康凱敏，曹鳳國(guó)，桂小波，翟力軍

（1.北京迪蒙吉意超硬材料技術(shù)有限公司，北京100191；2.北京市電加工研究所，北京100191）

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超大孔徑聚晶金剛石拉絲模具單向走絲電火花線切割加工工藝研究

康凱敏1，2，曹鳳國(guó)1，2，桂小波1，2，翟力軍2

（1.北京迪蒙吉意超硬材料技術(shù)有限公司，北京100191；2.北京市電加工研究所，北京100191）

摘要：基于試驗(yàn)研究，創(chuàng)新性地提出了采用單向走絲電火花線切割機(jī)床對(duì)超大孔徑聚晶金剛石拉絲模具的孔形進(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石拉絲模具為例，進(jìn)行單向走絲電火花線切割加工定徑區(qū)、壓縮區(qū)和安全角的工藝研究，得出了加工工藝曲線，確定了最優(yōu)加工工藝參數(shù)，提高了粗加工效率，確保了良好的孔形精度。結(jié)果表明：選擇脈沖寬度4 μs、脈沖間隔40 μs、峰值電流15 A、走絲速度10 m/min時(shí)，可獲得較滿意的加工效果。

關(guān)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(duì)傳統(tǒng)的鋼芯拉絲模具孔形，最早采用機(jī)械研磨的加工方法，即用機(jī)械傳動(dòng)的方式帶動(dòng)研磨工具（如磨針、磨錐、絲、繩等）作高速運(yùn)動(dòng)，利用研磨材料對(duì)模具孔形表面產(chǎn)生的磨削作用來(lái)加工孔形［1］。但對(duì)于聚晶金剛石（PCD）拉絲模具來(lái)說(shuō)，模芯材料PCD本身具有較高的硬度和抗壓強(qiáng)度，且熱導(dǎo)率極高、耐磨性較好，用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法加工孔形時(shí)，工時(shí)長(zhǎng)、效率低、廢品率高，很難保證孔形尺寸和表面質(zhì)量。目前，較多采用電火花、激光及超聲波等特種加工方法。電火花放電加工一般用于中、大孔徑拉絲模具孔形的粗加工；激光加工適于微孔和小孔拉絲模具的粗加工；超聲波加工主要用于拉絲模具的精加工［2］。

目前，國(guó)內(nèi)模具制造廠家對(duì)于中、大孔徑PCD拉絲模具，主要用電火花成形加工來(lái)完成定徑區(qū)和各角度區(qū)域的粗加工，用超聲波研磨進(jìn)行精加工。這種加工方法不但效率很低，且由于電極損耗嚴(yán)重，加工出的孔形精度也低，并隨著孔徑的增大，加工難度越來(lái)越大。隨著單向走絲電火花線切割技術(shù)在模具制作上的應(yīng)用，采用單向走絲電火花線切割機(jī)床進(jìn)行定徑區(qū)和角度區(qū)域的粗加工成為可能，該機(jī)床的優(yōu)勢(shì)之一是能進(jìn)行高精度的錐度加工。利用單向走絲電火花線切割＋臥式超聲波加工的方式進(jìn)行超大孔徑PCD拉絲模具的加工，不僅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的直徑22 mm、厚度20 mm的超大孔徑PCD拉絲模具為例，進(jìn)行單向走絲電火花線切割加工定徑區(qū)、壓縮區(qū)和安全角的工藝研究，確定最優(yōu)加工工藝參數(shù)，并介紹了錐度加工方法及工藝技巧。

1　PCD拉絲模具孔徑分類

PCD拉絲模具孔形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。按孔徑d的大小可分為微孔（d≤0.1 mm）、小孔（0.1 mm＜d≤1.0 mm）、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，其加工方法也不盡相同。通常，對(duì)于PCD拉絲模具的孔形加工方式，微孔、小孔采用激光+超聲波加工；中孔、大孔采用電火花成形+超聲波加工。

圖1　PCD拉絲模具孔形結(jié)構(gòu)圖

2　超大孔徑PCD拉絲模具線切割加工工藝

實(shí)驗(yàn)采用AQ360單向走絲電火花線切割機(jī)床，電極絲為直徑0.2 mm的黃銅絲，加工介質(zhì)為去離子水，加工方式為浸沒(méi)式加工。

