不锈钢拉延件在电火花线切割加工中产生变形原因的分析及对策

（长春市国凯模具设备修造有限责任公司，吉林 长春 130062）

不锈钢拉延件在电火花线切割加工中产生变形原因的分析及对策

谷 超

（长春市国凯模具设备修造有限责任公司，吉林 长春 130062）

本文通过分析不锈钢拉延件在数控电火花线切割产生变形的原因，探讨解决去除材料后工件变形而致的夹断丝、尺寸超差、短路等问题，进而提出一种有效减少加工变形的线切割工艺方法。

电火花线切割加工；拉延变形；工艺方法

引言

数控快走丝电火花线切割加工技术作为一种特种加工技术，具有很强的实用价值，在众多的工业生产领域起到了极为重要的作用，其工艺手段在许多情况下是常规制造技术无法取代的。这里仅就电火花线切割加工不锈钢拉延件的加工技巧进行初步探讨。首先介绍快走丝电火花线切割的加工原理及特点，阐述不锈钢拉延件的工艺过程，然后从实例角度综合分析拉延制件在电火花线切割过程中变形的原因，并提出相应解决对策。

一﹑快走丝电火花线切割的加工原理及特点

快走丝电火花线切割加工的原理是利用移动的金属丝（钼丝）作为工具电极（接电源负极）对导电或半导电材料工件（接电源正极）进行脉冲性火花放电，从而进行所需尺寸的加工。

特点是：

（1）直接利用线状的电极丝作电极，不需要制作专业电极，可节约电极的设计﹑制作费用。

（2）可以加工用传统切削加工方法难以加工或无法加工的复杂形状工件。

（3）利用电蚀加工原理，电极丝与工件不直接接触，两者之间的作用力很小，故而电极丝﹑夹具不需要太高的强度。

图1 立体连接板

（4）利用四轴或五轴联动，可加工锥度﹑上下面异形等工件。

二﹑不锈钢拉延件在电火花线切割加工中产生变形原因的分析

（一）实例试件技术要求简介

下面我们以立体连接板（图1）作为实例进行探讨。该试件是侧墙立柱与车顶边梁和底架边梁之间的重要连接件。其左视图投影为扇形，主视图（沿侧墙纵向看的安装位置）方向为大圆弧曲面，而曲面法向横断面剖视图为礼帽型。该试件大端与上﹑下边梁搭接焊，小端与侧墙立柱对接焊，R9982曲面要求与外墙板贴合，故其加工尺寸的好坏直接影响车体组成的整体焊接。该零件材质为X2CrNiN18-7不锈钢，材料的厚度t=3mm。

（二）对比试验情况报告

通过我们以立体连接板制件和等规格的同材质不锈钢板进行同条件的线切割对比试验，切割加工后测得的结果显示：制件的变形远大于不锈钢板（制件平面度累计差为3.2mm）。通过排除法分析其产生原因，两种试件的差别就在于材料拉延成型工序。

（三）试验结果原因分析

究其原因，经过拉延加工成型后试件材料的内部产生了残余组织应力，并因各部位变形量的差异造成工件内组织应力分布不均匀，反映在线切割加工工序中，即是切割变形大且难于控制，造成尺寸改变，并经常出现炸裂现象，在试件的角部因应力集中释放变形更大，变形量远超出一般图纸要求的尺寸公差。

图2 立体连接板应力集中局部区域图

图3 成品零件

（四）对残余组织应力产生的认识

因为不锈钢材质的延展率小﹑弹性模量E较大，硬化指数较高。在塑性变形时，随着变形量的增大，诱发的马氏体含量也将随着变形量的增大而增高，残余应力也越大。残余应力与马氏体含量的关系：诱发的马氏体其含量越高，引起的残余应力也越大，在电火花线切割加工过程中也就越易开裂。

通过分析连接板零件图，可以看出加工余量的大小及加工过程中应力产生变形的集中位置。根据筒形拉延过程中坯料内的应力与应变状态可以知道以下部位为应力集中区域：（1）凸缘的平面部分R85尺寸是主要变形区；（2）凸缘的圆角部分R8是过渡区（变形次于凸缘的平面部分）；（3）筒壁部分R85拉延部分是已变形区（传力区）；（4）底部圆角部分R8是変薄最严重，易出现“拉裂”；（5）筒底部分R20是基本不变形区；综合得出结论是拉延过程中，各区应力﹑应变不均匀，凸缘区越靠外缘，变形程度越大，加工硬化严重。因此在电火花线切割过程中需要考虑以上应力集中部位的切割变形问题。

立体连接板应力集中局部区域图如图2所示。

三﹑不锈钢拉延件在电火花线切割加工中变形对策工艺模型的建立

通过以上分析，解决试件加工变形影响工件精度问题的实质是如何应对上工序即拉延工序产生的残余组织应力的影响。因此，我们建立一个工艺模型，以分步加工方法，以疏代治：

（1）采用局部预加工方法，释放拉延产生的组织应力，使试件在尺寸精度切割之前达到组织应力再平衡。对于复杂型面及精度要求较高的工件，如样板，连续模凹模等，还应采取预加工后进行二次回火处理的方法，进一步消除残余组织应力的影响。

