超（chāo）大孔徑聚晶金剛石拉絲模具單向（xiàng）走絲電火花線切割（gē）加工工藝研（yán）究（jiū）-特（tè）種加工機床網-數控機床市場網（wǎng）

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超大孔徑聚晶（jīng）金剛石（shí）拉絲模具單向走（zǒu）絲電火花線（xiàn）切割（gē）加（jiā）工工藝（yì）研究

2016-11-10 來源：北京迪（dí）蒙吉意（yì）超（chāo）硬（yìng）材料（liào）技術有（yǒu）限公司作者（zhě）：康凱敏，曹鳳國，桂小波

摘要：基於試驗研究，創新性地提（tí）出了采用（yòng）單向走絲電火花線切割機床對超大孔徑聚晶金剛石拉絲模具的孔形（xíng）進行粗加（jiā）工。以金剛石粒度為25 μm 的直徑22 mm、厚度（dù）20 mm 的超大孔徑聚晶金剛石拉絲（sī）模（mó）具為例，進行單向走絲電火花線切割加工定徑區、壓縮區和安全角的工藝研究，得出了加工工藝（yì）曲（qǔ）線，確定了最優加工（gōng）工藝參數，提高了粗加工效率，確保（bǎo）了良（liáng）好的孔形精度。結（jié）果表明：選擇脈衝寬度4 μs、脈衝間隔40 μs、峰值電（diàn）流15 A、走絲速度10 m/min 時（shí），可獲得較（jiào）滿意的加工效果。

關鍵詞：聚晶金剛石；超大孔徑拉絲模具；單向走絲（sī）電（diàn）火花線切割加工；錐度加工

對傳統的鋼芯拉絲模具孔形，最早采用（yòng）機械研磨的加工方法，即用機械傳動的方式帶動研磨工具（如磨針、磨錐、絲、繩等）作高速運動，利用研磨材料對（duì）模具孔形（xíng）表麵產生的磨削作用來加工孔形[1]。但（dàn）對於聚晶金剛石（PCD）拉絲模（mó）具來說，模芯材料PCD 本身具有較高的硬（yìng）度和抗壓強度，且熱導率極高（gāo）、耐磨性較好，用傳統的機械加工方法加工孔形（xíng）時，工時（shí）長、效率低、廢（fèi）品率高，很難（nán）保證孔形尺寸和表麵質量。目前，較多采用電火（huǒ）花、激光及（jí）超聲（shēng）波等特（tè）種加工方法（fǎ）。電火花放電加工一般用於（yú）中、大孔徑（jìng）拉絲模具（jù）孔形的粗加工；激光加工適於微孔和小（xiǎo）孔拉（lā）絲模具（jù）的粗加工；超聲波加工主要用於拉絲（sī）模具的精加工[2]。

目前，國內模具製造（zào）廠（chǎng）家對於中、大孔徑PCD拉絲模具，主（zhǔ）要用電火花成形加工來完成（chéng）定徑區和各角度區（qū）域的粗加工，用超聲波（bō）研磨進行精加工。這種加工方法不但效率很低，且由於電極損耗嚴重，加工出的孔形精度也低（dī），並（bìng）隨著孔徑的增大，加（jiā）工難度越來越（yuè）大。隨著單向走絲電火花線切割技術在（zài）模具製作上的應用，采（cǎi）用單向走絲電火花線切割機床進行定徑區和角度區域的（de）粗加（jiā）工成為可能，該（gāi）機床的優勢之一是（shì）能進行高精度的錐度加工。利用單向走絲（sī）電火花線切割＋臥（wò）式超聲波加（jiā）工的方式進行超（chāo）大孔徑PCD 拉（lā）絲模具的加工，不僅粗加工效率提（tí）高了近（jìn）3 倍，還提高（gāo）了孔形精（jīng）度。