利用單向走絲線切割機(jī)床切割拉絲模具時(shí)，需事先加工穿絲孔。實(shí)驗(yàn)用機(jī)床數(shù)據(jù)庫(kù)雖然提供了加工PCD的參考加工參數(shù)，但實(shí)際切割中，該參數(shù)不適合超大孔徑PCD拉絲模具的切割。超大孔徑PCD拉絲模具的特點(diǎn)是孔徑大、工件厚度大、材料粒度大，其切割工藝要求為：表面粗糙度均勻，孔形精度高，切割時(shí)間長(zhǎng)，且切割過(guò)程不允許斷絲，這些要求增加了線切割的加工難度。若在切割過(guò)程中發(fā)生斷絲，在斷絲部位會(huì)出現(xiàn)凹槽或凸棱，將給后續(xù)的超聲研磨加工增加相當(dāng)大的工作量，既浪費(fèi)磨料，時(shí)間和成本均增加，還影響模具精度。因此，有必要對(duì)超大孔徑PCD拉絲模具的線切割工藝進(jìn)行研究，對(duì)脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、伺服參考電壓等電參數(shù)和其他非電參數(shù)進(jìn)行分析及適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，選擇最佳的工藝參數(shù)，以提高切割速度和加工質(zhì)量。

2.1電參數(shù)對(duì)切割速度及表面質(zhì)量的影響

2.1.1脈沖寬度

脈沖寬度是單個(gè)脈沖能量的決定因素之一。脈沖寬度過(guò)小，脈沖能量不夠，幾乎無(wú)法加工PCD材料。當(dāng)脈沖寬度增加時(shí)，單個(gè)脈沖放電能量增加，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沖寬度變化的曲線。當(dāng)脈沖寬度增大到一定值時(shí)，切割速度將不再與脈沖寬度呈正比增長(zhǎng)關(guān)系，甚至還會(huì)隨著脈沖寬度的增加而下降［3］。這主要是由于PCD材料的導(dǎo)熱率高，放電脈沖能量通過(guò)工件散發(fā)而損失，反而削弱了蝕除作用。電蝕產(chǎn)物的拋出作用不會(huì)隨著脈沖寬度的增加而顯著提高，使短路幾率增大，加工變得不穩(wěn)定，切割速度減小，甚至造成斷絲。另外，由于單脈沖能量的增大會(huì)使電極絲振動(dòng)加強(qiáng)，從而增大表面粗糙度值，降低表面質(zhì)量。

圖2　切割速度隨脈沖寬度變化的曲線

脈沖寬度過(guò)大，單個(gè)脈沖能量過(guò)大，金剛石顆粒被沖擊或局部碎化脫落，或整體脫落，在加工表面將留下較大的凹陷，因此加工表面粗糙度值大［4］。金剛石粒度越大，留下的凹陷就越大，表面越粗糙，將給后續(xù)的研磨精加工增加難度。此外，還有可能使正常的脈沖放電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗查g電弧放電狀態(tài)，燒壞工件（圖3a），或造成斷絲現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。正常切割時(shí)的表面見(jiàn)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(shí)一般不采用增加脈沖寬度的方法來(lái)提高切割速度，而普遍采用窄脈沖寬度、高峰值電流。

圖3　切割燒傷與切割正常表面狀況

2.1.2脈沖間隔

脈沖間隔對(duì)超大孔徑PCD拉絲模具切割速度的影響較大，對(duì)表面粗糙度的影響較小。圖4是切割速度隨脈沖間隔變化的曲線。脈沖間隔增大，脈沖空載百分率提高，加工穩(wěn)定性提高，極間不易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，但切割速度降低明顯。脈沖間隔減小，會(huì)使脈沖放電頻率增加，平均加工電流增大，切割速度提高；但脈沖間隔過(guò)小，會(huì)使放電間隙中的電蝕產(chǎn)物來(lái)不及排出，加工狀態(tài)變得不穩(wěn)定，影響切割速度的提高，甚至?xí)a(chǎn)生電弧放電燒斷電極絲，使加工無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。因此，在工作液恢復(fù)極間絕緣性的條件下，可適當(dāng)減小脈沖間隔，使單位時(shí)間內(nèi)的放電次數(shù)增多，從而提高切割速度。

圖4　切割速度隨脈沖間隔變化的曲線

實(shí)際加工時(shí)，應(yīng)根據(jù)超大孔徑PCD拉絲模具的厚度選取合理的脈沖間隔。脈沖寬度不能過(guò)小，否則壓力沖液很難充分進(jìn)入工件中間部位，不利于電蝕產(chǎn)物的排出，易斷絲。因此，應(yīng)選擇較大的脈沖間隔加工，以保持加工的穩(wěn)定性。

