电火花线切割加工模具的工艺特点

4.2.5　电火花线切割加工模具的工艺特点

1．电火花线切割加工的工艺过程

电火花线切割加工的一般工艺过程如图4-78所示，在线切割加工之前要进行工艺分析、工艺参数的确定、模件毛坯的粗加工、线切割加工基准的加工、穿丝孔的加工、线切割程序的编制和检验等工序。

图4-78　电火花线切割加工的工艺过程

（1）模坯件的准备。模坯件的准备工序是指凸模或凹模在电火花线切割加工前要进行的毛坯材料选择、毛坯成型、各种粗加工和预备热处理等精加工前的准备工序。

1）坯件材料选择及其热处理　快走丝线切割机床在使用乳化液的情况下，切割铜、铝、淬火钢等普通材料，加工过程一般较稳定，切割速度也快。而若切割不锈钢、磁钢、硬质合金等难切削材料时，加工过程就不太稳定，切割速度也较慢。通常Crl2、Crl2MoV、CrWMn是比较常用的模具材料。

2）模具工作零件一般采用锻造毛坯，而其线切割加工又常在淬火与回火等热处理后进行，在较大面积地切除金属以及对零件进行切断加工时，往往会由于材料内部相对平衡的残余应力分布状态遭到失衡破坏而导致零件发生变形，破坏加工精度，严重时甚至会在切割加工过程中材料突然开裂，所以，复杂型腔模具在进行线切割加工之前的去应力热处理是非常重要的。

（2）模件的工艺过程。模件的工艺过程及其与线切割的衔接准备工序如下：

1）下料。用锯床或切割机根据长度切割所需材料。

2）锻造。改善材料的内部组织，并锻成模具所需要的形状。

3）热处理。退火处理，达HBS≤229 ，以消除锻造内应力，改善加工性能。

4）铣六面。对模具外形轮廓进行粗铣加工，留磨余量0.4～0.6mm。

5）平面磨削。磨出上下平面及相邻两侧面，创建定位基准。

6）划线。划线确定型腔及刃口轮廓线位置，并对不重要的螺孔等进行粗加工。

7）工具铣床或数控铣床粗加工型孔。为减少线切割加工工作量，将型孔多余材料铣除，进行穿丝孔定位精加工，为线切割工序做工艺准备。

8）热处理。淬火，回火60～64HRC。

9）平磨。磨削顶面、底面及侧面基准面。

10）电火花线切割型腔轮廓。

最后钳工修整各表面、精研磨。

（3）工件的装夹与校正。工件的装夹除了要保证其相对于机床工作台和纵、横导轨严格平行外，还要注意电极丝的切割行程范围和模件的夹具、垫铁与切割行程的相互干涉问题。一般的装夹方式包括以下几种：

1）悬臂式装夹。如图4-79所示为悬臂式装夹工件，这种方式装夹较方便，装夹结构简单，通用性强。但工件悬伸装夹，稳定性差，易出现较大的垂直度误差。仅用于悬臂较短的小型工件和加工要求不高的情况下。

2）两端支撑装夹。如图4-80所示是两端支撑方式装夹工件，这种方式装夹方便、稳定，定位精度高，可以用来装夹较大的模具件。

图4-79　悬臂式装夹

图4-80　两端支撑式装夹

3）桥式支撑装夹。如图4-81所示，这种方式是在通用夹具上放置作为桥板的垫铁后再装夹工件，结构较简单，装夹方便，应用较灵活。

4）板式支撑方式装夹。如图4-82所示是板式支撑方式装夹工件。它是根据组合夹具原理中的基础板件结构原理制作的，这种结构方便于工件的定位和夹紧，定位精度高，装夹工件方便。在专业化模具生产中采用较多。

图4-83为一种复合式支撑方式，它是在支撑桥板上再附加上专用的夹具，来对批量生产的模具件进行快速的装夹，这种结构多应用在模具的批量生产中，精度和效率较高。

图4-81　桥式支撑式装夹

图4-82　板式支撑方式装夹

图4-83　复式支撑方式

（4）电极丝的位置校正。在电火花线切割加工中，电极丝相对于工件相对位置的准确性是非常重要的，因为电极丝的定位位置就是加工程序的起始位置，所以整个切割图形相对于模具件的位置正确性完全取决于电极丝的严格定位。正式加工之前，必须对电极丝进行严格定位。

