CN109465512A - 一种用于模具钢切割的介质喷头 - Google Patents

Abstract

一种用于模具钢切割的介质喷头。本发明在切割头的支撑柱与电极丝之间设置带有通孔或孔隙的介质喷头，通过该介质喷头在切割状态下为所述电极丝与待加工的模具钢工件相接触的部位提供气体介质或液体介质。由此，设置本发明介质喷头的切割头在进行电火花线切割的过程中，可利用介质降低切割过程中所形成的奥氏体，减少切割面变质层厚度。进而，本发明通过上述的工艺可保证切割后成品切割面的机械强度和热应变性能，提高切割面使用寿命，有效防止工件变形、开裂，提高切割精度。

Description

一种用于模具钢切割的介质喷头

技术领域

本发明涉及模具钢加工设备领域，尤其涉及一种用于模具钢切割的介质喷头。

背景技术

模具钢常用于制造冷冲模、热冲模或压铸模，其具有较大的硬度，因而不易加工。切割过程中，易造成切割刀断刀，切割面粗糙，难以符合加工精度要求。

由于模具钢本身硬度较高，切割过程中，作用于其上的切割刀容易断刀，或者打滑，偏移，切割刀或待切割的模具钢工件之间易在切割过程中产生位置的偏移。

为方便切割，现有技术经常采用热处理的方式降低模具钢加工难度。然而模具钢本身具有热疲劳特性，加工过程中的热处理，尤其热处理淬火温度会影响模具钢切割面的奥氏体晶粒大小、合金元素的固溶度以及工件表面的组织均匀性，进而影响模具钢工件成品的整体的热疲劳性能。

在模具钢服役过程中，其切割面还需在每次脱模的过程中经受冷却、润滑处理，其服役过程中这种频繁的骤热骤冷作用会进一步恶化模具钢工件的热疲劳性能。现有模具钢工件切割后的表面由于加工过程中急热急冷的影响，形成热影响层，其结晶结构异化，向内形成热变质层，影响工件应力强度，使切割后的工件易变形、开裂。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于模具钢切割的介质喷头。

首先，为实现上述目的，提出一种用于模具钢切割的介质喷头，固定于切割头的支撑柱下端，其中，所述支撑柱为中空结构，所述介质喷头设置在所述支撑柱和切割头的电极丝之间，所述支撑柱的上端连接有气液三通阀用于向所述中空结构内导入气体介质或液体介质，所述气体介质或液体介质沿所述支撑柱内部的中空结构流向所述介质喷头；所述介质喷头的外表面设置有容纳所述电极丝的凹槽，所述凹槽的深度不超过所述电极丝的直径，所述凹槽的内壁或外侧还设置有通孔或孔隙，所述通孔或孔隙至少部分地与所述支撑柱内部中空结构所容纳的气体介质或液体介质接触；切割状态下，所述通孔或孔隙在所述电极丝相对待加工的模具钢工件运动的过程中，将所述中空结构内的气体介质或液体介质引出至所述电极丝的表面与所述待加工的模具钢工件相接触的部位；或者所述通孔或孔隙将所述中空结构内的气体介质或液体介质引出并包覆于所述电极丝的表面。其中，所述气体介质包括惰性气体、除硫气体、除碳气体或其混合物；所述液体介质为去离子水或油性介质，所述液体介质内还混合有金属粉末，所述金属粉末包括铁、铼、钛、钨、锰、铬、镁中的任一中或其混合。

可选的，上述的用于模具钢切割的介质喷头，其中所述介质喷头为轮盘状结构，其轮轴凸起并与所述支撑柱的下端连接，所述轮盘状结构绕所述连接件的径向转动；容纳所述电极丝的凹槽设置于所述轮盘结构的周向上，所述凹槽的方向与所述介质喷头转动的方向相同。

可选的，上述的用于模具钢切割的介质喷头，其中，所述介质喷头为球体、扁球体，其短直径方向设置有连接件，所述连接件与所述支撑柱的下端连接，所述球体、扁球体的长直径绕所述连接件的径向转动；容纳所述电极丝的凹槽设置于所述介质喷头表面垂直于所述连接件的周向上，所述凹槽的方向与所述介质喷头转动的方向相同。

