揭秘高精密慢走絲加工：±1μm級(jí)精度如何煉成？
在現(xiàn)代制造業(yè)中，高精密慢走絲加工以其高精度和高效率的特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、精密儀器等領(lǐng)域。如何在慢走絲加工中實(shí)現(xiàn)±1μm級(jí)別的精度，成為了眾多制造業(yè)者關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將為您深入剖析高精密慢走絲加工的技巧和要點(diǎn)，帶您一探這精密制造背后的奧秘。
一、慢走絲加工的基本原理
慢走絲加工，又稱電火花線切割加工，是通過細(xì)金屬絲（通常為銅絲或鎢絲）和工件間產(chǎn)生的脈沖電火花進(jìn)行放電蝕除，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切割加工。其特點(diǎn)在于加工過程中，金屬絲以低速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，切割精度高，表面粗糙度低。
二、實(shí)現(xiàn)±1μm精度的關(guān)鍵因素
高精度機(jī)床設(shè)備：選用具備高精度定位和穩(wěn)定性能的機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高精度加工的基礎(chǔ)。機(jī)床的直線運(yùn)動(dòng)誤差、角度運(yùn)動(dòng)誤差以及振動(dòng)等因素都會(huì)影響加工精度。
優(yōu)質(zhì)的切割絲：切割絲的選擇直接影響加工質(zhì)量和精度。選用直徑小、強(qiáng)度高的鎢絲或銅絲，以及適宜的切割液，都是確保高精度加工的重要環(huán)節(jié)。
精確的加工工藝參數(shù)：脈沖電源參數(shù)、切割速度、進(jìn)給速度等加工工藝參數(shù)的設(shè)置，直接影響到加工精度和表面質(zhì)量。通過優(yōu)化這些參數(shù)，可以在保證加工效率的同時(shí)，提高加工精度。
嚴(yán)格的環(huán)境控制：加工環(huán)境的溫度、濕度、振動(dòng)等因素都會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生影響。因此，保持加工環(huán)境穩(wěn)定，減少外部干擾，也是實(shí)現(xiàn)高精度加工的必要條件。
三、高精密慢走絲加工的技巧
合理設(shè)計(jì)工件裝夾方式：工件裝夾的穩(wěn)定性和剛性對(duì)加工精度至關(guān)重要。應(yīng)根據(jù)工件形狀和大小，合理設(shè)計(jì)裝夾方式，確保工件在加工過程中不發(fā)生變形或位移。
優(yōu)化切割路徑：通過編程軟件，優(yōu)化切割路徑，減少不必要的折彎和急轉(zhuǎn)彎，以降低加工過程中的應(yīng)力變化和熱變形，從而提高加工精度。
實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)整：在加工過程中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整機(jī)床參數(shù)和切割條件，確保加工過程的穩(wěn)定性和精度。
加工后處理：加工完成后，通過研磨、拋光等后處理方法，進(jìn)一步提高工件表面質(zhì)量，達(dá)到更高的精度要求。
揭秘：
±1μm，高精密慢走絲加工有哪些技巧？
慢走絲機(jī)床屬于高精密加工機(jī)床，當(dāng)下先進(jìn)的慢走絲加工已經(jīng)達(dá)到了令人驚嘆的精度水準(zhǔn)，尺寸精度可控制在1μm以內(nèi)，精密定位可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)當(dāng)量的控制，表面粗糙度指標(biāo)可達(dá)Ra0.05μm以內(nèi)。
