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超大孔徑聚晶金剛石拉絲模（mó）具單向走絲電火花線切（qiē）割加工工藝研究

2017-5-8 來源：北京迪蒙吉意超硬材（cái）料技術有限公司作者：康凱敏，曹鳳國，桂（guì）小波，翟力軍

摘要：基於試驗研究，創新性地提出（chū）了采用單向走絲電火花（huā）線切割機床對（duì）超大孔徑聚晶金剛石拉絲模具的孔形（xíng）進（jìn）行粗加工。以金剛石粒度為 25 μm 的直徑 22 mm、厚度 20 mm 的超大孔徑聚晶金剛（gāng）石拉絲模具（jù）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，得出了加工工藝曲線（xiàn），確定了最優（yōu）加（jiā）工工藝（yì）參數，提高了粗加工效率，確保了良好的孔（kǒng）形精度。結果表明：選擇脈衝寬度 4 μs、脈衝間隔 40 μs、峰值電流 15 A、走絲速度 10 m/min 時，可獲得較滿意的加工（gōng）效果。

關鍵詞：聚晶金剛石；超大孔徑拉絲模具；單向走絲電火花線切割加工；錐度加工

對傳統的鋼芯拉絲模具孔形（xíng），最早采用機械研磨的（de）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）模具孔形表麵產生的磨削（xuē）作用來加工孔形[1]。但對於聚晶金剛（gāng）石（PCD）拉絲模具來說，模（mó）芯（xīn）材料（liào）PCD 本身具有較高的硬度和抗壓強度，且熱（rè）導率極高、耐磨性較好，用傳統的機械加工方法加工孔形（xíng）時，工時長、效率（lǜ）低、廢品率高，很難保證（zhèng）孔形尺寸和表麵質量。目（mù）前，較多采用電（diàn）火花、激光及超聲波等特種加工方法。電火花放電加工一般用於中、大（dà）孔徑拉絲模具（jù）孔形的粗加工；激（jī）光加（jiā）工（gōng）適於微孔和小孔（kǒng）拉絲模具的粗加（jiā）工；超聲波加工主要用於拉絲模具（jù）的精加工[2]。

目前，國內模具製造廠家對於中、大（dà）孔徑 PCD拉（lā）絲模具（jù），主要（yào）用電（diàn）火花成形加工來完成定徑區和各角度區域的粗加（jiā）工，用超聲波研磨進行精加工。這（zhè）種加工方法（fǎ）不但（dàn）效率（lǜ）很低（dī），且由於電極損耗嚴重，加工出的（de）孔形精度也（yě）低，並隨著孔徑的增大，加（jiā）工難度越來越大。隨（suí）著單向（xiàng）走絲電（diàn）火花線（xiàn）切割技術在模（mó）具製作上的應用（yòng），采用單向走（zǒu）絲電火花線切割機床進行定徑區和角度區域的粗加工成為可能，該機床的優（yōu）勢之一是能進行高（gāo）精度的錐度加（jiā）工。利用單向走絲電火花線切割＋臥式超聲波加工的方（fāng）式進行超（chāo）大孔徑 PCD 拉絲模具的加工（gōng），不僅（jǐn）粗加工效率提高了近 3 倍，還提高了孔形精度。

本文以金剛石粒度為 25 μm 的直（zhí）徑 22 mm、厚度 20 mm 的超大（dà）孔徑 PCD 拉絲模具（jù）為例，進行（háng）單向走絲電火花線切割加工定徑區、壓縮區和安全（quán）角的工藝研究，確定最優（yōu）加工工（gōng）藝參數，並介紹了錐度加工方（fāng）法（fǎ）及工藝技巧（qiǎo）。1 PCD 拉絲模具孔徑分類PCD 拉絲模具孔形結構（gòu）見圖 1。按孔徑 d 的大小可分為（wéi）微孔（d≤0.1 mm）、小孔（0.1 mm＜d≤1.0mm）、中孔（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（fāng）法也不（bú）盡相同（tóng）。通常，對於 PCD 拉絲模具的孔形加工方式，微（wēi）孔、小孔采用激光+超（chāo）聲波加工；中孔、大（dà）孔采用電火花成形（xíng）+超聲波加工。