本文以金剛（gāng）石粒度為25 μm 的直徑22 mm、厚度20 mm 的（de）超大孔徑（jìng）PCD 拉絲模具為例，進行單向走絲電火花線切割（gē）加工定徑區、壓縮區和安全角的工藝研究，確定最優加工工藝參（cān）數，並介紹了（le）錐度加工方法及工藝（yì）技巧。

1. PCD 拉絲模具（jù）孔（kǒng）徑分類

PCD 拉絲模具孔（kǒng）形結構（gòu）見（jiàn）圖1。按（àn）孔徑d 的大（dà）小可分為微孔（d≤0.1 mm）、小孔（0.1 mm＜d≤1.0mm）、中孔（kǒng）（1.0 mm＜d≤3.0 mm）、大孔（3.0 mm＜d≤10.0 mm）和超大孔（d＞10 mm）。孔徑大小不同，其加工方法也不盡相同。通常，對於（yú）PCD 拉絲模具的孔形加工方式，微（wēi）孔（kǒng）、小（xiǎo）孔（kǒng）采用激光+超聲（shēng）波加工；中孔、大孔采用電火花成（chéng）形+超聲波加（jiā）工。

圖1 PCD 拉絲模（mó）具（jù）孔形結構圖

2. 超大孔徑PCD 拉絲模具線切割加工工藝

實驗采用AQ360 單（dān）向走絲電火（huǒ）花線切割機床，電極絲為直徑0.2 mm 的黃銅絲，加工介質為去離子水，加（jiā）工方式為（wéi）浸沒式加工。利用單向走絲線（xiàn）切割機床（chuáng）切割拉絲模具時，需事先加工穿絲孔。實驗用（yòng）機床數據庫雖然提供了加工PCD 的參考加工參數，但實際切（qiē）割中，該參數不適合超大孔徑PCD 拉絲模具（jù）的切割。超（chāo）大孔徑PCD拉絲模（mó）具的（de）特點是孔徑大、工件厚度大、材（cái）料粒度大，其切割工（gōng）藝要求為：表麵粗糙度均勻，孔形精（jīng）度高，切割（gē）時間長，且切割過程不允（yǔn）許斷絲，這些要求增（zēng）加了線切割（gē）的加工難（nán）度。若在切割過（guò）程（chéng）中發生（shēng）斷絲，在斷絲部位會出現凹槽或凸棱（léng），將給後續的超聲研磨加工增加相當大的工作（zuò）量，既浪費（fèi）磨料，時間和成本均增加，還影響模具精度。因此，有必要對超大孔徑PCD 拉絲模具的線切割工藝進行研究（jiū），對脈衝寬度、脈衝間隔（gé）、峰值電流、伺服參考電壓等電參數和其他非電參數（shù）進行分析及適當的調整（zhěng），選擇最佳的工藝參數，以提高切割速度和加工質量。

2.1 電參數對切割速度及表麵質量的影響

2.1.1 脈衝寬度

脈衝寬度是單個脈衝能量的決定因素之一。脈衝寬度過小，脈衝能量不夠，幾（jǐ）乎無法加工PCD 材料。當脈衝寬度增加時，單個脈衝放電能量增（zēng）加，切割速度也隨之增加。圖2 是超大孔徑PCD 拉絲模具的切割速度隨脈衝寬（kuān）度變化的曲線。當脈（mò）衝寬度增大到一定值時，切（qiē）割速度將不（bú）再與脈衝寬度呈正（zhèng）比增長關係，甚至還（hái）會隨著脈衝（chōng）寬度的增加而下降[3]。這（zhè）主要是由於（yú）PCD 材料的導熱率高，放電脈衝能量通過工件散發而損（sǔn）失，反而削弱（ruò）了蝕除作用。電蝕產物的拋出作用不會隨著脈衝（chōng）寬（kuān）度的增（zēng）加而顯著提（tí）高，使短路幾率增大，加（jiā）工變得不穩定，切（qiē）割速度減小，甚至造成（chéng）斷絲。另外，由於單脈衝能量的增大會使電極絲振動加強，從而增大表麵（miàn）粗糙度值，降低表麵質量（liàng）。

