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1、电火花线切割加工,1.电火花线切割加工的原理、特点及应用,原理,电火花线切割加工与电火花成形加工的基本原理一样，都是基于电极间脉冲放电时的电火花腐蚀原理，实现零部件的加工。不同的是，电火花线切割加工不需要制造复杂的成形电极，而是利用移动的细金属丝（钼丝或铜丝）作为工具电极，工件按照预定的轨迹运动，“切割”出所需要的各种尺寸和形状。,特点,1）不需要制造复杂的成形电极。2）能够方便快捷地加工薄壁、窄槽、复杂异形孔等结构零件。3）一般采用精规准一次加工成形，在加工过程中大都不需要转换加工规准。4）由于采用移动的长电极丝进行加工，使单位长度电极丝的损耗较少，从而对加工精度的影响比较小。5）工作液多采
2、用水基乳化液，很少使用煤油，不易引燃起火，容易实现安全无人操作运行。6）脉冲电源的加工电流较小，脉宽较窄，属于中、精加工范畴。,应用,1）适用于各种形式的冲裁模及挤压模、粉末冶金模、塑压模等。2）高硬度材料零件的加工。3）特殊形状零件的加工。4）加工电火花成形加工用的钼，铜、铜钨、银钨合金等材料电极。,2.电火花线切割加工机床,电火花线切割加工设备主要由机床本体、脉冲电源、控制系统、工作液循环系统和机床附件等几部分组成。,2.1 机床本体,机床本体由床身、坐标工作台、运丝机构、丝架、工作液箱、附件和夹具等几部分组成。1.机床床身：一般为铸件、是坐标工作台、绕丝机构及丝架的支承和固定基础。2.坐
3、标工作台部分：一般采用“十”字滑板、滚动导轨和丝杆传动副将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动，通过两个坐标方向各自的进给移动，可合成获得各种平面图形曲线轨迹。3.走丝机构：走丝系统使电极丝以一定的速度运动并保持一定的张力。4.锥度切割装置：为了切割落料角的冲模和某些有锥度的内外表面，有些线切割机床具有锥度切割功能。,2.2 脉冲电源,线切割加工脉冲电源的脉宽较窄（260s），单个脉冲能量、平均电流（15A）一般较小。,2.3 工作液循环系统,目前，快走丝线切割工作液广泛采用的是乳化液，其加工速度快。慢走丝线切割机床采用的工作液是去离子水和煤油。工作液循环装置一般由工作液泵、液箱、过滤器、管道
4、和流量控制阀等组成。对快速走丝机床，通常采用浇注式供液方式，而对慢速走丝机床，近年来有些采用浸泡式供液方式。,3.1 主要工艺指标,1切割速度 线切割加工中的切割速度是指在保证一定的表面粗糙度的切割过程中，单位时间内电极丝中心线在工件上切过的面积的总和，单位为mm2/min。最高切割速度是指在不计切割方向和表面粗糙度等条件下，所能达到的最大切割速度。通常快走丝线切割加工的切割速度为4080mm2/min。,3.电火花线切割加工工艺规律,2加工精度 加工精度是指所加工工件的尺寸精度、形状精度和位置精度的总称。加工精度是一项综合指标，它包括切割轨迹的控制精度、机械传动精度、工件装夹定位精度以及脉冲
5、电源参数的波动、电极丝的直径误差、损耗与抖动、工作液脏污程度的变化、加工操作者的熟练程度等对加工精度的影响。快速走丝线切割的可控加工精度在0.010.02mm左右，低速走丝线切割可达0.0050.002m左右。,3表面粗糙度 表面粗糙度常用轮廓算术平均偏差Ra(m)来表示，快速走丝线切割一般的表面粗糙度为Ra52.5m，最佳也只有1m左右。低速走丝线切割一般可达Ra1.25m，最佳可达Ra0.2m4电极丝损耗量 对快走丝机床，电极丝损耗量用电极丝在切割10 000 mm2面积后电极丝直径的减少量来表示，一般减小量不应大于0.01 mm。对慢走丝机床，由于电极丝是一次性的，故电极丝损耗量可忽略不