圖（tú） 1 PCD 拉絲模具孔形（xíng）結構圖

2 超（chāo）大孔徑

PCD 拉絲模具線（xiàn）切割加工工藝實驗采用 AQ360 單向走絲電火花線切（qiē）割機床，電（diàn）極絲為（wéi）直徑 0.2 mm 的黃銅絲（sī），加工介質為去離子水，加工方式為浸沒式加工。利用單向走絲線切割（gē）機床切割拉絲模具時，需事先加工（gōng）穿絲孔。實驗用機（jī）床（chuáng）數據庫雖然提供了加工 PCD 的參考加工參數，但（dàn）實際切割中，該（gāi）參數不適合超大孔徑 PCD 拉（lā）絲模（mó）具的切割。超大孔徑 PCD拉絲模具的特點是孔徑大、工件厚度大、材（cái）料粒度大，其切割工（gōng）藝要求為：表麵（miàn）粗糙度均勻，孔（kǒng）形精度高，切割時（shí）間長，且切割過程不允許（xǔ）斷絲，這些要（yào）求增加了線切割的加工難度。若在切割過程中（zhōng）發生斷絲，在斷絲部位會出現凹槽或凸棱，將給後續的超聲（shēng）研磨加工增加（jiā）相當大的工作量，既（jì）浪費磨料，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（mó）具的線切割工藝進行研究，對脈衝寬度、脈衝間隔（gé）、峰值電流、伺服參考電（diàn）壓等電參數和其他非電參數進行分析及適當的調（diào）整，選擇最佳的（de）工藝參數（shù），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（yǐng）響

2.1.1 脈衝寬度

脈衝寬度是單個脈衝能量的決定（dìng）因素之一（yī）。脈衝寬度過小，脈衝能量不夠（gòu），幾乎無法加工（gōng） PCD 材料。當脈衝（chōng）寬度增加時，單個脈（mò）衝放（fàng）電能量增加，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（huà）的曲線。當脈衝寬度增大到一定值時，切割速度將不再與脈衝寬度呈正比增長關係，甚（shèn）至還會隨著（zhe）脈衝寬度的增加而下降[3]。這主要是由於 PCD 材料（liào）的導（dǎo）熱率高，放電脈衝能量通過工件散發而損失，反而削弱了蝕除作用。電蝕產物的拋出作用不會隨（suí）著脈衝寬度的增加而顯著提（tí）高，使短（duǎn）路幾率增大，加工變得不穩定，切（qiē）割速度（dù）減小，甚至造成斷絲。另（lìng）外，由於單脈衝能量的增大會使電極（jí）絲振動加強，從而增大（dà）表麵粗糙度值，降低表麵質量。

圖 2 切割速度隨脈衝寬度變（biàn）化的曲（qǔ）線

脈衝寬（kuān）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，或整體脫落，在加工表麵將（jiāng）留下較大的凹陷，因（yīn）此加工表麵粗（cū）糙度值大[4]。金剛石粒度越大，留下的凹陷（xiàn）就越（yuè）大，表麵越粗糙，將給後續的研磨精加工增（zēng）加難度。此外，還（hái）有可能使正常的（de）脈衝放電狀態轉變（biàn）為瞬間電弧放電狀態，燒壞（huài）工件（圖 3a），或造成（chéng）斷絲現象時常發生。正常切割時的（de）表麵（miàn）見圖 3b。超大孔徑 PCD 拉絲模具厚度大、排屑條件差，因此，線切割加工時一般不采用增加脈衝寬度的方法來（lái）提高切割速度，而普遍采用窄脈衝寬度、高峰值電流。

圖3 切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大，對表麵粗糙度的影響較小，圖4式切割速度隨脈衝間隔變化的曲線。脈（mò）衝間隔（gé）增大（dà），脈衝空載百分率提高，加工穩定性提高，極間不易產生拉弧現象，但切割速度降低明顯（xiǎn）。脈衝間隔減小，會使脈衝放電頻率增加

圖 4 切割速度隨脈衝間隔變化的曲線

實際加工時，應根據超大孔徑 PCD 拉絲模具的厚度選取合理的脈衝間隔（gé）。脈衝寬度不能過小，否則壓力衝液很難充分進入工件中間（jiān）部位，不利於電蝕產（chǎn）物的排出，易斷（duàn）絲。因此，應選（xuǎn）擇較大（dà）的脈衝（chōng）間隔加工，以保持（chí）加工的穩定性。