圖2 切割速度隨脈衝寬度變化的曲線（xiàn）

脈衝（chōng）寬度過大，單個脈衝能量過大，金剛石顆粒被衝擊或局部碎（suì）化脫落，或整（zhěng）體脫（tuō）落，在加工表麵將留下較大的凹陷，因此加（jiā）工表麵粗糙度值大[4]。金剛石粒度越大，留下的（de）凹（āo）陷就越大，表麵越粗糙，將給後續的（de）研磨精加工增加難度。此外，還（hái）有（yǒu）可能使正常的（de）脈衝放電狀態轉變為瞬間電弧放電狀態（tài），燒壞工件（圖3a），或造（zào）成斷絲現（xiàn）象時常發生。正（zhèng）常（cháng）切割時的表麵（miàn）見圖3b。超大孔（kǒng）徑PCD 拉絲（sī）模具厚度大、排屑條件差，因此，線切割加（jiā）工時一般不采用增加脈衝寬度的方法來提高切割速度，而普遍采用窄脈衝寬度、高峰值電流。

圖3 切（qiē）割燒傷與切割正常表麵狀況

2.1.2 脈衝間隔

脈衝（chōng）間隔對超大孔徑PCD 拉絲模具切割速度的影響較（jiào）大，對表麵粗糙度的影響較小。圖4 是（shì）切割速度隨脈衝（chōng）間隔變化的曲線。脈衝間隔增大，脈（mò）衝空載（zǎi）百分率提高，加工穩定性（xìng）提高，極間不易產生拉弧現象，但切割速度降低明顯。脈衝間隔減小（xiǎo），會使脈衝放電頻率增加，平均加工電流增大，切割速度提高；但脈衝間隔過小，會使放電間隙中的電蝕產物來（lái）不及排（pái）出，加工狀態變得（dé）不穩定，影響切割速度的提高，甚至會產生電弧放電燒斷電極絲，使加工無法繼續進行。因此，在工（gōng）作液恢複極間絕緣性的條件下，可適當減小脈衝間隔，使單位時間內的放電次（cì）數增多，從而提高切割速度。

圖4 切割速度隨（suí）脈衝間隔變化的曲（qǔ）線

實際加工時，應根據（jù）超（chāo）大孔徑PCD 拉絲模具的厚（hòu）度選取合理的脈衝間隔。脈衝寬度不能過小，否則（zé）壓力衝液很難充分進入工件中間部位，不利於電蝕產（chǎn）物的排出，易斷絲。因此，應選擇較大的脈衝間隔加工，以保持加工（gōng）的穩定性。

2.1.3 峰值電流

對於PCD 材料，尤其是超大孔徑（jìng）PCD 拉（lā）絲模具的切割，應采用大脈衝（chōng）能量、大峰值電流，否則能量太小，無法切割。與（yǔ）脈衝寬度的影響（xiǎng）相似，隨著（zhe）峰值電流的增加，單個脈（mò）衝能量增大，切（qiē）割速度提高，而表（biǎo）麵粗（cū）糙度值卻變大；同時，加工間隙大，也使加工精度降（jiàng）低。切割速度隨峰值電流變化（huà）的曲線見圖5。提高脈衝峰值電流可按（àn）比例提（tí）高單個（gè）脈衝的放電能量，單（dān）向走（zǒu）絲線切割加工在其他（tā）參數保持不變（biàn）的情況下，提高單個脈衝能量就意味著提高切割（gē）加工的速度。但（dàn）如同（tóng）脈衝寬度和脈（mò）衝間（jiān）隔的影響一樣，峰值電流的提高也應（yīng）在一定的範圍內。若峰值電流過大（dà），在衝液狀況沒有改善的情況下，切（qiē）縫內排屑不暢，切割速度會（huì）減慢，並可能（néng）引起斷絲。