可选的，上述的用于模具钢切割的介质喷头，其中，所述通孔或孔隙沿所述球体、扁球体或轮盘状的转动方向排布。

可选的，上述的用于模具钢切割的介质喷头，其中，所述介质喷头的下表面为扁平结构，所述扁平结构上交错的设置有不同凹槽；所述各凹槽的深度不同，所述各凹槽的深度的差值至少为所述电极丝的直径。

可选的，上述的用于模具钢切割的介质喷头，其中，在所述凹槽交错的部位所述介质喷头的下表面厚度增加。

可选的，上述的用于模具钢切割的介质喷头，其中，在所述凹槽交错为“米”字形，所述介质喷头的下表面的厚度由中间向边缘递减。

所述介质喷头喷出的气体介质包括氮气、氧气或其混合物。或者，所述气体介质为压缩空气。

可选的，上述的用于模具钢切割的介质喷头，其中，所述介质喷头喷出的液体粉末里包含有纳米级别的金属粉末，其直径不超过50nm，所述液体介质为混合所述纳米粉末的悬浊液。

有益效果

本发明通过在切割头的支撑柱与电极丝之间设置带有通孔或孔隙的介质喷头，通过该介质喷头在切割状态下为所述电极丝与待加工的模具钢工件相接触的部位提供气体介质或液体介质。由此，本发明的切割头在进行电火花线切割的过程中，可利用介质降低切割过程中所形成的奥氏体，减少切割面变质层厚度。进而，本发明通过上述的工艺可保证切割后成品切割面的机械强度和热应变性能，提高切割面使用寿命，有效防止工件变形、开裂。

此外，由于本发明特殊的介质喷头结构，其在容纳电极丝的凹槽内设置向外提供液体介质或气体介质的通孔或孔隙，气体介质或液体介质通过该通孔的过程中对电极丝施加有向工件的压力，压力迫使电极丝与工件之间的接触强度或使两者之间的距离维持在相对稳定的范围内，而减小其收切割过程中静电力和爆破力的作用而震颤。由此，本发明切割后的表面更为光滑平整，可为后续工艺节约加工成本。

并且，本发明中，所述的介质喷头结构的表面还可通过不同深度的凹槽供多组电极丝交错的绕过。由此，可通过电极丝的交错，使得电极丝之间的电荷叠加，并由于电极丝之间的相对运动而增加其电场场强。其作用于模具钢工件进行切割时，可达到数倍于各组电极丝叠加的作用效果。本发明能够在保障切割效果的同时，通过电极丝的交错叠加作用大大提高切割效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的切割加工装置中切割头的整体结构示意；

图2为本发明中轮盘结构的介质喷头的结构示意图；

图3为本发明中扁球体结构的介质喷头的结构示意图；

图4为本发明中“米”字形凹槽的介质喷头的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

针对模具钢的切割加工装置通常包括：

切割平台1，其上面设置有待加工的模具钢工件，所述切割平台用于固定所述待加工的模具钢工件，或者供所述工件在其表面相对所述切割装置2移动；

切割装置2，包括走丝机构和电极丝，所述走丝机构包括若干轮轴，轮轴驱动所述电极丝往复运动或单向运动，从而，使得切割刀头部位的电极丝相对所述待加工的模具钢工件运动。在切割状态下，所述电极丝带有电荷，电极丝与待加工的模具钢工件之间放电，产生静电力和爆炸力以蚀除所述待加工的模具钢工件表面与所述电极丝接触的部位；

保护装置4，其包覆于所述切割装置2的外部，切割过程所产生的避免电火花或金属碎屑飞溅。保护装置内部还可连接有供气或供液管道，供液管道向切割部位的工件表面喷淋液体使其在切割过程中温度保持稳定。供气管道向切割部位的工件表面输出特定的气体，以保证切割效果。

