線切割加工師傅不會(huì)傳授你的：錐度加工方法與技巧
能進(jìn)行高精度錐度加工是數(shù)控慢走絲線切割機(jī)床的明顯優(yōu)勢(shì)之一。加工有錐度的模具零件是較難掌握的技術(shù)，本文重點(diǎn)分析如何保證切割零件的錐度與尺寸精度。（請(qǐng)注意，這些資料是工廠里大師傅互不傳授的技術(shù)，或者說一些大師傅也是一知半解。）
1 錐度加工的幾何原理及規(guī)律
數(shù)控慢走絲線切割機(jī)床的上、下導(dǎo)絲嘴兩點(diǎn)形成一條直線，以下導(dǎo)絲嘴為X、Y軸固定點(diǎn)，上導(dǎo)絲嘴隨U、V軸的移動(dòng)產(chǎn)生錐度，U、V軸移動(dòng)距離越大，產(chǎn)生的錐度就越大，錐度加工示意圖如圖1所示。 下導(dǎo)絲嘴平面為X、Y平面，上導(dǎo)絲嘴平面為U、V平面，工作臺(tái)面為程序軌跡平面。在切直身零件（不帶錐度）時(shí)，電極絲在這3個(gè)平面坐標(biāo)點(diǎn)的垂直投影是重疊的，加工時(shí)機(jī)床顯示的X、Y坐標(biāo)值與程序中的坐標(biāo)值相同，因此通常忽略了這3個(gè)平面的存在。但錐度加工時(shí)，處于不同高度的3個(gè)平面上的電極絲處于不同的坐標(biāo)位置，機(jī)床執(zhí)行加工時(shí)X、Y坐標(biāo)值與程序軌跡的X、Y坐標(biāo)值不同。
在圖1中，機(jī)床將上噴嘴底部與工作臺(tái)面的重疊面默認(rèn)為機(jī)械坐標(biāo)Z軸的零點(diǎn)，上噴嘴在不同的高度會(huì)有不同的Z0值。ZSD與ZID為預(yù)設(shè)值，可以通過調(diào)整這2個(gè)數(shù)值來修正錐度。
ZSD:上導(dǎo)絲嘴到上噴嘴底部的距離
ZID:下導(dǎo)絲嘴到工作臺(tái)面的距離
圖1 錐度加工示意圖
錐度加工時(shí)，機(jī)床X、Y與U、V軸坐標(biāo)計(jì)算示意圖如圖2所示。已知ZSD、ZID、Z0值、切割錐度?及程序面X值。
圖2 機(jī)床X、Y與U、V軸坐標(biāo)計(jì)算示意圖
計(jì)算X軸實(shí)際坐標(biāo)值：
c = ZID×tan?
X軸實(shí)際坐標(biāo)值 = 程序面X值- c
計(jì)算U軸實(shí)際坐標(biāo)值：
b = ZSD + Z0 + ZID
U軸實(shí)際坐標(biāo)值a = b×tan?
根據(jù)錐度加工的計(jì)算原理，可以得知在Z0與設(shè)定角度沒有改變的情況下，修改ZID值或者ZSD值，將會(huì)導(dǎo)致切割錐度與程序面尺寸發(fā)生以下變化：
ZSD值的變化影響切割角度。將ZSD值增大，那么機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為高度增加了，而此時(shí)實(shí)際高度并未發(fā)生變化，但U、V軸移動(dòng)距離會(huì)變大，將導(dǎo)致切割角度增大。
ZID值的變化影響程序面尺寸與切割角度。將ZID值增大，那么機(jī)床認(rèn)為高度增加了，而此時(shí)實(shí)際高度并未發(fā)生變化，但U、V軸移動(dòng)距離會(huì)變大，也就影響切割角度增大；同時(shí)機(jī)床認(rèn)為工作臺(tái)面與下導(dǎo)絲嘴的距離增加了，X、Y軸移動(dòng)距離會(huì)變大，在切割上小下大的凸模時(shí)，將導(dǎo)致程序面尺寸變大。
2 錐度加工的修正
在加工高精度錐度零件之前，需要應(yīng)用三角函數(shù)關(guān)系對(duì)機(jī)床的錐度參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的修正。
2.1 錐度加工的修正步驟