2.1.3 峰值電流

對於 PCD 材料，尤其是超大孔徑 PCD 拉絲模具的切割，應采用大脈衝能（néng）量、大峰值電流，否則能量太小，無法切割。與脈衝寬度的（de）影（yǐng）響相似，隨著峰值電流的增加，單個脈（mò）衝能量增大，切割速度提高，而表麵粗糙度值卻變大；同時，加工（gōng）間隙大，也使加工（gōng）精度降（jiàng）低。切割速（sù）度隨峰值電流變化的曲線見圖5。提高脈衝峰值電流（liú）可按比（bǐ）例（lì）提高單個脈衝的（de）放電能量，單向走絲線切割加工（gōng）在（zài）其他參數保持不變的情況下，提高單個脈衝能（néng）量就意味著提高切割加工的速度。但如同脈衝寬度和（hé）脈（mò）衝間隔的影響一（yī）樣，峰（fēng）值電流的提高也應在一定的範圍內。若峰值電流過大，在衝液狀況沒有改善（shàn）的情（qíng）況下，切縫內排（pái）屑不暢（chàng），切割速度會減慢，並可能引起斷（duàn）絲。

圖 5 切割速度隨峰值電流變化的曲線（xiàn）

2.1.4 伺服參考電壓

伺服參考電壓是預先設定的用以控製電（diàn）極絲前進和後（hòu）退的標準（zhǔn）電壓。當平均加（jiā）工電壓（yā）高於該值時，電極絲（sī）前進；低於該（gāi）值時，電極絲後退。切割PCD 時需杜絕發生斷絲，因此切割（gē）超大孔徑 PCD 拉絲模具時，適（shì）當增加伺服參考電壓的設定值，可增大電極絲和工件間的間隙，有利於（yú）排屑（xiè），使加工（gōng）穩定，不易造成斷絲。

2.1.5 伺服進給速度

切割 PCD 材料時的伺服進給速度與切割（gē）普通（tōng）材料不同，不（bú）允許（xǔ）伺服進（jìn）給速度超過加工速度（即過進（jìn）給）。因為當伺（sì）服進給速度超（chāo）過加工速度後，對於普通材料會出現頻繁的短路現象，同時（shí）增大了斷絲的可能性；而對於 PCD 材料是直接將（jiāng）電（diàn）極絲劃斷，影響了（le）加工速度。因此，切割超大孔徑 PCD 拉絲模具時，伺服進給速度應（yīng）略低於加（jiā）工速（sù）度（即欠進給），以避免斷絲。

2.1.6 開路電壓

在正常情況下（xià），提高開（kāi）路電壓會使切割速度顯著提高（gāo），這是因為（wéi）電壓的提高必然使脈衝峰值電流和加工平均電流都提高，單個脈衝能量加大，對提高切割（gē）速度有利，但表麵粗糙度（dù）值卻變大；同時，加工間隙大，也使加工精度降低。切割加工超大（dà）孔徑PCD 拉絲模具時，開路電壓一般在（zài） 100 V 左右。

2.2 非電參數對切割速度及表麵質量的影響

2.2.1 走絲速度

走絲速度對切割速度有一定的影（yǐng）響。提（tí）高走絲（sī）速度，電蝕產物的（de）排（pái）出速度也會加快，這（zhè）將減（jiǎn）少產（chǎn）生二次（cì）放電的幾率，提高加工穩（wěn）定性，從而提高切（qiē）割速度。但走（zǒu）絲速度過快，將使電極絲振動加大，表麵粗糙度變差（chà），降低表麵加工質量，也會造成（chéng）電極絲的浪費；走絲速度過慢，會使電極絲上某（mǒu）一點可能產生多次（cì）放電，易造成斷絲。因（yīn）此，結合超大孔徑（jìng）PCD 拉絲模具定徑區（qū）、壓縮區和安（ān）全角的（de）不同切割厚（hòu）度，適當地調節走絲速（sù）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（mì）切相關，PCD 越厚，所需電極絲張（zhāng）力應越大。如果張力（lì）較小，電極絲的跨距較大，除了其振幅大以外，還會在加工過程中受放電爆炸力的作用而彎曲變形或抖動，造成腰鼓形（xíng）狀，且會（huì）降低模具的切割精度和表麵粗糙度（dù）等級。電極絲（sī）的張力越大，加工時絲的振動幅度越（yuè）小，加工變得穩定，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，使加（jiā）工無法繼續。因此，在切（qiē）割（gē）超大孔徑 PCD 拉絲模具的壓縮區和安全角時，絲張力應比切割定徑區（qū）適當增加 10～20，確保角度（dù）的（de）精度。