参考图1所示，本发明的中将固定切割头的支撑柱21设置为中空结构，其下端连接有介质喷头24。所述介质喷头24设置在所述支撑柱和所述电极丝之间，所述支撑柱21的上端连接有气液三通阀25用于向所述中空结构内导入气体介质或液体介质，所述气体介质或液体介质沿所述支撑柱21内部的中空结构流向所述介质喷头24。所述介质喷头24的外表面设置有容纳所述电极丝23的凹槽，所述凹槽的深度不超过所述电极丝23的直径，所述凹槽的内壁或外侧还设置有通孔26或孔隙，所述通孔26或孔隙至少部分地与所述支撑柱21内部中空结构所容纳的气体介质或液体介质接触；切割状态下，所述通孔26或孔隙在所述电极丝23相对待加工的模具钢工件运动的过程中，将所述中空结构内的气体介质或液体介质引出至所述电极丝23的表面与所述待加工的模具钢工件相接触的部位；或者所述通孔26或孔隙将所述中空结构内的气体介质或液体介质引出并包覆于所述电极丝23的表面。

在图2或图3所示的实现方式下，上述的介质喷头24为球体、扁球体或轮盘状结构，其直径方向设置有连接件27，所述连接件与所述支撑柱21的下端连接，所述球体、扁球体或轮盘状结构绕所述连接件27的径向转动；容纳所述电极丝23的凹槽设置于所述介质喷头24表面垂直于所述连接件27的周向上，所述凹槽的方向与所述介质喷头24转动的方向相同；所述通孔26或孔隙沿所述球体、扁球体或轮盘状的转动方向排布。

参考图4所示的介质喷头结构。其下表面为扁平结构，所述扁平结构上交错的设置有不同凹槽；所述各凹槽的深度不同，所述各凹槽的深度的差值至少为所述电极丝23的直径。所述凹槽交错为“米”字形，在所述凹槽交错的部位所述介质喷头24的下表面厚度增加。由此切割时，可通过电极丝的交错，使得电极丝之间的电荷叠加，并由于电极丝之间的相对运动而增加其电场场强。其作用于模具钢工件进行切割时，可达到数倍于各组电极丝叠加的作用效果。本发明能够在保障切割效果的同时，通过电极丝的交错叠加作用大大提高切割效率。

通过上述的切割头，本发明可以在对待加工的模具钢工件预处理之后，对其进行特殊介质下的电火花切割。切割过程中：

驱动电极丝23相对待加工的所述模具钢工件运动，切割状态下，所述电极丝与待加工的模具钢工件之间放电，蚀除所述待加工的模具钢工件表面与所述电极丝接触的部位；

在第1至2次切割时，同步的向所述电极丝23的表面与所述待加工的模具钢工件相接触的部位提供气体介质；所述的气体介质包括氮气、氧气、压缩空气或其混合物；

在第3次切割直至最后依次切割时，同步的向所述电极丝23的表面与所述待加工的模具钢工件相接触的部位提供液体介质；所述液体介质为去离子水或油性介质，所述液体介质内还混合有直径在50纳米以内金属粉末，所述金属粉末包括铁、铼、钛、钨、锰、铬、镁中的任一中或其混合。

由此，本发明在切割的电火花作用下，对工件表面模具钢施加静电力和爆破力使其局部熔融时，能够通过导入的氧气氧化溶出的硫化物以及碳杂质，通过氮气或惰性气体保护金属不受影响。再进一步切割的过程中，由于上述的介质喷头直接在切割点处引入了含有纳米金属的液体介质，该纳米粉末与电极丝电荷作用，在切割面熔融金属恢复刚性的过程中，嵌入晶体之间，在所述切割面上形成新的致密保护层。该保护层由上述金属粉末经电磁激励极化后，融合入切割作用所形成的奥氏体或变质层表面，纳米级金属颗粒由于该融合作用，使得奥氏体或变质层所形成的重熔层物理性质改变，极大的改善切割面的硬度和脆性，使其不易变形开裂。

为进一步保证上述金属之间的融合过程不受外部环境干扰，上述融合过程需在去离子水或油性介质的封闭状态下进行，并且，过程中需要保证熔融点温度稳定。为达到该目的，本发明还在所述走丝机构22的导轮表面与所述电极丝23接触的部位设有温度传感器。电极丝23由所述导轮上绕过，所述导轮上温度传感器可检测到所述电极丝23的温度，通过电极丝的温度判断熔融点温度状况。在所述电极丝23的温度超过预设值时扩大所述气液三通阀25的开度，增加由所述通孔26或孔隙引出的气体介质或液体介质的流量以带走多余的热量。

