線切割加工師傅不會傳授你的：錐度加工方法與技巧
能進行高精度錐度加工是數(shù)控慢走絲線切割機床的明顯優(yōu)勢之一。加工有錐度的模具零件是較難掌握的技術，本文重點分析如何保證切割零件的錐度與尺寸精度。（請注意，這些資料是工廠里大師傅互不傳授的技術，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)控慢走絲線切割機床的上、下導絲嘴兩點形成一條直線，以下導絲嘴為X、Y軸固定點，上導絲嘴隨U、V軸的移動產(chǎn)生錐度，U、V軸移動距離越大，產(chǎn)生的錐度就越大，錐度加工示意圖如圖1所示。 下導絲嘴平面為X、Y平面，上導絲嘴平面為U、V平面，工作臺面為程序軌跡平面。在切直身零件（不帶錐度）時，電極絲在這3個平面坐標點的垂直投影是重疊的，加工時機床顯示的X、Y坐標值與程序中的坐標值相同，因此通常忽略了這3個平面的存在。但錐度加工時，處于不同高度的3個平面上的電極絲處于不同的坐標位置，機床執(zhí)行加工時X、Y坐標值與程序軌跡的X、Y坐標值不同。
在圖1中，機床將上噴嘴底部與工作臺面的重疊面默認為機械坐標Z軸的零點，上噴嘴在不同的高度會有不同的Z0值。ZSD與ZID為預設值，可以通過調(diào)整這2個數(shù)值來修正錐度。
ZSD:上導絲嘴到上噴嘴底部的距離
ZID:下導絲嘴到工作臺面的距離
圖1 錐度加工示意圖
錐度加工時，機床X、Y與U、V軸坐標計算示意圖如圖2所示。已知ZSD、ZID、Z0值、切割錐度?及程序面X值。
圖2 機床X、Y與U、V軸坐標計算示意圖
計算X軸實際坐標值：
c = ZID×tan?
X軸實際坐標值 = 程序面X值- c
計算U軸實際坐標值：
b = ZSD + Z0 + ZID
U軸實際坐標值a = b×tan?
根據(jù)錐度加工的計算原理，可以得知在Z0與設定角度沒有改變的情況下，修改ZID值或者ZSD值，將會導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，那么機床數(shù)控系統(tǒng)會認為高度增加了，而此時實際高度并未發(fā)生變化，但U、V軸移動距離會變大，將導致切割角度增大。
ZID值的變化影響程序面尺寸與切割角度。將ZID值增大，那么機床認為高度增加了，而此時實際高度并未發(fā)生變化，但U、V軸移動距離會變大，也就影響切割角度增大；同時機床認為工作臺面與下導絲嘴的距離增加了，X、Y軸移動距離會變大，在切割上小下大的凸模時，將導致程序面尺寸變大。
2 錐度加工的修正
在加工高精度錐度零件之前，需要應用三角函數(shù)關系對機床的錐度參數(shù)進行嚴格的修正。
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，切割一個凸模（上小下大），測量實際錐度值與程序面尺寸。據(jù)此來進行機床ZSD、ZID參數(shù)的修正。修正參數(shù)的計算過程分為2個步驟，首先應選擇修正ZSD值，然后再修正ZID值。修正ZID值時，會影響高度參數(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)不變錐度才不會發(fā)生改變。換言之，如果ZID增加一值后，ZSD應減去這一值。執(zhí)行以上2個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、角度測量θ值，求修正錐度的Modif ZSD值。
ZMA:理論的Z向距離
ZX:實際的Z向距離
UorV:實際的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是一無正負的值，當切割的錐度偏小時，將ZSD值增加Modif ZSD，當切割的錐度偏大時，將ZSD值減少Modif ZSD 。
步驟二：得到準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是一無正負的值，當程序面尺寸偏小時，將ZID值增加Modif ZID，當程序面尺寸偏大時，將ZID值減少Modif ZID。
調(diào)整ZID值后，為了保持ZMA高度不變，當ZID值增加Modif ZID時，ZSD減少Modif ZID，當ZID值減少Modif ZID時，ZSD增加Modif ZID。
2.2 錐度加工修正實例
根據(jù)以上2個步驟的修正公式來做錐度加工修正。試切一個錐度零件，相關數(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°；
實測結果：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)輸入機床頁面ZSD、ZID選項，點擊保存即可。
再切割一個錐度件時，得到的程序面尺寸與角度值都已經(jīng)比較精確。
3.3 錐度修正器的應用
錐度加工進行ZSD與ZID值修正的計算過程繁瑣，而且容易出錯。為了簡化工作難度，提出了利用EXCEL軟件功能自動計算修正值的方法（見圖5）。制作的修正器只需要輸入錐度加工的已知信息，表格中設定了計算公式，此方法極大地簡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定
3.1 錐度加工程序類型
一般認為，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，上、下輪廓圓角的半徑不同，這是因為在圓角處X、Y、U、V四軸均勻運動。固定錐度加工的CAM編程比較簡單，設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四軸不均勻運動的一種切割方式，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“：”隔開, “：”左側為主程序面形狀，“：”右側為輔程序面形狀。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 錐度加工設定
錐度加工要根據(jù)生成的程序類型在機床的相關設定項（見圖9）中進行正確設定。涉及錐度加工的設定參數(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面至主程序面之間的距離。這2個參數(shù)需要正確設定，否則會影響錐度零件尺寸、錐度的精度。
圖9 機床相關設定項
程序由G51或者G52指令控制錐度加工，機床加工始終是根據(jù)主程序輪廓與Z軸位置坐標進行U、V坐標計算，與實際的工件高度無關，故錐度加工時通常不需要對工件高度進行設定。有時候設定工件高度是為了在機床上看到較真實的圖形，有時候也可以避免機床提示的過切報警。此時設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，編程時指定了主程序面、輔程序面的輪廓及工件高度。機床加工時根據(jù)2個程序面與Z軸位置坐標進行U、V坐標計算，與工件高度有直接的關系，應在設定項里指定編程時設定的工件高度。
錐度零件加工時，有時由于工件安裝底部不能與工作臺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，針對這些情況應該設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，將會導致工件在各個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，前幾次切割之間的余量要比無錐度加工要多預留一些，確保安全可靠，最后精修時可以少留一些余量，否則切割表面會出現(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到同樣的表面粗糙度值，設定的加工余量不同，其加工余量設定對比如下表所示。
有無錐度加工余量設定對比（mm）
|
錐度為0° |
錐度為10° |
|||
|
補償量 |
余量 |
補償量 |
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，容易出現(xiàn)刃帶不齊的問題，應該減少切割的尺寸誤差，多精修幾次，就切割次序而言，應先切直身的部分再切錐度。錐度零件帶有小圓角時，在編程時應對這些小圓角采用上下同R的處理，避免過切導致零件的角部缺陷。
5 結束語
通過對電火花線切割錐度加工進行詳細分析，總結了錐度加工誤差的修正步驟，提出了利用EXCEL軟件功能自動計算修正值的方法制作修正器，簡化了錐度修正計算的過程，并結合實踐總結了錐度切割的技巧，對實際生產(chǎn)具有指導意義。數(shù)控慢走絲線切割加工是一件實踐性很強的工作，需要在實踐中不斷探索，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：《模具工業(yè)》, ①廣西南寧職業(yè)技術學院，梁慶；②北京阿奇夏米爾技術服務有限責任公司，伍端陽
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