2.2.3 噴流壓（yā）力

噴流的壓力及流量直接影響線切割的加工速度和模具表麵質（zhì）量。為了將加（jiā）工過程中產生（shēng）的電蝕產（chǎn）物（wù）迅速排出，采用強噴流，且 PCD 厚度越大（dà），所需的噴（pēn）流（liú）壓力越大，以便帶走更多的熱量及蝕除物（wù），避免二次放電的（de）發生，且不易斷絲，切割速度提高。但噴流壓力過高，造成電極（jí）絲抖動，反（fǎn）而降低了切割速度，同時造成加工精度及表（biǎo）麵質量的降低。與電極絲張力調（diào）節一樣，在切割壓（yā）縮區和（hé）安全角時，噴流壓力應比切割定徑區適當增加 5～10 Hz （變頻器（qì）頻率），以確保角度的精度。此外，實驗用機床（chuáng）數據庫中的加工條件給出了另外 2 個有益參數，可通過調整其數值對脈衝的持續加工和加工穩定性進行（háng）控製。

（1）高壓遮斷

在通常（cháng）的控製電路中增加遮（zhē）斷電（diàn）路和高壓電路，以對放（fàng）電中單個脈衝的持續加工進行良好的控製。 H 值越大，電（diàn）壓越高（gāo）；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（tōng）過 M 值對加工狀態進行判（pàn）斷。若加工狀態不穩定，脈衝間（jiān）隔（gé）將根據設定的 A 值倍率伸展，脈衝（chōng）寬度將被設定的 O 值取代，從而提高加工穩定性。 M 值越大（dà），進行加工穩定（dìng）性判斷的頻次越多，影響切割速度（dù）；A 值越大，伸展倍率越大，加工越穩（wěn）定，但（dàn）切割速度會降低；O 值越小，加工越穩定。通過以上（shàng）一係列的實驗，摸索出（chū）了加工超大孔徑 PCD 拉絲模具的工藝（yì）參數（表 1）。

表 1 加工超大孔徑 PCD 拉絲模具工藝參數

注：表（biǎo）中參（cān）數值均以實驗（yàn）用機床（chuáng）加工條件代碼表示。

2.3 錐（zhuī）度加工（gōng）的原理及技巧

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

2.3.1 錐度（dù）加工（gōng）原理

數控單向走絲線切割機（jī）床的上（shàng）、下導絲（sī）器兩點形成一條直線，下導絲器中心軸線不動，上導（dǎo）絲器通過（guò）步進電機驅動 U、V

圖 6 U、V 運動示意圖

2.3.2 錐度加工程序（xù）及加工設定

本切割實驗（yàn）屬於固定錐度加工，上、下表麵具有相同（tóng）的表（biǎo）麵形狀———圓形，編程較簡單。錐度加工（gōng）需根據生成的程序進行相關的設定，涉及錐（zhuī）度加工的設定參數主要包括主程序麵（編程平麵，也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（miàn）（工件上另一個有尺寸要求的（de）麵）到工作（zuò）台麵的（de）距離 TN 及角度的方向。這 3 個參數需正確設定，否則會影響拉（lā）絲模具的尺寸、角度所在的位（wèi）置和角（jiǎo）度精度。

2.3.3 噴（pēn）嘴的幹涉檢查

在（zài）進行角度切（qiē）割時，需（xū）事先通過加工預演來確（què）定噴嘴與電極（jí）絲是否發生幹涉（shè）。如發生（shēng）幹（gàn）涉，會造成與實際要求的加工角度不符，可更換規格大的噴嘴或將噴嘴（zuǐ）取下（xià）。但取下噴嘴會使噴流起不到相應的作用，排屑不（bú）通暢會造成斷絲。