圖5 切割速度隨峰值電流變化的曲線

2.1.4 伺服參考電壓

伺服參考電壓是預先設（shè）定的用以控製（zhì）電極絲前進（jìn）和後退的標準電壓。當平（píng）均加工電壓高於該（gāi）值時（shí），電極（jí）絲前進（jìn）；低於該值時，電極絲後退。切割PCD 時需杜絕發生斷絲，因此切割超（chāo）大孔徑PCD 拉絲模具時，適當增加伺服參考電壓的設定值，可增（zēng）大電極絲和工件間的間隙，有利於排屑，使加工穩定，不易造成斷絲。

2.1.5 伺服（fú）進給速度（dù）

切割PCD 材料（liào）時的伺服進給速度與切割普通材料不同（tóng），不允許伺服進給速度超過加工速度（即過進給）。因為當伺服（fú）進給速度超（chāo）過加工速（sù）度後，對於普（pǔ）通材料會出現頻繁的短路現象，同時增大了斷絲的可能性；而對於PCD 材料是（shì）直接將電極（jí）絲劃斷（duàn），影響了加工（gōng）速度。因此，切割超大孔徑PCD 拉絲（sī）模具時，伺服進給速度（dù）應略低於加工速度（即欠進給），以避（bì）免斷絲。

2.1.6 開路電壓

在正常情況下，提高開路（lù）電壓會使切割速度顯著提高，這是因為電壓的提高（gāo）必然使脈衝峰值電流和（hé）加工平均電流都提高，單個脈衝能量加大，對提高切割速度（dù）有利，但表麵粗糙度值卻變大；同時，加工（gōng）間隙大，也使加工精（jīng）度降低。切割加工超大（dà）孔（kǒng）徑PCD 拉絲模具時，開路電壓（yā）一般在100 V 左右。

2.2 非電參數對切割速度及（jí）表麵質量的影響

2.2.1 走絲速度

走絲速度對（duì）切割速度有一定的影響。提（tí）高走絲速度，電蝕產物的排出速度（dù）也會加快，這將減少（shǎo）產生二次放電的（de）幾率，提高加工穩定性，從而提高切割速度。但走絲速度過快，將使電極絲（sī）振動加大，表（biǎo）麵（miàn）粗（cū）糙度變差，降低表麵加工（gōng）質量，也會造成（chéng）電極絲的浪費；走絲速（sù）度過慢，會使電極絲上某一點可（kě）能產生多次放電，易造（zào）成斷絲。因此，結（jié）合超大孔（kǒng）徑PCD 拉（lā）絲模具定徑區、壓縮區和安全角的不同切割厚度（dù），適當地調節走（zǒu）絲速度在9～10 m/min 為宜。

2.2.2 電極絲張力

電極絲張力在加工過程中應保持恒定，它與PCD 厚度密切相關，PCD 越厚，所需電極絲張力應越大。如果張力較小，電極絲的跨距較大，除了其振幅大以外（wài），還會在加（jiā）工（gōng）過程中受放電爆炸力（lì）的作用（yòng）而彎曲變形或抖動，造成腰鼓形狀，且會降低模具的（de）切割精度和表麵粗糙度等級。電極絲的張力越大，加工時絲的振動幅度越小，加（jiā）工（gōng）變得（dé）穩定，尺寸精度高，表麵（miàn）質量好。但電極絲張力過大，在加工過程中易造成斷絲，使（shǐ）加工無法繼續（xù）。因此，在（zài）切割超大孔（kǒng）徑PCD 拉絲模具的壓（yā）縮區和安全（quán）角時，絲張力應比切割定徑區適當（dāng）增加10～20，確保角度的精度。