2.1.3峰值電流

對(duì)于PCD材料，尤其是超大孔徑PCD拉絲模具的切割，應(yīng)采用大脈沖能量、大峰值電流，否則能量太小，無(wú)法切割。與脈沖寬度的影響相似，隨著峰值電流的增加，單個(gè)脈沖能量增大，切割速度提高，而表面粗糙度值卻變大；同時(shí)，加工間隙大，也使加工精度降低。切割速度隨峰值電流變化的曲線見(jiàn)圖5。提高脈沖峰值電流可按比例提高單個(gè)脈沖的放電能量，單向走絲線切割加工在其他參數(shù)保持不變的情況下，提高單個(gè)脈沖能量就意味著提高切割加工的速度。但如同脈沖寬度和脈沖間隔的影響一樣，峰值電流的提高也應(yīng)在一定的范圍內(nèi)。若峰值電流過(guò)大，在沖液狀況沒(méi)有改善的情況下，切縫內(nèi)排屑不暢，切割速度會(huì)減慢，并可能引起斷絲。

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(yù)先設(shè)定的用以控制電極絲前進(jìn)和后退的標(biāo)準(zhǔn)電壓。當(dāng)平均加工電壓高于該值時(shí)，電極絲前進(jìn)；低于該值時(shí)，電極絲后退。切割PCD時(shí)需杜絕發(fā)生斷絲，因此切割超大孔徑PCD拉絲模具時(shí)，適當(dāng)增加伺服參考電壓的設(shè)定值，可增大電極絲和工件間的間隙，有利于排屑，使加工穩(wěn)定，不易造成斷絲。

2.1.5伺服進(jìn)給速度

切割PCD材料時(shí)的伺服進(jìn)給速度與切割普通材料不同，不允許伺服進(jìn)給速度超過(guò)加工速度（即過(guò)進(jìn)給）。因?yàn)楫?dāng)伺服進(jìn)給速度超過(guò)加工速度后，對(duì)于普通材料會(huì)出現(xiàn)頻繁的短路現(xiàn)象，同時(shí)增大了斷絲的可能性；而對(duì)于PCD材料是直接將電極絲劃斷，影響了加工速度。因此，切割超大孔徑PCD拉絲模具時(shí)，伺服進(jìn)給速度應(yīng)略低于加工速度（即欠進(jìn)給），以避免斷絲。

2.1.6開(kāi)路電壓

在正常情況下，提高開(kāi)路電壓會(huì)使切割速度顯著提高，這是因?yàn)殡妷旱奶岣弑厝皇姑}沖峰值電流和加工平均電流都提高，單個(gè)脈沖能量加大，對(duì)提高切割速度有利，但表面粗糙度值卻變大；同時(shí)，加工間隙大，也使加工精度降低。切割加工超大孔徑PCD拉絲模具時(shí)，開(kāi)路電壓一般在100 V左右。

2.2非電參數(shù)對(duì)切割速度及表面質(zhì)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。提高走絲速度，電蝕產(chǎn)物的排出速度也會(huì)加快，這將減少產(chǎn)生二次放電的幾率，提高加工穩(wěn)定性，從而提高切割速度。但走絲速度過(guò)快，將使電極絲振動(dòng)加大，表面粗糙度變差，降低表面加工質(zhì)量，也會(huì)造成電極絲的浪費(fèi)；走絲速度過(guò)慢，會(huì)使電極絲上某一點(diǎn)可能產(chǎn)生多次放電，易造成斷絲。因此，結(jié)合超大孔徑PCD拉絲模具定徑區(qū)、壓縮區(qū)和安全角的不同切割厚度，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)走絲速度在9～10 m/min為宜。

2.2.2電極絲張力

電極絲張力在加工過(guò)程中應(yīng)保持恒定，它與PCD厚度密切相關(guān)，PCD越厚，所需電極絲張力應(yīng)越大。如果張力較小，電極絲的跨距較大，除了其振幅大以外，還會(huì)在加工過(guò)程中受放電爆炸力的作用而彎曲變形或抖動(dòng)，造成腰鼓形狀，且會(huì)降低模具的切割精度和表面粗糙度等級(jí)。電極絲的張力越大，加工時(shí)絲的振動(dòng)幅度越小，加工變得穩(wěn)定，尺寸精度高，表面質(zhì)量好。但電極絲張力過(guò)大，在加工過(guò)程中易造成斷絲，使加工無(wú)法繼續(xù)。因此，在切割超大孔徑PCD拉絲模具的壓縮區(qū)和安全角時(shí)，絲張力應(yīng)比切割定徑區(qū)適當(dāng)增加10～20，確保角度的精度。