2.3.4 錐度加工技巧

在切（qiē）割壓縮區和安全角時，均帶有不同大小的錐度，由於高壓衝液不能有效地衝入切縫，電蝕（shí）產物不能有效排出，易造成斷絲。且帶有錐度區域的切（qiē）割速度與無錐度區域的切割速度（dù）相（xiàng）比要低得（dé）多，錐度（dù）越大，切割速度越低。適當減小脈衝寬度，降（jiàng）低脈衝能量，可避免發生斷絲。此外，應盡可能保（bǎo）證上（shàng）、下噴嘴貼近工件表麵，改善噴液狀態，並檢查（chá）上（shàng）、下噴嘴，確保其完好無損。錐度加工前，需使用找正器找正電極絲的垂直度（0.01 mm），如果電極絲垂直度誤差較大，將導致超大（dà）孔徑（jìng） PCD 拉絲模具的角度區（qū）域在各個方向的錐（zhuī）度不一致，降低角度的精度（dù）[5-6]。

3 結論

（1）隨著脈（mò）衝寬度的增加，切割速（sù）度呈非線性增加，一般（bān）選擇脈衝寬度 3～4 μs 區間時，可（kě）獲得良好的表麵質量及合理的加工速度。脈衝間（jiān）隔對切割速度影（yǐng）響較大，為確（què）保加工的穩定性，應選取較大的脈衝間隔，一般 35～40 μs 為宜。隨著峰值電流的增加，切割速度增加，但表麵粗糙度變差，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（xiǎo）則無法切割（gē） PCD 材料，因（yīn）此選 15 A 左（zuǒ）右為宜。適（shì）當增加伺（sì）服參考電壓，以增加電極（jí）和工件之間的放電間隙，加工穩定。伺服進給速度（dù）不能超過加工速度，否（fǒu）則易造成斷絲，欠進給狀態較（jiào）合適。其他非參數的選取均以加工穩定、防（fáng）止斷絲為主要前提條件，因為切割超（chāo）大孔徑 PCD 拉（lā）絲模具時不允許斷絲，斷絲處留下（xià）的凹槽和凸棱會給後續的研磨加（jiā）工增加相當大的工作量，浪費時間和成本。

（2）采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、壓縮區和安全角的粗加工，達到了預期（qī）要求，實現了更好的工藝效（xiào）果，提高粗加工效率近 3 倍。一次裝夾，各個（gè）區域（yù）尺寸的同（tóng）軸度得到了保（bǎo）證。尺寸（cùn）餘量更小，減少了原工序複雜的整形工序，降低了廢（fèi）品率。切割後的內芯可製作小孔徑拉絲模具的原始坯料，比 EDM 套料尺寸（cùn）直徑大 1～2 mm，提高一個組距。

（3）以粒度（dù）為 25 μm 的超大孔徑 PCD 拉絲模具為例，進行單（dān）向走絲電火花（huā）線（xiàn）切割加工工藝研究，對於不（bú）同粒度的 PCD 性能有一定的差別，在切割時，工藝參數選擇也應區別對待。軸的移動，使電極絲與垂直（zhí）線偏移角（jiǎo）度，並與 X、Y 軸按軌跡運（yùn）動（dòng）實現錐度加工。圖 6 是錐（zhuī）度加工示（shì）意圖（tú），U、V 軸移動距離（lí）越大，產（chǎn）生的錐度就越（yuè）大，實驗用放電加工機（jī）的 U、V 軸最大移動距離為 80 mm。在進行角度區域加工時，應注（zhù）意 U、V 軸的行程（chéng）是（shì）否會超出機床的限定範圍。平均（jun1）加工電流增大，切（qiē）割速度提高；但脈衝間隔過小，會使放電（diàn）間隙中的電蝕產物（wù）來不及排出，加工狀態變得不穩定，影響切割速度的提（tí）高，甚至會產生電弧放電燒斷電極（jí）絲，使（shǐ）加工無法繼續進行。因此，在工作液（yè）恢複極間絕緣性的條件（jiàn）下，可適當減小脈衝（chōng）間隔，使（shǐ）單位時間內的放電次數增多，從（cóng）而提高切割速度。

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