电极丝位置的常用调整方法有以下几种：

① 目测法。对于加工要求较低的工件，在确定电极丝与工件上有关基准间的相对位置时，可以直接利用目测或借助2～8倍的放大镜来进行观察。图4-84是利用穿丝孔处划出的十字基准线，分别沿划线方向观察电极丝与基准线的相对位置，根据两者的偏离情况移动工作台，当电极丝中心分别与纵、横方向基准线重合时，工作台纵、横方向上的读数就确定了电极丝中心的位置。

② 火花法。火花法如图4-85所示，移动工作台使工件的基准面逐渐靠近电极丝，当刚开始出现电火花时，记下工作台的相应坐标值，然后根据放电间隙的大小就可以推算出电极丝中心的当前坐标值。此法通过电极丝与工件间的火花产生来推算电极丝的坐标位置，会因电极丝靠近基准面时产生的放电间隙，与正常加工切割条件下的放电间隙不完全相同而产生定位误差。

③ 自动找中心法。自动找中心法，就是让电极丝在工件内孔的中心位置自动进行定位。此法就是根据线电极与工件间发生的短路信号，来确定电极丝的当前位置，并由此自动求出孔的中心位置。习惯上也称为短路法。

首先关掉机床的脉冲电源，然后利用数控系统的半程移动指令G82，让线电极在X轴方向上慢速移动并与孔壁接触，系统发出了短路信号后自动返回到孔中心位置，接着在另一轴的方向进行上述过程，这样经过一个双向移动过程后，可以使电极丝自动定位到两次移动的中心位置。这样经过一两次重复就可大致找到孔的中心位置，如图4-86所示。重复上述过程几次，当定心误差达到所要求的允许值之后，自动定中心就可结束了。具有G82功能的数控系统的线切割机床常用这种方法来进行电极丝定位。

图4-84　目测调整法

图4-85　火花法找正电极丝

1—工件；2—电极丝；3—火花

图4-86　用G82自动校正电极丝位置

应该注意的是，在采用火花法校正时，应把工件孔壁清洁干净，以防止由于孔壁的水、油碎屑、毛刺和灰尘等杂物引起搭桥短路，产生火花位置的误差。另外，在用短路法时，一定注意关掉脉冲电源，以防烧坏工件内孔。

2．电火花线切割工艺参数

（1）电脉冲参数的选择。目前的电火花线切割加工一般都采用晶体管高频脉冲电源，所采用的电脉冲能量小、脉宽窄、频率高，并采用正极性加工。在线切割加工中，可改变的电脉冲参数主要有电流峰值、脉冲宽度、脉冲间隔、空载电压和放电电流大小。当要求获得较精细的表面粗糙度时，所选用的电参数能量要小；若要求获得较高的切割速度，脉冲参数要选大一些，但加工电流的增大受排屑条件及电极丝截面积的限制，过大的电流易引起断丝。

电参数对加工蚀除效率、切缝宽度、加工表面粗糙度、电极丝损耗等指标都有直接的影响。由于线切割加工的放电表面积较小 所以其单脉冲放电能量较小。

一般峰值电流和脉冲宽度对加工影响较大，峰值电流越大，切割能量越大，切割速度越快，而加工表面的质量也越差，电极损耗也大；脉冲宽度越大，切割速度越快。脉冲间隔越小，频率就越高，平均电流会增大，有利于提高切割速度，但脉冲间隔不能太小，太小不利于消电离和工作液的绝缘恢复，有产生电弧放电的危险。一旦产生电弧，会烧伤工件，甚至发生断丝现象。一般，线切割的脉冲间隔在10～25μs范围选择。而脉冲宽度可取1～60μs，脉冲频率在10～100kHz范围内。

（2）电极丝的选择。电极丝应具有良好的导电性和抗电蚀性，抗拉强度高，材质应均匀。常用电极丝有钼丝、钨丝、黄铜丝、纯铜丝等几种不同的材质。

在快走丝线切割机床上，电极丝是反复使用的，所以要求电极丝要经久耐用，加工损耗小，电加工性能好，所以常采用钼丝、钨丝和钨钼丝，其直径规格一般在φ 0.10～φ 0.18mm范围内，切细、窄缝隙件时，有时也采用φ 0.06mm的钼丝。这几种电极丝的特点是抗拉强度高，耐腐蚀，电加工性能稳定，加工质量高，但其性质较脆，不耐弯曲，易于脆断，其最主要的缺点是价格昂贵。