根據(jù)錐度加工尺寸與錐度的變化規(guī)律，可以利用ZSD值來修正錐度，利用ZID值來修正程序面尺寸。在切割錐度零件之前，切割一個(gè)凸模（上小下大），測(cè)量實(shí)際錐度值與程序面尺寸。據(jù)此來進(jìn)行機(jī)床ZSD、ZID參數(shù)的修正。修正參數(shù)的計(jì)算過程分為2個(gè)步驟，首先應(yīng)選擇修正ZSD值，然后再修正ZID值。修正ZID值時(shí)，會(huì)影響高度參數(shù)變化從而影響了錐度，必須把修正值附加在ZSD上，使高度參數(shù)不變錐度才不會(huì)發(fā)生改變。換言之，如果ZID增加一值后，ZSD應(yīng)減去這一值。執(zhí)行以上2個(gè)試切步驟即可切割出尺寸、角度符合要求的零件。
步驟一：修正ZSD，得到準(zhǔn)確的錐度。
修正ZSD示意圖如圖3所示。已知ZSD、ZID、Z0、理論角度值α、角度測(cè)量θ值，求修正錐度的Modif ZSD值。
ZMA:理論的Z向距離
ZX:實(shí)際的Z向距離
UorV:實(shí)際的UorV距離
圖3 修正ZSD示意圖
Modif ZSD=ZMA-ZX
ZMA=ZSD+Z0+ZID
ZX=UorV/tanθ
UorV=ZMA* tanα
Modif ZSD=(ZSD+Z0+ZID)－(ZSD+Z0+ZID)* tanα/ tanθ
Modif ZSD是一無正負(fù)的值，當(dāng)切割的錐度偏小時(shí)，將ZSD值增加Modif ZSD，當(dāng)切割的錐度偏大時(shí)，將ZSD值減少M(fèi)odif ZSD 。
步驟二：得到準(zhǔn)確的程序面尺寸并保證錐度。
修正ZID示意圖如圖4所示。已知理論值角度α、程序尺寸P、測(cè)量尺寸M，求修正程序面尺寸的Modif ZID值。
圖4 修正ZID示意圖
Modif ZID = R / tanα
R = P－M
Modif ZID=(P－M) / tanα
Modif ZSD是一無正負(fù)的值，當(dāng)程序面尺寸偏小時(shí)，將ZID值增加Modif ZID，當(dāng)程序面尺寸偏大時(shí)，將ZID值減少M(fèi)odif ZID。
調(diào)整ZID值后，為了保持ZMA高度不變，當(dāng)ZID值增加Modif ZID時(shí)，ZSD減少M(fèi)odif ZID，當(dāng)ZID值減少M(fèi)odif ZID時(shí)，ZSD增加Modif ZID。
2.2 錐度加工修正實(shí)例
根據(jù)以上2個(gè)步驟的修正公式來做錐度加工修正。試切一個(gè)錐度零件，相關(guān)數(shù)據(jù)如下：
工件厚度：30.08mm
ZSD值5.274；ZID值11.494；Z0值30.912；
主程序面尺寸6.0mm，錐度單邊4°；
實(shí)測(cè)結(jié)果：尺寸5.978mm，錐度單邊3.95°
（1）調(diào)整ZSD來修正錐度：
Modif ZSD=（ZSD+Z0+ZID）－（ZSD+Z0+ZID）*tan4/tan3.95
=(5.274+30.912+11.494)-(5.274+30.912+11.494)* tan4/tan3.95
=－0.605mm
錐度偏小，需要將ZSD增加Modif ZSD。
修正后ZSD =5.274+0.605=5.879mm
（2）調(diào)整ZID來修正主程序面尺寸：
Modif ZID =（6－5.978）/2/tan4=0.1573mm
主程序面尺寸偏小，ZID需要增加Modif ZID，相應(yīng)的ZSD要減小Modif ZID。
修正后ZID =11.494+0.1573=11.651mm
修正后ZSD =5.879-0.1573=5.722mm
（3）將修正后的參數(shù)輸入機(jī)床頁面ZSD、ZID選項(xiàng)，點(diǎn)擊保存即可。
再切割一個(gè)錐度件時(shí)，得到的程序面尺寸與角度值都已經(jīng)比較精確。
3.3 錐度修正器的應(yīng)用
