电火花数控线切割加工方法和表面粗糙度对刀圈冲击功的影响

张凌，张爱武，于永生，孔祥权，李兆峰

（1.吉林省维尔特隧道装备有限公司，吉林 吉林市132011；2.吉林省盾构与掘进刀具技术重点实验室，吉林 吉林市132011）

0 前言

冲击功是衡量材料韧性的一个指标，测量试样在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。对于隧道掘进机用的滚刀刀圈来说，要求其不仅要有高的硬度、强度，还需要有良好的冲击韧性，因此，金属夏比冲击试验是刀圈理化实验不可或缺的一项内容。

金属夏比冲击试验是应用最广泛的一种测定金属材料韧性的传统性能试验，也是评定金属材料在冲击载荷下韧性的重要手段之一。金属材料的力学性能，除了要求具有足够的强度、硬度和塑性之外，还应具有一定的韧性，即在一定条件下受到冲击载荷时，具有在断裂过程中吸收足够能量的能力，以保证金属构件及零件的安全性。

夏比摆锤冲击试验是将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打断试样，测定试样的吸收能量。

1 冲击试样类型与尺寸

标准尺寸冲击试样为长55 mm，横截面10×10 mm的长方体。试样中间有V型或U型缺口。V型缺口应有45°夹角，其深度为2 mm，底部曲率半径为0.25 mm。U型缺口深度应为2mm或5 mm，底部曲率半径为1 mm。试样表面粗糙度Ra 应优于5 μm，端部除外。试验前应检查座跨距，座跨距应保证在40+0.2mm以内。

我公司生产的TBM掘进机用刀圈，使用的原材料为H13 热作模具钢，其热处理后冲击性能采用U型缺口冲击试样，一般情况下，试样通过电火花数控线切割手段进行加工。所使用的电火花数控线切割机床，是广东大铁数控机械有限公司生产的DK550型高速丝线切割机。

2 线切割参数的选择

极速电源内置了5种切割模式，每种切割模式内置了9个切割组号，每个组号内置了8个刀号（0-7号），可组合出360种不同的放电参数，适用于不同的加工要求，具有对当前加工状态极高的自适应性，是全球领先的智能电源。

五种切割模式分别为“普通”、“高速”、“高光”、“极速”、“大厚度”，前四种模式适用于100mm以内的工件，其中“极速”为最快，约15000mm2/h，最佳厚度为40～80 mm，短时间最高加工效率可突破20000 mm2/h，“普通” 约10000 mm2/h，“高速”约12000 mm2/h，“高光”约6500 mm2/h。切割速度从快到慢依次为组号“0”，组号“1”，组号“2”，组号“3”，…，组号“8”，出厂默认值为组号2。可根据切割产品的厚度调整组号，选择切割速度与电流。刀号前一位数字为“组号”，如30 表示组号“3”，刀号“0”。组号建议按以下方法选择：厚度30 mm 以下用组号“1”，速度较快；30～100 mm 用组号“3”或组号“5”，其中组号“5”光洁度较好，组号“3”钼丝损耗较小，光洁度一般，在不断丝的情况下也可选择组号“2”或组号“1”；当切割厚度超过200 mm 以上时建议使用电流3.5A 左右的参数（不断丝的情况下可以根据需要加大电流）；组号“6”与“7”为割1 刀很细的参数，组号“7”可长期使用而其损丝不大。

修刀的光洁度与速度完全是通过调整刀号实现的，刀号“2”、刀号“3”、刀号“4”、刀号“5”、刀号“6”、刀号“7”全部可以用来修刀，加工时可以自由组合。其表面光洁度与速度依次为从粗到细，（刀号“2”最粗最快，刀号“7”最细最慢）。割1修2 常用修刀顺序为：刀号“0”、“3”、“6”、“1”，刀号“1”用来割台阶，相对较细。

3 不同加工方式所得的冲击功试验值

根据线切割数控车床的性能和所切割试样的厚度，采用组号+刀号分别为：“30”模式选“高光”、“71”模式选“高光”，采用直接线切割、线切割+磨床（线切割到10.2×10.2×55mm，磨床磨到标准值）、线切割+铣床（线切割切到12×12×55mm，铣床铣到标准值）等三种不同的加工方式，对编号为170319-19-20的刀圈和编号F13-19-63 刀圈进行加工，并测量其冲击功的值，详见表1和表2。

4 结语

高速丝线切割机采取线电极高速往复供丝的方式,线电极的损耗均匀地分布在电极丝上,虽然电极丝的损耗极小,但电火花线切割机工作时影响其加工工件表面质量的因素很多,需要对有关加工工艺参数进行合理选配,才能保证加工件的表面质量。一般而言，表面粗糙度Ra 为1.25～0.63 μm时,切割速度为20 mm2/min。表面粗糙度Ra 为2.5～1.25 μm时,切割速度为40 mm2/min。可见,分析电火花线切割表面粗糙度，对充分发挥高速走丝线切割机的潜力,提高工件质量和经济效益具有重要意义。

表1 编号170319-19-20的刀圈不同加工方式下冲击试样的冲击值

表2 编号F13-19-63的刀圈不同加工方式下刀圈冲击试样的冲击值

表3 编号170319-19-20 刀圈冲击试样表面粗糙度

根据表1、表2、表3可以得出以下结论：（1）采用不同组号+刀号进行冲击试样加工，对冲击功结果影响较大，以刀圈170319-19-20 为例，71刀最大可得到冲击功为18.6 J,30 刀最小的冲击值为10.4 J，冲击值相差8.2 J，71 刀加工的试样冲击功普遍高于30 刀加工的试样冲击功；（2）同一刀号（用71 刀加工的试样），线切割+磨床磨到标准值和线切割+铣床铣到标准值结果相差不大，但因为线切割+磨床表面粗糙度更好一些，今后进行冲击试验时，可选择采用71 刀，线切割到10.2×10.2×55 mm，再用磨床磨试样的四个面到标准值10×10×55 mm，然后进行冲击试验，可以得到比较理想的试验结果。