2.2.3噴流壓力

噴流的壓力及流量直接影響線切割的加工速度和模具表面質(zhì)量。為了將加工過(guò)程中產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物迅速排出，采用強(qiáng)噴流，且PCD厚度越大，所需的噴流壓力越大，以便帶走更多的熱量及蝕除物，避免二次放電的發(fā)生，且不易斷絲，切割速度提高。但噴流壓力過(guò)高，造成電極絲抖動(dòng)，反而降低了切割速度，同時(shí)造成加工精度及表面質(zhì)量的降低。與電極絲張力調(diào)節(jié)一樣，在切割壓縮區(qū)和安全角時(shí)，噴流壓力應(yīng)比切割定徑區(qū)適當(dāng)增加5～10 Hz（變頻器頻率），以確保角度的精度。

此外，實(shí)驗(yàn)用機(jī)床數(shù)據(jù)庫(kù)中的加工條件給出了另外2個(gè)有益參數(shù)，可通過(guò)調(diào)整其數(shù)值對(duì)脈沖的持續(xù)加工和加工穩(wěn)定性進(jìn)行控制。

（1）高壓遮斷

在通常的控制電路中增加遮斷電路和高壓電路，以對(duì)放電中單個(gè)脈沖的持續(xù)加工進(jìn)行良好的控制。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(diào)整加工穩(wěn)定性的參數(shù)，通過(guò)M值對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行判斷。若加工狀態(tài)不穩(wěn)定，脈沖間隔將根據(jù)設(shè)定的A值倍率伸展，脈沖寬度將被設(shè)定的O值取代，從而提高加工穩(wěn)定性。M值越大，進(jìn)行加工穩(wěn)定性判斷的頻次越多，影響切割速度；A值越大，伸展倍率越大，加工越穩(wěn)定，但切割速度會(huì)降低；O值越小，加工越穩(wěn)定。

通過(guò)以上一系列的實(shí)驗(yàn)，摸索出了加工超大孔徑PCD拉絲模具的工藝參數(shù)（表1）。

表1　加工超大孔徑PCD拉絲模具工藝參數(shù)

2.3錐度加工的原理及技巧

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

2.3.1錐度加工原理

數(shù)控單向走絲線切割機(jī)床的上、下導(dǎo)絲器兩點(diǎn)形成一條直線，下導(dǎo)絲器中心軸線不動(dòng)，上導(dǎo)絲器通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)U、V軸的移動(dòng)，使電極絲與垂直線偏移角度，并與X、Y軸按軌跡運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)錐度加工。圖6是錐度加工示意圖，U、V軸移動(dòng)距離越大，產(chǎn)生的錐度就越大，實(shí)驗(yàn)用放電加工機(jī)的U、V軸最大移動(dòng)距離為80 mm。在進(jìn)行角度區(qū)域加工時(shí)，應(yīng)注意U、V軸的行程是否會(huì)超出機(jī)床的限定范圍。

圖6　U、V運(yùn)動(dòng)示意圖

2.3.2錐度加工程序及加工設(shè)定

本切割實(shí)驗(yàn)屬于固定錐度加工，上、下表面具有相同的表面形狀——圓形，編程較簡(jiǎn)單。錐度加工需根據(jù)生成的程序進(jìn)行相關(guān)的設(shè)定，涉及錐度加工的設(shè)定參數(shù)主要包括主程序面（編程平面，也是精度尺寸在工件上的位置）到工作臺(tái)面的距離TP、從程序面（工件上另一個(gè)有尺寸要求的面）到工作臺(tái)面的距離TN及角度的方向。這3個(gè)參數(shù)需正確設(shè)定，否則會(huì)影響拉絲模具的尺寸、角度所在的位置和角度精度。

2.3.3噴嘴的干涉檢查

在進(jìn)行角度切割時(shí)，需事先通過(guò)加工預(yù)演來(lái)確定噴嘴與電極絲是否發(fā)生干涉。如發(fā)生干涉，會(huì)造成與實(shí)際要求的加工角度不符，可更換規(guī)格大的噴嘴或?qū)娮烊∠?。但取下噴嘴?huì)使噴流起不到相應(yīng)的作用，排屑不通暢會(huì)造成斷絲。