慢走丝线切割机床由于走丝速度低，电极丝的加工损耗较大，所以一般不重复使用，用过一次就废弃不再使用，所以慢走丝线切割一般不采用钼丝和钨丝，而是使用价格较低廉的铜丝、黄铜丝和纯铜丝，其规格一般为φ0.10～φ 0.30mm，只有在切割很细的缝隙时，才采用直径为φ 0.03～φ 0.05的细钼丝。

黄铜丝的特点是加工表面质量和直线度精度较高，蚀屑附着少；但其抗拉强度差，损耗大，价格比钨丝便宜很多。

电极丝直径的选择应根据切缝宽窄、工件厚度和拐角尺寸大小来灵活选择。若加工带尖角、窄缝的小型模具宜选用较细的电极丝；若加工大厚度工件或大电流切割时应选较粗的电极丝。一般来说，电极丝的直径越粗，其许用工作电流就越大，电加工的切割速度也越快，同时，切割的切缝也就越宽，拐角圆角也越大。但线径过大会造成蚀除表面积过大，不利于切割速度的提高。从加工效率的角度看，只要加工缝隙大小允许，一般都优先考虑采用较粗的常规电极丝。电极丝的线径越小，许用电流越小，会大大影响线切割速度，也不利于窄缝中工作液的通畅性，不利于顺畅排屑和快速消电离，会破坏电加工的平稳性，进而破坏加工表面质量。另外，过细的电极丝也容易发生断丝现象。不过，细电极丝的加工表面质量较高，切割缝隙也较窄，易于切割很细微的结构。

常用电极丝的应用选择见表4-9。

表4-9　常用电极丝的选择

（3）工作液的选配。工作液对切割速度、表面粗糙度、加工精度等都有较大影响，加工时必须正确选配。

1）工作液的主要作用　工作液在电火花线切割加工中承担了及时电离引火花，形成放电通道、及时消电离恢复绝缘状态、及时排走电加工蚀除物废屑和及时冷却四大作用。工作液是形成正常放电间隙的基本条件，电极丝与工件间没有连续不断的工作液就无法正常工作。所以，及时地提供充足的合格工作液对线切割加工是十分重要的。

2）工作液的种类　常用工作液一般分为水溶液、乳化液和油液三个大类。

常用水溶液有蒸馏水、去离子水甚至普通自来水。水溶液的最大特点是冷却性能非常好，尤其适合于切割厚度较大的零件。但另一方面，由于电极丝在水溶液中的急热急冷变化，易产生淬硬现象，丝会变硬变脆，容易发生断丝。另外，水溶液的黏性和吸附性差，对放电通道中的电蚀物碎屑的洗涤性和吸附性较差，排屑效果差，工作区的积碳严重，不易于切割速度的提高，不易于保证高质量的加工工件表面。

在水溶液里加进一定量的洗涤剂、皂片类，可以明显改善水溶液的洗涤效果，有利于排屑、提高切割效率。

油液的黏度高，其介电强度远高于水溶液，所以放电通道中的油液对电能量的消耗较大，导致电加工的蚀除效率和电能效率下降，切割速度降低，同样电规准参数下的爆炸力较小，放电间隙和通道截面都要小，更导致了排屑困难、切割速度下降。但油类工作液对电极丝的急冷效应小，润滑性能好，所以电极丝的损耗小，不容易断丝。

乳化液的性能介于水溶液和油液之间，其介电强度比水高，但比油低，而冷却效果比水差，比油好。洗涤性比水和油都好。

3）工作液的应用　早期的慢走丝线切割机床由于采用RC电源，所以多采用油类工作液，主要是煤油，或者在煤油中再加入30%的变压器油，这种工作液适用的切割速度为2～3mm²/min，应用范围较窄。

目前，慢速走丝线切割加工普遍使用去离子水。为了提高切割速度，在加工时还要加进光亮剂、防腐剂和爆炸剂，来改善工作液的性能。

快走丝线切割加工机床中，目前最常用的是乳化液。乳化液是由乳化油和工作介质配制而成。工作介质可用自来水，也可用蒸馏水、高纯度水和磁化水。

当工作液中的电蚀除杂质含量较多时，容易造成二次放电，破坏电加工的稳定性。如果杂质含量过高，工作液的消电离作用会明显下降，绝缘程度变差，容易引起电弧。所以工作液用得太脏后，就应该及时更换。