6、计。,1放电峰值电流对工艺指标的影响 放电峰值电流增大，单个脉冲能量增多，工件放电痕迹增大，故切割速度迅速提高，表面粗糙度数值增大，电极丝损耗增大，加工精度有所下降。因此第一次切割加工及加工较厚工件时取较大的放电峰值电流。 放电峰值电流不能无限制增大，当其达到一定临界值后，若再继续增大峰值电流，则加工的稳定性变差，加工速度明显下降，甚至断丝。,3.2电参数对工艺指标的影响,2脉冲宽度对工艺指标的影响 在其他条件不变的情况下，增大脉冲宽度，线切割加工的速度提高，表面粗糙度变差。这是因为当脉冲宽度增加时，单个脉冲放电能量增大，放电痕迹会变大。同时，随着脉冲宽度的增加，电极丝损耗也变大。因为脉冲宽度
7、增加，正离子对电极丝的轰击加强，结果使得接负极的电极丝损耗变大。 当脉冲宽度增大到一临界值后，线切割加工速度将随脉冲宽度的增大而明显减小。因为当脉冲宽度达到一临界值后，加工稳定性变差，从而影响了加工速度。,3脉冲间隔对工艺指标的影响 在其他条件不变的情况下，减小脉冲间隔，脉冲频率将提高，所以单位时间内放电次数增多，平均电流增大，从而提高了切割速度。 脉冲间隔在电火花加工中的主要作用是消电离和恢复液体介质的绝缘。脉冲间隔不能过小，否则会影响电蚀产物的排出和火花通道的消电离，导致加工稳定性变差和加工速度降低，甚至断丝。当然，也不是说脉冲间隔越大，加工就越稳定。脉冲间隔过大会使加工速度明显降低，严重
8、时不能连续进给，加工变得不稳定。,在电火花成型加工中，脉冲间隔的变化对加工表面粗糙度影响不大。在线切割加工中，在其余参数不变的情况下，脉冲间隔减小，线切割工件的表面粗糙度数值稍有增大。这是因为一般电火花线切割加工用的电极丝直径都在0.25 mm以下，放电面积很小，脉冲间隔的减小导致平均加工电流增大，致使加工表面粗糙度值增大。 脉冲间隔的合理选取，与电参数、走丝速度、电极丝直径、工件材料及厚度有很大关系。因此，在选取脉冲间隔时必须根据具体情况而定。当走丝速度较快、电极丝直径较大、工件较薄时，因排屑条件好，可以适当缩短脉冲间隔时间。反之，则可适当增大脉冲间隔。,综上所述，电参数对线切割电火花加工的
9、工艺指标的影响有如下规律： (1) 加工速度随着加工峰值电流、脉冲宽度的增大和脉冲间隔的减小而提高，即加工速度随着加工平均电流的增加而提高。 (2) 加工表面粗糙度数值随着加工峰值电流、脉冲宽度的增大及脉冲间隔的减小而增大，不过脉冲间隔对表面粗糙度影响较小。,实践表明，在加工中改变电参数对工艺指标影响很大，必须根据具体的加工对象和要求，综合考虑各因素及其相互影响关系，选取合适的电参数，既优先满足主要加工要求，又同时注意提高各项加工指标。例如，加工精密小零件时，精度和表面粗糙度是主要指标，加工速度是次要指标，这时选择电参数主要满足尺寸精度高、表面粗糙度好的要求。又如加工中、大型零件时，对尺寸的精
10、度和表面粗糙度要求低一些，故可选较大的加工峰值电流、脉冲宽度，尽量获得较高的加工速度。此外，不管加工对象和要求如何，还需选择适当的脉冲间隔，以保证加工稳定进行，提高脉冲利用率。因此选择电参数值是相当重要的，只要能客观地运用它们的最佳组合，就一定能够获得良好的加工效果。,3.3.1电极丝及其材料对工艺指标的影响1电极丝的选择 目前电火花线切割加工使用的电极丝材料有钼丝、钨丝、钨钼合金丝、黄铜丝、铜钨丝等。 采用钨丝加工时，可获得较高的加工速度，但放电后丝质易变脆，容易断丝，故应用较少，只在慢走丝弱规准加工中尚有使用。钼丝比钨丝熔点低，抗拉强度低，但韧性好，在频繁的急热急冷变化过程中，丝质不易变脆
11、、不易断丝。,3.3非电参数对工艺指标的影响,钨钼丝加工效果比前两种都好，它具有钨、钼两者的特性，使用寿命和加工速度都比钼丝高。铜钨丝有较好的加工效果，但抗拉强度差些，价格比较昂贵，来源较少，故应用较少。采用黄铜丝做电极丝时，加工速度较高，加工稳定性好，但抗拉强度差，损耗大。 目前，快走丝线切割加工中广泛使用钼丝作为电极丝，慢走丝线切割加工中广泛使用直径为0.1 mm以上的黄铜丝作为电极丝。,电极丝的直径是根据加工要求和工艺条件选取的。在加工要求允许的情况下，可选用直径大些的电极丝。直径大，抗拉强度大，承受电流大，可采用较强的电规准进行加工，能够提高输出的脉冲能量，提高加工速度。同时，电极丝粗