（2）第二次切割以切除局部预加工（即第一次切割）所产生的工件变形余量为宗旨。可进一步推导出：若二次切割局部轮廓尺寸相差0.30～0.50mm，则切割前后的组织应力分布变化亦将微乎其微，若以此微小去除量做为第二次的切割余量，则试件变形亦将甚微，试件的切割状态及尺寸精度将都可以保证。

由此设想：在第一次局部预加工时留0.30～0.50mm余量，补偿变形尺寸，待切割完后，再按原顺序进行第二次切割保证尺寸精度。即第一次加工是将工件进行纯粹的“切割”开，目的以释放试件的组织应力，第二次切割才是保证精度的稳定的全轮廓尺寸精度加工。

四﹑相应工艺的应用与效果

基于以上工艺模型的建立，我们制定了以下工艺方法，有效的避免了变形导致的夹断丝现象﹑尺寸超差﹑短路引起的表面粗糙度下降等问题。

（一）局部预加工

1加工前准备

（1）张力调试

为防止电极丝张力过大与预加工过程中工件变形造成断丝。通过调整机床上张丝配重块的数量从而达到降低张力的作用。电极丝张力控制在三公斤力左右（以北京阿奇夏米尔公司的ST121快走丝线切割机床为例说明）。

（2）电规准的调节

选用高峰值电流大能量切割，根据加工的位置采用分组脉冲和脉冲电流逐个增大的方法，控制切削的平稳性，以获得大的放电间隙，降低变形造成夹丝﹑短路，引起断丝。

（3）工作液的调试

因为是粗加工以去除大面积余料为目的，所以工作液的浓度调试应较低，利于排屑。同时加工时工作液的流量应调试较大，充分达到水包丝的效果。

2局部预加工位置及尺寸分析

首先为了整体释放工件材料应力，在预加工时要先去除拉延工艺补充料。具体方法是在加工长度尺寸240mm的方向上单边留1mm余量；125mm的方向上单边预留量为1mm余量，为下一步的预加工做准备。然后针对筒形拉深部位应力释放采取一些措施。采取V型开口分段应力去除法，从尺寸R49余料外侧向距离圆弧边缘1mm处加工两条斜线，该斜线以R49圆心为顶点夹角分别为15度和75度。目的是逐步释放曲线加工过程中应力。减少R85凸缘的平面部分与R8凸缘圆角部分主要变形区变形大出现断裂的问题。

因为在电火花线切割加工过程中，工件材料被大量切去和切断，会改变其应力场分布，随着时间的推移而逐渐趋于平衡。我通过采用双向对称的切割（预留量为0.5mm）加工，可以进一步释放应力增加工件尺寸稳定性，为二次精加工做好准备。

3局部预加工实施

在加工过程中密切观察切削状态，通过对切割电压﹑电流的监控判断工件变形情况，适当调节电规准，应对应力不均匀产生微变形振动过大而出现的夹丝﹑断丝现象。

（二）整体加工

1加工前准备

（1）张力调试

重新调整导轮和张力配重块，增大电极丝的张紧力，并使导轮支点尽量靠近上下表面以缩短导轮支点与工件表面之间的距离，改善表面加工质量。电极丝张力控制在4公斤力左右。

（2）电规准的调节

只有选择小的脉冲宽度﹑适当的脉冲间隔﹑低的峰值电压﹑小的峰值电流时，才能获得较好的表面质量，控制整体的加工尺寸。控制切割电压70V﹑切割电流1--1.6A。

（3）工作液的调试

首先加入工作液原液，重新根据精加工的比例提高工作液的浓度配置，通过减小放电间隙，增加工件表面的粗糙度。最后在加工过程中适当调节工作液流量的大小。

2整体加工实施

选择合适的进给速度。发生过跟踪时，短路电压波形密，工件蚀除速度低于进给速度，间隙接近于短路，易造成断丝和频繁短路。反则当发生欠跟踪时，工件蚀除速度大于进给速度，间隙接近于开路，造成电极丝抖动，也易造成断丝和频繁短路。所以选择最佳跟踪速度，调节合理的变频进给速度也是保证加工质量的关键。

成品零件如图3所示。

结语

综上所述，在加工形状较为复杂的不锈钢拉延制件时，通过分析拉延制件过程，在普通快走丝电火花线切割机床上通过分步加工的工艺逐步消除组织应力产生的加工变形，可以提高工件的加工精度，并可有效地防止切割过程中的夹丝断丝﹑短路和裂纹的产生，保证切割表面光滑﹑工件尺寸符合图纸要求。此种工艺是以提高工件加工精度，降低表面粗糙度为目的，虽然经过预加工后精度加工的加工效率有所提高，但理论上总加工工时为原标准工艺切割所需工时的1.2～1.3倍，即：若取得高精度工件，必牺牲相应工时。实践证明，采用该切割工艺对策后，生产效率和产品质量均得到很大提高。

[1]崔杏梅.球形件在拉延过程中的力学分析[J].农机博览，1994 （01）：10-11.

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