3．电极丝的线切割路线

所谓电极丝的线切割路线是指在线切割加工过程中，工件在工作台的带动下，相对于电极丝的进给运动路线。

电火花线切割加工中，电极丝切割路线的正确安排是十分重要的。加工过程中，电极丝进给路线安排的正确性将直接影响到工件的形状误差和加工变形。

由于线切割加工的工件多半经过了淬火热处理，工件材料内部残存着大量的复杂分布的内应力，在这种不稳定的状态下对零件进行局部切割加工，会破坏材料内部内应力分布的暂时平衡，造成线切割后的材料发生严重的变形，如图4-87所示，其中图（a）表示经切割下来的芯部材料由于左右两面的拉应力分布不平衡而导致材料的弯曲变形，图（b）和图（c）表示当电极丝沿着材料外部引入切割时，在一个侧面形成了横向切口，破坏了工件材料内部纵向纤维的完整性时，由于单侧拉应力的消失而造成切口一侧发生张口变形的情况。

图4-87　内应力的释放引起线切割加工变形

1—电极丝；2—工件；3—模坯

这种情况在工件采用淬透性较差的低档次碳素工具钢材料时尤其严重。由于碳素工具钢的淬透性较差，淬硬层较浅，淬硬表面的拉应力比材料芯部要大得多，内应力分布不均衡的倾向大，所造成的加工变形就大，为了尽量减少这种变形，模具制造中多采用专门的模具钢如Cr12、CrWMn、Cr12MoV等合金工具钢，这些材料的淬透性较好，材料内部的淬火应力分布不均衡倾向小，发生的切割变形小。

正确的进给路线安排可以减小线切割加工中产生的上述变形。

如图4-88所示，当电极丝的第一切割路线安排在工件的夹持部与工件之间时，由于切割的张口变形发生在工件与夹持部位之间，造成了工件后面的加工图形路线已经随着变形产生了向右的位移，造成后面切割加工的误差。

而如图4-89所示的切割路线就可以避免这种误差的产生，其第一切割路线安排在工件和夹持部位的右边，所产生的张口变形发生在后切割图形区域之外，所以，应力释放所引起的变形并不会影响后面的切割加工，其加工误差要比前一方案要小。

图4-88　不正确的切割路线安排

图4-89　正确的切割路线

最好的方案是如图4-90所示，在距离模坯边缘5～10mm远的地方钻穿丝孔，然后对图形进行内封闭图形的切割，由于工件的强化层外缘没有被割断，工件不会发生应力失稳变形，所以内部的图形切割过程会很平稳，变形极小。

图4-90　内部打穿丝孔加工

以上是从应力释放所引起的变形角度来分析切割路线的正确性，从夹持稳定的角度来要求切割路线，也应该掌握上述原则，即要把第一切割路线安排在远离夹持部位的工件图形一侧，这样有利于对未切割部分的稳固夹持，如果第一切割路线安排在图形靠近夹持部位一侧，由图4-88可以看出，工件未被切下的部分与夹持部间的剩余连接已经很少，这会给后面的切割加工带来很大的振动。所以，第一切割路线必须安排在远离夹持部位的工件图形一侧，如图4-91所示。

图4-91　切割路线的比较

由于集肤效应的影响，在切割图形的尖角处往往由于电火花较集中，会造成尖角的塌角现象。当需要对图形的拐角保持尖角时，应该按照如图4-92所示的保持清角进给路线来安排切割。

将电极丝从对刀后的基准位置引入到工件切割图形轮廓所需要移动的路线称为引入路线。而加工完毕后，还需要一个引出路线，将电极丝从加工轨迹引回到原来的基准位置即

图4-92　尖角处的清角路线

出发点上，这段引入和引出路线所采用的程序也叫做引入、引出程序。

为了减小加工表面的接刀痕，引入和引出要求遵循切向原则，即尽量沿加工图形的切线方向引进工件轮廓，沿着切线方向退出工件轮廓。

此外，加工路线还应安排因空走丝以及必要的停机、拆丝、装丝等工作程序而必需的停顿。