但有些工廠在使用慢走絲機(jī)床時(shí)，沒有精密加工概念，以為好機(jī)床隨便就能實(shí)現(xiàn)高精密加工。事實(shí)上，精密加工務(wù)必注意一系列加工細(xì)節(jié)。
01、高精密加工的工藝前提
慢走絲機(jī)床都帶有工藝參數(shù)庫，其工藝參數(shù)一般都是在具體條件下（如工件材料、電極絲、溫度20±1℃、濕度40-80%等）試驗(yàn)得出的。如果下述條件發(fā)生變化或者不能達(dá)標(biāo)，可能會(huì)導(dǎo)致加工結(jié)果產(chǎn)生偏差。
1）沖水規(guī)范：按標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)加工時(shí)，水壓表指示值與理論值相比較后，差值應(yīng)小于0.5bar；
2）工件與噴嘴間隙：0.05~0.10mm；
3）表面粗糙度要求Ra≧0.35μm時(shí)可選用注重效率型的切割絲（推薦使用與機(jī)床隨機(jī)所配相同類型的絲），當(dāng)Ra<0.35μm時(shí)，為了獲得好的加工表面，選用注重表面的鍍鋅絲進(jìn)行加工；
4）精加工時(shí)，請(qǐng)保證水μS<10，尤其在精修加工時(shí)，請(qǐng)按工藝參數(shù)要求。必要時(shí)，請(qǐng)更換樹脂或純凈水。
02、溫度對(duì)加工精度的影響
為了進(jìn)行高精確和高質(zhì)量的慢走絲線切割加工，環(huán)境穩(wěn)定必須符合規(guī)定的要求，不能有任何陽光的直射或氣流，應(yīng)監(jiān)控溫度變化。機(jī)床保證工作精度的溫度范圍為20±3o，如果溫差較大，則會(huì)影響加工精度及表面粗糙度。
室溫變化對(duì)加工精度有較大的影響，其影響反映在尺寸、位置、形狀三方面。如下圖所示，溫度變化越大、工件尺寸越大，其受溫度的影響就更明顯。例如長(zhǎng)度200mm的工件，溫度相差5度時(shí)會(huì)產(chǎn)生0.01mm的尺寸誤差。一個(gè)較大的零件最好在一次開機(jī)中完成，如果放了一個(gè)晚上，只是主切影響不大，但要是修切中停止就很難保證加工精度了。
室溫變化對(duì)加工精度的影響
數(shù)控機(jī)床的熱特性對(duì)加工精度有重要影響，幾乎占到加工精度的半數(shù)以上。機(jī)床在長(zhǎng)時(shí)間停止運(yùn)行狀態(tài)下和熱平衡狀態(tài)下的加工精度差異較大，究其原因，是因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的主軸和各運(yùn)動(dòng)軸在運(yùn)行一段時(shí)間后，其溫度相對(duì)維持在某一固定水平，且隨著加工時(shí)間的變化，數(shù)控機(jī)床的熱態(tài)精度趨于平穩(wěn)，這就表明了即使是高精密的機(jī)床也只有在穩(wěn)定的溫度環(huán)境與熱平衡狀態(tài)下才能獲得穩(wěn)定的加工精度。在開機(jī)后就要投入高精密加工生產(chǎn)的情況，對(duì)機(jī)床進(jìn)行預(yù)熱是最基本的精密加工常識(shí)。然而，機(jī)床的“熱身運(yùn)動(dòng)”這個(gè)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)被很多工廠忽視或者不知曉。
如果機(jī)床擱置狀態(tài)達(dá)到多天以上時(shí)，建議在高精密加工前進(jìn)行30分鐘以上的預(yù)熱；如果擱置狀態(tài)僅為數(shù)小時(shí)，建議在高精密加工前進(jìn)行5-10分鐘的預(yù)熱。預(yù)熱的過程就是讓機(jī)床參與加工軸的反復(fù)移動(dòng)，最好進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)，比如讓XYZ軸從坐標(biāo)系的左下角位置移動(dòng)到右上角位置，反復(fù)走對(duì)角線。執(zhí)行的時(shí)候可以在機(jī)床上編寫一個(gè)宏程序，讓機(jī)床反復(fù)執(zhí)行預(yù)熱的動(dòng)作。