錐度加工進(jìn)行ZSD與ZID值修正的計(jì)算過程繁瑣，而且容易出錯(cuò)。為了簡(jiǎn)化工作難度，提出了利用EXCEL軟件功能自動(dòng)計(jì)算修正值的方法（見圖5）。制作的修正器只需要輸入錐度加工的已知信息，表格中設(shè)定了計(jì)算公式，此方法極大地簡(jiǎn)化了錐度加工的修正過程，安全可靠。
圖5 錐度修正器頁面
表格中設(shè)定的公式為：
“修正后的ZSD”=(C5+D5+E5)*TAN(RADIANS(H5))/TAN(RADIANS(I5))-(C5+D5+E5)+
C5-(F5-G5)/2/TAN(RADIANS(H5))
“修正后的ZID” =(F5-G5)/2/TAN(RADIANS(H5))+D5
3 錐度加工程序及加工設(shè)定
3.1 錐度加工程序類型
一般認(rèn)為，錐度加工分為固定錐度加工與上下異形錐度加工兩類。
固定錐度加工指錐度是一定的，且其上、下表面具備相似的表面形狀。有圓角時(shí)，上、下輪廓圓角的半徑不同，這是因?yàn)樵趫A角處X、Y、U、V四軸均勻運(yùn)動(dòng)。固定錐度加工的CAM編程比較簡(jiǎn)單，設(shè)定主程序面的二維圖形，再輸入斜度即可，程序中的G51或者G52指令控制電極絲向指定方向傾斜指定角度的加工。
固定錐度加工零件如圖6所示。
圖6 固定錐度加工零件
上、下異形錐度加工就是上、下程序面的形狀是不相同的，加工中由X、Y、U、V四軸不均勻運(yùn)動(dòng)的一種切割方式，可分為上下同R切割、變斜度切割和上、下輪廓相異切割3種方式。其中，上、下同R是指上、下輪廓面的圓角大小相等，變斜度是指不同幾何元素的錐度可以各不相同，上、下輪廓相異是指上、下端面輪廓幾何元素的數(shù)目不需要相同。
變斜度加工與上、下同R切割的CAM編程，指定相應(yīng)元素的斜度或者指定上、下相同的圓角半徑即可。上、下輪廓相異切割的CAM編程需要分別選取X、Y主程序面與U、V輔程序面。
通常情況下，變斜度加工與上、下同R切割程序中的G51或者G52指令控制電極絲向指定方向傾斜指定角度的加工。上、下輪廓相異切割的程序通常是使用G61指令打開上、下異形功能，主程序面形狀代碼與輔程序面形狀代碼用區(qū)分符號(hào)“：”隔開, “：”左側(cè)為主程序面形狀，“：”右側(cè)為輔程序面形狀。不同編程軟件的CAM后處理器產(chǎn)生的程序會(huì)有差異，變斜度加工與上、下同R切割程序也有使用G61指令格式的；上、下輪廓相異切割的程序也有使用G74指定U、V坐標(biāo)格式的。
變錐度與上、下同R加工零件如圖7所示：
圖7 變錐度與上、下同R加工零件
上下異形加工零件如圖8所示：
圖8 上下異形加工零件
4.2 錐度加工設(shè)定
錐度加工要根據(jù)生成的程序類型在機(jī)床的相關(guān)設(shè)定項(xiàng)（見圖9）中進(jìn)行正確設(shè)定。涉及錐度加工的設(shè)定參數(shù)主要包括工件高度與主程序面高度。工件高度指的是工件主程序面位置至輔程序面位置之間的距離。主程序面高度指的是工作臺(tái)面至主程序面之間的距離。這2個(gè)參數(shù)需要正確設(shè)定，否則會(huì)影響錐度零件尺寸、錐度的精度。
圖9 機(jī)床相關(guān)設(shè)定項(xiàng)
程序由G51或者G52指令控制錐度加工，機(jī)床加工始終是根據(jù)主程序輪廓與Z軸位置坐標(biāo)進(jìn)行U、V坐標(biāo)計(jì)算，與實(shí)際的工件高度無關(guān)，故錐度加工時(shí)通常不需要對(duì)工件高度進(jìn)行設(shè)定。有時(shí)候設(shè)定工件高度是為了在機(jī)床上看到較真實(shí)的圖形，有時(shí)候也可以避免機(jī)床提示的過切報(bào)警。此時(shí)設(shè)定的工件高度不影響加工尺寸與錐度精度。
