发生变形。对于多型腔的加工，编程排工艺时，可以先对所有型孔进行粗加工，充分释放材料的应力，再统一进行修切加工，可以实现更高精度的跳步精度。编程时不要使用增量编程方式，以免误差叠加后产生较大的差值。机床的轴应按时进行维护保养，加注润滑油，及时进行机械精度的检测与修正，使机床处于良好的精度状态。

 

3 结束语

 

本文对加工效率、表面质量、加工精度问题的分析与对策，是在生产实践中摸索和总结出来的经验，在生产中取得了较好的效果。只要在加工中把握好各个环节，注重每一个加工细节，就能在满足表面粗糙度、加工精度的前提下，实现高效率的慢走丝线切割加工。