03、與機(jī)床維護(hù)保養(yǎng)相關(guān)
慢走絲加工的精度與機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)狀況直接相關(guān)，尤其是對(duì)運(yùn)絲系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)。要注重以下這些方面：
1）需檢查導(dǎo)電塊冷卻水是否正常。尤其是下導(dǎo)電塊的冷卻水是否有，因?yàn)榍懈畹倪^程中會(huì)掉銅末，長(zhǎng)期使用機(jī)床后可能會(huì)堵塞下導(dǎo)電塊冷卻水甚至下噴嘴加工用沖水，應(yīng)進(jìn)行清理、疏通；
2）下臂上的下導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)是靈活。檢查并清洗；
3）收絲輪是否正常；
4）檢查絲的張力及絲速，必要時(shí)重新調(diào)節(jié)；
5）檢查并清洗導(dǎo)絲嘴和導(dǎo)電塊。
04、防止加工變形影響加工精度
可以采取一定的措施對(duì)慢走絲加工的變形予以控制，防止變形對(duì)加工精度產(chǎn)生影響。
1）切割前的粗加工或應(yīng)力釋放切割
如果需要在一塊材料上進(jìn)行大面積切割，會(huì)使材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的相對(duì)平衡狀態(tài)受到破壞，材料會(huì)產(chǎn)生很大的變形。我們可以先消除材料的大部分應(yīng)力，辦法是進(jìn)行粗加工（粗加工），把大部分的余量先去掉，或者是進(jìn)行釋放應(yīng)力的路徑切割。
對(duì)于大件凹模的慢走絲加工，可以做兩次主切，先將主切的偏移量加大單邊0.1-0.2mm進(jìn)行第一次主切，讓其應(yīng)力釋放，再用標(biāo)準(zhǔn)偏移量進(jìn)行第二次主切，如下圖所示。
進(jìn)行釋放應(yīng)力的粗加工減少變形
對(duì)于長(zhǎng)的狹窄外形，先在此型孔內(nèi)部進(jìn)行釋放應(yīng)力的路徑切割，再加工型孔外形，如下圖所示，
釋放應(yīng)力切割
2）加工穿絲孔
切割凸模時(shí)，如果不加工穿絲孔，直接從材料外切入，如下圖（a），因材料應(yīng)力不平衡產(chǎn)生變形，會(huì)產(chǎn)生張口變形或閉口變形?？稍诓牧仙霞庸ご┙z孔，進(jìn)行封閉的輪廓加工，如下圖（b）可明顯減少慢走絲加工帶來的變形。
?。╝）變形較大(b)變形較小
加工穿絲孔減少變形
3）優(yōu)化加工路徑
一般情況下，最好將加工起割點(diǎn)安排在靠近夾持端，將工件與其夾持部分分離的切割段安排在加工路徑的末端，將暫停點(diǎn)設(shè)在靠近坯件夾持端部位。一些加工中由于加工路徑安排不合理，也是造成線切割加工變形的原因。如下圖所示，比較合理的加工路徑是：A→B→C→D……→A。如果按照順時(shí)針方向：A→L→K→J……→A，由于切割開始就將工件與夾持部分切斷，加工到程序的末段時(shí)，凸模的切割精度直接受到夾持不可靠因素的影響。
加工路徑的安排
4）多型孔凹模板加工工藝優(yōu)化
模板在慢走絲加工時(shí)，隨著原有內(nèi)應(yīng)力的作用及線切割所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的影響，將產(chǎn)生不定向、無規(guī)則的變形，使后面的切割吃刀量厚薄不均，影響了加工質(zhì)量和加工精度。