程序由G61或者G74指令控制上、下異形錐度加工，編程時(shí)指定了主程序面、輔程序面的輪廓及工件高度。機(jī)床加工時(shí)根據(jù)2個(gè)程序面與Z軸位置坐標(biāo)進(jìn)行U、V坐標(biāo)計(jì)算，與工件高度有直接的關(guān)系，應(yīng)在設(shè)定項(xiàng)里指定編程時(shí)設(shè)定的工件高度。
錐度零件加工時(shí)，有時(shí)由于工件安裝底部不能與工作臺(tái)平面重合而被抬高了一定的距離，或者零件本身帶有刃口、主程序面不在底部，為了保證程序面的尺寸，針對(duì)這些情況應(yīng)該設(shè)定正確的主程序面高度值。
4 錐度零件切割的工藝技巧
錐度加工中由于高壓沖液不能有效地沖入切縫，加工屑不能有效排出，因此錐度切割的效率比無錐度切割相比要低得多，錐度越大差別越大。如果不降低放電能量，容易發(fā)生斷絲，故應(yīng)優(yōu)先降低P值，如果此值降低幅度較大仍斷絲，可考慮降低I值，直至不斷絲。由于沖液狀態(tài)不好，應(yīng)盡可能保證上、下噴嘴貼面加工，并檢查上、下噴嘴帽是否損壞，如損壞則需及時(shí)更換。
錐度加工前，要使用絲找器找正電極絲的垂直度，盡量不要使用火花找正電極絲垂直度的方法。如果電極絲垂直度誤差較大，將會(huì)導(dǎo)致工件在各個(gè)方向的錐度角不一致的情況。
為了保證錐度加工表面的效果，多次切割時(shí)，前幾次切割之間的余量要比無錐度加工要多預(yù)留一些，確保安全可靠，最后精修時(shí)可以少留一些余量，否則切割表面會(huì)出現(xiàn)條紋。使用? 0.2 mm的黃銅絲切割高度50 mm的模具鋼，切一修三的條件下達(dá)到同樣的表面粗糙度值，設(shè)定的加工余量不同，其加工余量設(shè)定對(duì)比如下表所示。
有無錐度加工余量設(shè)定對(duì)比（mm）
|
錐度為0° |
錐度為10° |
|||
|
補(bǔ)償量 |
余量 |
補(bǔ)償量 |
余量 |
|
|
主切 |
0.198 |
0.059 |
0.212 |
0.067 |
|
修一 |
0.139 |
0.028 |
0.145 |
0.037 |
|
修二 |
0.111 |
0.006 |
0.108 |
0.003 |
|
修三 |
0.105 |
0 |
0.105 |
0 |
當(dāng)切割的錐度角大于10°，使用通用的黃銅絲在加工過程中容易發(fā)生斷絲、切割表面出現(xiàn)條紋等異常情況，使用柔性更好的軟黃銅絲可以獲得明顯的改善效果。
切割帶有刃口的落料模，切割的錐角很小時(shí)，容易出現(xiàn)刃帶不齊的問題，應(yīng)該減少切割的尺寸誤差，多精修幾次，就切割次序而言，應(yīng)先切直身的部分再切錐度。錐度零件帶有小圓角時(shí)，在編程時(shí)應(yīng)對(duì)這些小圓角采用上下同R的處理，避免過切導(dǎo)致零件的角部缺陷。
5 結(jié)束語
通過對(duì)電火花線切割錐度加工進(jìn)行詳細(xì)分析，總結(jié)了錐度加工誤差的修正步驟，提出了利用EXCEL軟件功能自動(dòng)計(jì)算修正值的方法制作修正器，簡(jiǎn)化了錐度修正計(jì)算的過程，并結(jié)合實(shí)踐總結(jié)了錐度切割的技巧，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。數(shù)控慢走絲線切割加工是一件實(shí)踐性很強(qiáng)的工作，需要在實(shí)踐中不斷探索，只有掌握好一定的工藝技巧，才能加工出高精度的錐度零件。
本文經(jīng)作者授權(quán)：《模具工業(yè)》, ①廣西南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，梁慶；②北京阿奇夏米爾技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，伍端陽
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