2.3.4錐度加工技巧

在切割壓縮區(qū)和安全角時(shí)，均帶有不同大小的錐度，由于高壓沖液不能有效地沖入切縫，電蝕產(chǎn)物不能有效排出，易造成斷絲。且?guī)в绣F度區(qū)域的切割速度與無(wú)錐度區(qū)域的切割速度相比要低得多，錐度越大，切割速度越低。適當(dāng)減小脈沖寬度，降低脈沖能量，可避免發(fā)生斷絲。此外，應(yīng)盡可能保證上、下噴嘴貼近工件表面，改善噴液狀態(tài)，并檢查上、下噴嘴，確保其完好無(wú)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(dǎo)致超大孔徑PCD拉絲模具的角度區(qū)域在各個(gè)方向的錐度不一致，降低角度的精度［5-6］。

3　結(jié)論

（1）隨著脈沖寬度的增加，切割速度呈非線性增加，一般選擇脈沖寬度3～4 μs區(qū)間時(shí)，可獲得良好的表面質(zhì)量及合理的加工速度。脈沖間隔對(duì)切割速度影響較大，為確保加工的穩(wěn)定性，應(yīng)選取較大的脈沖間隔，一般35～40 μs為宜。隨著峰值電流的增加，切割速度增加，但表面粗糙度變差，也應(yīng)在一定范圍內(nèi)合理選取，避免電流太大而燒傷工件、太小則無(wú)法切割PCD材料，因此選15 A左右為宜。適當(dāng)增加伺服參考電壓，以增加電極和工件之間的放電間隙，使加工穩(wěn)定。伺服進(jìn)給速度不能超過(guò)加工速度，否則易造成斷絲，欠進(jìn)給狀態(tài)較合適。其他非電參數(shù)的選取均以加工穩(wěn)定、防止斷絲為主要前提條件，因?yàn)榍懈畛罂讖絇CD拉絲模具時(shí)不允許斷絲，斷絲處留下的凹槽和凸棱會(huì)給后續(xù)的研磨加工增加相當(dāng)大的工作量，浪費(fèi)時(shí)間和成本。

（2）采用單向走絲電火花線切割進(jìn)行超大孔徑PCD拉絲模具的定徑區(qū)、壓縮區(qū)和安全角的粗加工，達(dá)到了預(yù)期要求，實(shí)現(xiàn)了更好的工藝效果，提高粗加工效率近3倍。一次裝夾，各個(gè)區(qū)域尺寸的同軸度得到了保證。尺寸余量更小，減少了原工序復(fù)雜的整形工序，降低了廢品率。切割后的內(nèi)芯可制作小孔徑拉絲模具的原始坯料，比EDM套料尺寸直徑大1～2 mm，提高一個(gè)組距。

（3）以粒度為25 μm的超大孔徑PCD拉絲模具為例，進(jìn)行單向走絲電火花線切割加工工藝研究，對(duì)于不同粒度的PCD性能有一定的差別，在切割時(shí)，工藝參數(shù)選擇也應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

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Study on Unidirectional Traveling Wire Electrical-discharge Machining Technology of Hype-hole Diameter Polycrystalline Diamond Wire Drawing Die

Kang Kaimin1，2，Cao Fengguo1，2，Gui Xiaobo1，2，Zhai Lijun2
（1. Beijing DMJY Superhard Material Tech. Co.，Ltd.，Beijing 100191，China；2. Beijing Institute of Electro-machining，Beijing 100191，China）

Abstract：Based on the experimental study，an innovative method that is rough machining of hypehole diameter polycrystalline diamond wire drawing die used the method of unidirectional traveling wire electrical-discharge machining（WEDM）was proposed. Taking an example of hype-hole diameter polycrystalline diamond wire drawing die of diamond particle size 25 μm，diameter 22 mm and thickness 20 mm，machining technology of sizing area，compression area and safety angle was studied，the process curve was drew，the optimal processing technological parameters was determined. Therefore，the efficiency of rough machining was improved，the good precision of pass was ensured. The results showed when chose pulse width of 4 μs，pulse spacing of 40 μs，peak current of 15 A，wire walking speed of 10 m/min，the satisfactory results could be attained.

Key words：polycrystalline diamond；hype-hole diameter wire drawing die；unidirectional traveling WEDM；machining of taper

中圖分類號(hào)：TG661

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－279X（2016）02－0058-05

收稿日期：2016-01-25

第一作者簡(jiǎn)介：康凱敏，女，1979年生，助理研究員。