針對(duì)此種情況，對(duì)精度要求比較高的模板，在多次切割加工中。第1次切割將所有型孔的廢料切掉，取出廢料后，再由機(jī)床的自動(dòng)移位功能，依次完成型孔的修切：主切a腔，取廢料→主切b腔，取廢料→主切c腔，取廢料→……→主切n腔，取廢料→a腔修切→b腔修切→……→n腔修切，加工完畢。
這種切割方式能使每個(gè)型孔加工后有足夠的時(shí)間釋放內(nèi)應(yīng)力，能將各個(gè)型孔因加工順序不同而產(chǎn)生的相互影響、微量變形降低到最小程度，較好地保證模板的加工尺寸精度。
但是這樣加工穿絲次數(shù)多，工作量較大，更適合于帶有自動(dòng)穿絲機(jī)構(gòu)的慢走絲線切割機(jī)床。這樣切割完后經(jīng)測(cè)量，形位尺寸符合高精度要求。
5）設(shè)置多段暫留量
大型、復(fù)雜形狀的工件加工情況，應(yīng)設(shè)置兩處或以上的暫留量，設(shè)置多個(gè)起割點(diǎn)，如下圖所示。編程時(shí)以開放形狀的方式加工，編程前先把圖形分解成多段，并分別串接起來，加工時(shí)先加工輪廓，最后加工暫留量部分。
設(shè)置多段暫留量
以下老師傅的經(jīng)驗(yàn)分享：
在慢走絲加工中，我們經(jīng)常面臨斷絲、效率降低、精度異常和切割變形等一系列問題。如何正確處理這些問題往往涉及到關(guān)鍵的細(xì)節(jié)，而這些細(xì)節(jié)往往是大師傅們心照不宣的秘訣，他們不會(huì)輕易全部傳授。
本文將為你呈現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)中常見的各種問題，并分享大師傅級(jí)別的解決之道。
01慢走絲加工老斷絲，咋辦？
斷絲是慢走絲加工中最普遍的問題之一。在遇到斷絲時(shí)，切忌不要盲目地調(diào)整參數(shù)。相反，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的加工情況仔細(xì)判斷斷絲可能的原因，然后有針對(duì)性地采取相應(yīng)的措施。
1）切割的零件上表面高低起伏較大
對(duì)策：切割的零件上表面高低起伏較大，上、下噴水嘴不能貼面加工，不能有效高壓沖水而發(fā)生斷絲。這種情況發(fā)生在粗加工中，可以通過降低放電能量來避免斷絲，優(yōu)先降低放電功率P值，在大幅度減小后仍會(huì)斷絲時(shí)值再考慮降低放電電流I，降低P會(huì)降低一些加工效率，但降低放電電流會(huì)大幅度降低加工效率。
2）不能有效高壓沖水
在1）中也是不能實(shí)現(xiàn)有效高壓沖水的類型，但那是由工件決定的，我們不能改變工件。在實(shí)際加工中，有很多不能有效高壓沖水是人為可以改善的。比如，上噴嘴與工件上表面的距離太大，這種情況是不對(duì)的，要盡可能減小上噴嘴與工件上表面的距離，比如在加工平板時(shí)距離應(yīng)該控制在0.1mm左右；另外要檢查檢查上下噴水嘴是否損壞，如損壞請(qǐng)及時(shí)更換。
3）電參數(shù)不當(dāng)
對(duì)策：請(qǐng)仔細(xì)檢查選擇的放電參數(shù)是否正確，是否選錯(cuò)了工件高度、選錯(cuò)了電極絲類型等等；如果是放電參數(shù)本身不夠穩(wěn)定，可以通過降低P值降低脈沖放電能量來改善；參數(shù)中的張力值太大，會(huì)將電極絲拉斷，降低絲張力，尤其是在錐度加工中；粗加工中的走絲速度偏低會(huì)導(dǎo)致斷絲，必要時(shí)調(diào)整。
4）電極絲、工件材料質(zhì)量問題
對(duì)策：使用的電極絲質(zhì)量不好，線圈疊壓、氧化等，應(yīng)換用優(yōu)質(zhì)的電極絲；降低P、I值，直至不斷絲。
5）導(dǎo)電塊磨損嚴(yán)重或太臟；導(dǎo)絲部太臟，造成刮絲