2.2.3 噴流壓力

噴流（liú）的（de）壓力及流量直接影響線切割的加工速度和模具表麵質量。為了將加工過程中產生的電蝕產物迅速排出（chū），采用強噴（pēn）流，且PCD 厚度越大，所需的噴（pēn）流壓力越（yuè）大，以便帶走更多的熱量及蝕除物，避免二次放電的發（fā）生，且不（bú）易斷絲，切割速度提高。但噴流（liú）壓（yā）力過高，造成電極絲抖動，反而降低了切割速度，同時造成加工精度及（jí）表麵質（zhì）量的降低。與電極絲（sī）張力調節一樣，在切割壓縮區和安全角時，噴流壓力應比切割定徑區（qū）適當增加5～10 Hz （變頻器頻率），以確（què）保角度的精度。

此外，實驗（yàn）用機床數據庫（kù）中的（de）加工條件給（gěi）出了另（lìng）外2 個有益參數，可（kě）通過調整其數值對脈衝的持續加工和加（jiā）工穩定性進行控製。

（1）高壓遮斷

在通常的控製電路中增（zēng）加遮斷電路和高壓電路，以（yǐ）對放電中（zhōng）單個脈衝的持續加工進行良好的控（kòng）製（zhì）。H 值越大，電壓越高；R 和P 值越大，電阻值越小，能量越大。

（2）MAO

調整加工穩定性的參數，通過M 值對加工狀態進行判斷。若加工狀態不穩定，脈（mò）衝間隔將（jiāng）根據設定的A 值倍率伸（shēn）展（zhǎn），脈衝寬度將被設定的O 值取（qǔ）代，從而提高（gāo）加工穩（wěn）定性。M 值（zhí）越大，進行加工穩定（dìng）性判（pàn）斷（duàn）的頻次越多，影響切（qiē）割（gē）速（sù）度；A 值越大（dà），伸展（zhǎn）倍率越大，加工越穩定，但（dàn）切割速度會降低；O 值越小，加工越穩（wěn）定。通過以上一係（xì）列的實驗，摸索出了加工超大孔（kǒng）

徑PCD 拉絲模具的工藝參數（表1）。

表1 加工（gōng）超大孔徑PCD 拉絲模具工藝參數

注：表中參數值均以實（shí）驗用機床加工條件代碼表示。

2.3 錐度加工的原（yuán）理及技巧

通過單向走絲線切割機床的錐度切割功能可精確加工壓（yā）縮區和安全角，這為高效率、高質量加工超大孔徑PCD 拉絲模具部分區域的（de）角度提供了精度保障。

2.3.1 錐度加工原理

數控單向走絲線切割機床的上、下導絲器兩點形成一（yī）條直線，下導絲器中心軸線不動，上導絲器通過步（bù）進電機驅動（dòng）U、V 軸（zhóu）的移（yí）動（dòng），使電極絲與垂直線偏移角度，並與（yǔ）X、Y 軸（zhóu）按軌跡運（yùn）動實現錐度加工。圖6 是錐度加工示意圖，U、V 軸移動距離越（yuè）大，產生的錐度就越大，實（shí）驗用放電加工機的（de）U、V 軸最（zuì）大（dà）移（yí）動距離為80 mm。在進行角度區域加（jiā）工時，應注意U、V 軸的行程是否會（huì）超出機床的限定範圍。

圖6 U、V 運動示意圖

2.3.2 錐（zhuī）度加工程序及加工設定

本切割實驗屬於固定錐度加工，上、下表麵具有相同的表麵形狀———圓形，編程較簡單（dān）。錐度加工需根據生成的程序進（jìn）行相關的設（shè）定，涉及錐度加工的設定參數主要（yào）包括主程序麵（編程平麵，也（yě）是精度尺寸在工件上的位（wèi）置）到工作台麵的距離TP、從程序麵（工件上另一（yī）個有尺（chǐ）寸要求的麵（miàn））到工（gōng）作台（tái）麵的距離（lí）TN 及（jí）角度的方向。這3 個參數需正確設定，否則會影響拉絲模具的尺寸、角度所（suǒ）在的位（wèi）置和角（jiǎo）度精度。