经过计算实验，切割点的电极丝经上述液体或气体介质辅助冷却后到达导轮位置的温度一般在240~300℃之间，其对应的熔融点温度较为适宜上述重熔层结构稳定成型并保持适当的刚度。将传感器判断的电极丝温度的预设值设置为300℃能够得到性能最优的切割面，温度再上升，其性能衰退，不再具备明显优势。

上述处理过程还依赖于对工件的预处理。其步骤包括：第一步，对待加工的模具钢工件热处理至临界温度或以上；第二步，对热处理后的所述模具钢工件缓慢退火至250℃，退火速率不超过30℃每小时。缓慢退火能够保持工件整体性能稳定，进一步防止切割过程中开裂变形。其原因在于，切割前，工件表面至中心冷热速率不一致，温度差会在其机构内产生非均匀的膨胀导致内应力的不均衡。加工过程中，切割点与金属内部温差加剧，上述非均衡的应力进一步作用，使得切割点附近拉应力加剧，导致切割面断裂。而缓慢退火则可保持金属内部与外部表面温度趋于一致，可有效降低上述应力作用，提升切割效果。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于模具钢切割的介质喷头，其特征在于，固定于切割头的支撑柱（21）下端，所述支撑柱（21）为中空结构，所述介质喷头（24）设置在所述支撑柱和切割头的电极丝之间，所述支撑柱（21）的上端连接有气液三通阀（25）用于向所述中空结构内导入气体介质或液体介质，所述气体介质或液体介质沿所述支撑柱（21）内部的中空结构流向所述介质喷头（24）；

所述介质喷头（24）的外表面设置有容纳所述电极丝（23）的凹槽，所述凹槽的深度不超过所述电极丝（23）的直径，所述凹槽的内壁或外侧还设置有通孔（26）或孔隙，所述通孔（26）或孔隙至少部分地与所述支撑柱（21）内部中空结构所容纳的气体介质或液体介质接触；

切割状态下，所述通孔（26）或孔隙在所述电极丝（23）相对待加工的模具钢工件运动的过程中，将所述中空结构内的气体介质或液体介质引出至所述电极丝（23）的表面与所述待加工的模具钢工件相接触的部位；或者所述通孔（26）或孔隙将所述中空结构内的气体介质或液体介质引出并包覆于所述电极丝（23）的表面。

2.如权利要求1所述的用于模具钢切割的介质喷头，其特征在于，所述

介质喷头（24）为轮盘状结构，其轮轴凸起并与所述支撑柱（21）的下端连接，所述轮盘状结构绕所述连接件（27）的径向转动；

容纳所述电极丝（23）的凹槽设置于所述轮盘结构的周向上，所述凹槽的方向与所述介质喷头（24）转动的方向相同。

3.如权利要求1所述的用于模具钢切割的介质喷头，所述介质喷头（24）为球体、扁球体，其短直径方向设置有连接件（27），所述连接件与所述支撑柱（21）的下端连接，所述球体、扁球体的长直径绕所述连接件（27）的径向转动；

容纳所述电极丝（23）的凹槽设置于所述介质喷头（24）表面垂直于所述连接件（27）的周向上，所述凹槽的方向与所述介质喷头（24）转动的方向相同。

4.如权利要求3或2所述的用于模具钢切割的介质喷头，所述通孔（26）或孔隙沿所述介质喷头的转动方向排布。

5.如权利要求3或2所述的用于模具钢切割的介质喷头，所述介质喷头（24）的下表面为扁平结构，所述扁平结构上交错的设置有不同凹槽；所述各凹槽的深度不同，所述各凹槽的深度的差值至少为所述电极丝（23）的直径。

6.如权利要求1-5所述的用于模具钢切割的介质喷头，在所述凹槽交错的部位所述介质喷头（24）的下表面厚度增加。

7.如权利要求1-6所述的用于模具钢切割的介质喷头，在所述凹槽交错为“米”字形，所述介质喷头（24）的下表面的厚度由中间向边缘递减。