對(duì)策：應(yīng)檢查導(dǎo)電塊和電刷的磨損、表面粗糙度（氧化）、連接情況；清洗、旋轉(zhuǎn)或更換導(dǎo)電塊；清洗導(dǎo)絲部件。
6）運(yùn)絲不平穩(wěn)，平衡輪抖動(dòng)大
對(duì)策：走絲波動(dòng)。應(yīng)用張力計(jì)檢查電極絲的張力，并進(jìn)行調(diào)整。
7）廢絲桶中的廢絲溢出，與機(jī)床或者地面接觸，造成短路
對(duì)策：將溢出的廢絲放回廢絲桶，并及時(shí)清理廢絲桶。
02慢走絲加工效率低，咋辦？
1）未貼面加工，降低了P、I值
對(duì)策：調(diào)整Z軸，盡量貼面加工，在必須降低P值或I值的情況下要適度，不能降低的太多。
2）電參數(shù)不當(dāng)
對(duì)策：根據(jù)加工要求，選擇合理的工藝序列文件；檢查是否選擇了ACO自適應(yīng)功能，切割狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，可以取消ACO；拐角多的情況機(jī)床會(huì)使用拐角策略，根據(jù)加工精度要求可以適當(dāng)降低拐角策略。
3）工件變形，修切修不動(dòng)；修模，主切未限速，修一速度慢
對(duì)策：合理安排工藝，減小材料變形；修模時(shí)，主切設(shè)定合理的限速值，避免速度太快，余量未切到位。
4）主切效率較之前降低
對(duì)策：及時(shí)對(duì)機(jī)床進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。需檢查導(dǎo)電塊冷卻水是否正常；檢查下導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活；收絲輪是否正常；檢查絲的張力及絲速，必要時(shí)重新調(diào)節(jié)；檢查并清洗導(dǎo)絲嘴和導(dǎo)電塊。
03如何防止溫差給慢走絲加工帶來誤差？
1）高精度慢走絲加工保證工作精度的溫度范圍為20℃±1℃，不能達(dá)到此條件的，最重要的條件是控制溫度的波動(dòng)范圍，最好不要超過±3℃。
2）零件在工作前，先在工作液中浸泡或進(jìn)行沖淋一段時(shí)間，再進(jìn)行找正、加工，有利于保證精度。
3）較大的零件最好在一次開機(jī)中完成，如果中途停止加工有較長(zhǎng)的時(shí)間（如1個(gè)晚上），就很難保證加工精度。一次加工中如果停機(jī)時(shí)間超過2小時(shí)，繼續(xù)加工前也應(yīng)沖水半小時(shí)以上，以減小溫差帶來的誤差。
04加工凸模如何防止切割變形？
在實(shí)際生產(chǎn)加工中，由于工件毛坯內(nèi)部的殘留應(yīng)力變形及放電產(chǎn)生的熱應(yīng)力變形，故應(yīng)首先加工好穿絲孔進(jìn)行封閉式切割，盡可能避免開放式切割而發(fā)生變形。
如果受限于工件毛坯尺寸而不能進(jìn)行封閉形式切割，對(duì)于方形毛坯件，在編程時(shí)應(yīng)注意選擇好切割路線（或切割方向）。切割路線應(yīng)有利于保證工件在加工過程中始終與夾具（裝夾支撐架）保持在同一坐標(biāo)系，避開應(yīng)力變形的影響。夾具固定在左端，從葫蘆形凸模左側(cè)，按逆時(shí)針方向進(jìn)行切割，整個(gè)毛坯依據(jù)切割路線而被分為左右兩部分。由于連接毛坯左右兩側(cè)的材料越割越小，毛坯右側(cè)與夾具逐漸脫離，無法抵抗內(nèi)部殘留應(yīng)力而發(fā)生變形，工件也隨之變形。若按順時(shí)針方向切割，工件留在毛坯的左側(cè)，靠近夾持部位，大部分切割過程都使工件與夾具保持在同一坐標(biāo)系中，剛性較好，避免了應(yīng)力變形。一般情況下，合理的切割路線應(yīng)將工件與夾持部位分離的切割段安排在總的切割程序末端，即將暫停點(diǎn)（支撐部分）留在靠近毛坯夾持端的部位。
05高精度多型孔凹模板的切割工藝是怎樣的？