2.3.3 噴嘴（zuǐ）的幹涉檢查

在進行角度切割時，需事（shì）先通過加工預（yù）演來確定噴嘴與電極絲是否發生幹涉。如發生幹涉，會造成與實際要（yào）求的（de）加工角度（dù）不符（fú），可更換規格大的噴嘴（zuǐ）或將噴嘴取下。但取下噴嘴會使噴流起不到（dào）相應的作用，排屑不通暢會造成斷絲。

2.3.4 錐度加工技巧

在切割壓縮區和安全角時，均帶有不（bú）同大小的錐（zhuī）度，由於高壓衝液不能有效地衝入切縫，電（diàn）蝕產物不能有效排出，易造成斷絲。且帶有錐度區域的切割速度與無錐度（dù）區域的切割速度相比要低得多，錐度越大，切割速度越（yuè）低。適（shì）當減小（xiǎo）脈衝寬度，降低脈衝（chōng）能量，可（kě）避免發生（shēng）斷絲。此外，應盡可能保證上、下噴嘴（zuǐ）貼近工件表麵，改善（shàn）噴液狀態，並檢查上、下噴嘴，確保其完好無損。錐度加（jiā）工前，需（xū）使（shǐ）用找正器找正（zhèng）電極絲的垂直度（0.01 mm），如果電極絲垂直度誤差（chà）較大，將導致超大孔徑PCD 拉絲模具的角度區域在各個方向的錐度不（bú）一致，降低角度的精（jīng）度（dù）[5-6]。

3. 結論

（1）隨著脈衝寬度的增加（jiā），切割速度（dù）呈非線性增加，一般（bān）選擇脈衝寬度3～4 μs 區間時，可獲得良好的表麵質量及合理（lǐ）的加工速度。脈衝間隔對切割速度影響較大，為確保加工的穩定性，應（yīng）選取較大的脈衝間（jiān）隔，一般35～40 μs 為宜。隨（suí）著峰值電流的增加，切割速度增加，但表（biǎo）麵粗（cū）糙度變差，也應在一定範圍內合理選取，避免電流太大而燒傷工件、太小則（zé）無法切割PCD 材料，因此選15 A 左右（yòu）為宜。適（shì）當增加伺服參考電（diàn）壓，以增加（jiā）電極和工件之間的放電間隙，使加工穩定。伺服進給速度不能超過加工速度，否則易造成斷絲，欠進給狀態較合適。其他非電參數的選取均（jun1）以加工穩定、防止（zhǐ）斷絲為主要前提條件，因（yīn）為切（qiē）割超大孔徑PCD 拉絲模具時不（bú）允許斷絲，斷絲處留下（xià）的凹槽和凸棱會給後續的研磨加工（gōng）增（zēng）加相當大的工作量，浪費時（shí）間和成本。

（2）采（cǎi）用單向走絲電火花線切割進行超大孔徑PCD 拉絲模具的定徑區、壓縮區和（hé）安全角的粗加工，達到了預（yù）期要求，實現了更好的工藝效（xiào）果，提高（gāo）粗（cū）加工（gōng）效率近（jìn）3 倍。一次裝夾，各個區域（yù）尺寸的同軸度得到了保證（zhèng）。尺寸餘（yú）量更小，減少了原工序複雜的整形工序，降低了廢品率。切割後的內芯可製作小孔徑拉絲（sī）模具的原始坯料，比EDM 套（tào）料尺寸直徑大1～2 mm，提高一個組距。

（3）以粒度為25 μm 的（de）超大孔徑PCD 拉絲模具為例，進行單（dān）向走絲電火花線切（qiē）割加工工藝研究，對於不同粒度的PCD 性能有一定（dìng）的差別，在切割時（shí），工藝參數（shù）選擇也應區別對待。

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