慢走絲加工高精度多型孔凹模板前，模板已進(jìn)行了冷加工、熱加工，內(nèi)部已產(chǎn)生了較大的殘留應(yīng)力，而殘留應(yīng)力是一個(gè)相對(duì)平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，在線切割去除大量廢料時(shí)，應(yīng)力隨著平衡遭到破壞而釋放出來。因此，模板在線切割加工時(shí)，隨著原有內(nèi)應(yīng)力的作用及火花放電所產(chǎn)生的加工熱應(yīng)力的影響，將產(chǎn)生不定向、無規(guī)則的變形，使后面的切割吃刀量厚薄不均，影響了加工質(zhì)量和加工精度。
針對(duì)此種情況，對(duì)精度要求比較高的模板，通常采用4次切割加工。第1次切割將所有型孔的廢料切掉，取出廢料后，再由機(jī)床的自動(dòng)移位功能，完成第2次、第3次、第4次切割。a切割第1次，取廢料→b切割第1次，取廢料→c切割第1次，取廢料→…→n切割第1次，取廢料→a切割第2次→b切割第2次→…→n切割第2次→a切割第3次→…→n切割第3次→a切割第4次→…→n切割第4次，加工完畢。這種切割方式能使每個(gè)型孔加工后有足夠的時(shí)間釋放內(nèi)應(yīng)力，能將各個(gè)型孔因加工順序不同而產(chǎn)生的相互影響、微量變形降低到最小程度，較好地保證模板的加工尺寸精度。但是這樣加工時(shí)間太長(zhǎng)，穿絲次數(shù)多，工作量大，增加了模板的制造成本。另外機(jī)床本身隨加工時(shí)間的延長(zhǎng)及溫度的波動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生蠕變。因此，根據(jù)實(shí)際測(cè)量和比較，模板在加工精度允許的情況下，可采用第1次統(tǒng)一加工取廢料不變，而將后面的2、3、4次合在一起進(jìn)行切割（即a切割第2次后，不移位、不拆絲，緊接著割第3、4次→b→c…→n），或省去第4次切割而做3次切割。這樣切割完后經(jīng)測(cè)量，形位尺寸基本符合要求。這樣既提高了生產(chǎn)效率，又降低人工，因此也降低了模板的制造成本。
06如何安排多型腔零件的長(zhǎng)時(shí)間無人操作？
?。?）對(duì)于一些切割工作量比較大的多型腔零件，可以安排在夜晚，采用無人操作加工，這樣可以節(jié)省成本，提高機(jī)床的使用率。多型腔都要各自設(shè)置暫停留量，留一段不切，保證零件不掉下來，其余的輪廓進(jìn)行多次切割至加工要求，處在暫停留量位置時(shí)，機(jī)床自動(dòng)剪絲，移動(dòng)至下一個(gè)型腔的穿絲孔位置，機(jī)床自動(dòng)穿絲，接著繼續(xù)加工。剪絲、移位、穿絲、加工的過程多次執(zhí)行，直到完成所有型腔的加工。這樣可以使得切割過程沒有料芯落下，不用人員干預(yù)，待有人員干預(yù)下進(jìn)行切斷和拾料，完成暫停留量段的加工。為了保證加工過程中自動(dòng)穿絲的順利進(jìn)行，穿絲孔的直徑要盡量大些。
?。?）對(duì)多個(gè)細(xì)小型腔的加工，由于料芯較細(xì)小，不便于設(shè)置暫停留量，容易發(fā)生短路現(xiàn)象，采用無芯切割的方法可以達(dá)到無人看管機(jī)器的目的。
結(jié)語：
高精密慢走絲加工是一項(xiàng)技術(shù)密集型工作，實(shí)現(xiàn)±1μm級(jí)別的精度需要多方面的技術(shù)支持和精細(xì)的工藝控制。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和工藝優(yōu)化，高精密慢走絲加工將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。
揭秘高精密慢走絲加工：±1μm級(jí)精度如何煉成？
04-09-2024