12、，切缝宽，放电产物排除条件好，加工过程稳定，能提高脉冲利用率和加工速度。若电极丝过粗，则难加工出内尖角工件，降低了加工精度，同时切缝过宽使材料的蚀除量变大，加工速度也有所降低；若电极丝直径过小，则抗拉强度低，易断丝，而且切缝较窄，放电产物排除条件差，加工经常出现不稳定现象，导致加工速度降低。细电极丝的优点是可以得到较小半径的内尖角，加工精度能相应提高。,2. 走丝速度对工艺指标的影响 对于快走丝线切割机床，在一定的范围内，随着走丝速度的提高，有利于脉冲结束时放电通道迅速消电离。同时，高速运动的电极丝能把工作液带入厚度较大工件的放电间隙中，有利于排屑和放电加工稳定进行。故在一定加工条件下，随着丝
13、速的增大，加工速度提高。,快速走丝方式丝速对加工速度的影响,当走丝速度由1.4 m/s上升到79 m/s时，走丝速度对切割速度的影响非常明显。若再继续增大走丝速度，切割速度不仅不增大，反而开始下降，这是因为丝速再增大，排屑条件虽然仍在改善，蚀除作用基本不变，但是储丝筒一次排丝的运转时间减少，使其在一定时间内的正反向换向次数增多，非加工时间增多，从而使加工速度降低。,慢速走丝方式丝速对加工速度的影响,对慢走丝线切割机床来说，同样也是走丝速度越快，加工速度越快。因为慢走丝机床的电极丝的线速度范围约为每秒零点几毫米到几百毫米。这种走丝方式是比较平稳均匀的，电极丝抖动小，故加工出的零件表面粗糙度好、加
14、工精度高；但丝速慢导致放电产物不能及时被带出放电间隙，易造成短路及不稳定放电现象。,提高电极丝走丝速度，工作液容易被带入放电间隙，放电产物也容易排出间隙之外，故改善了间隙状态，进而可提高加工速度。但在一定的工艺条件下，当丝速达到某一值后，加工速度就趋向稳定。,3.3.2 工作液对工艺指标的影响 在相同的工作条件下，采用不同的工作液可以得到不同的加工速度、表面粗糙度。电火花线切割加工的切割速度与工作液的介电系数、流动性、洗涤性等有关。快走丝线切割机床的工作液有煤油、去离子水、乳化液、洗涤剂液、酒精溶液等。但由于煤油、酒精溶液加工时加工速度低、易燃烧，现已很少采用。目前，快走丝线切割工作液广泛采用
15、的是乳化液，其加工速度快。慢走丝线切割机床采用的工作液是去离子水和煤油。,3.3.3 工件材料及厚度对工艺指标的影响1工件材料对工艺指标的影响 工艺条件大体相同的情况下，工件材料的化学、物理性能不同，加工效果也将会有较大差异。 在慢速走丝方式、煤油介质情况下，加工铜件过程稳定，加工速度较快。加工硬质合金等高熔点、高硬度、高脆性材料时，加工稳定性及加工速度都比加工铜件低。加工钢件，特别是不锈钢、磁钢和未淬火或淬火硬度低的钢等材料时，加工稳定性差，加工速度低，表面粗糙度也差。,在快速走丝方式、乳化液介质的情况下，加工铜件、铝件时，加工过程稳定，加工速度快。加工不锈钢、磁钢、未淬火或淬火硬度低的高碳
16、钢时，加工稳定性差些，加工速度也低，表面粗糙度也差。加工硬质合金钢时，加工比较稳定，加工速度低，但表面粗糙度好。 材料不同，加工效果不同，这是因为工件材料不同，脉冲放电能量在两极上的分配、传导和转换都不同。从热学观点来看，材料的电火花加工性与其熔点、沸点有很大关系。,2工件厚度对工艺指标的影响 工件厚度对工作液进入和流出加工区域以及电蚀产物的排除、通道的消电离等都有较大的影响。同时，电火花通道压力对电极丝抖动的抑制作用也与工件厚度有关。这样，工件厚度对电火花加工稳定性和加工速度必然产生相应的影响。工件材料薄，工作液容易进入和充满放电间隙，对排屑和消电离有利，加工稳定性好。但是工件若太薄，对固定
17、丝架来说，电极丝从工件两端面到导轮的距离大，易发生抖动，对加工精度和表面粗糙度带来不良影响，且脉冲利用率低，切割速度下降；若工件材料太厚，工作液难进入和充满放电间隙，这样对排屑和消电离不利，加工稳定性差。,3.3.4 进给速度对工艺指标的影响 1进给速度对加工速度的影响 正常的电火花线切割加工就要保证进给速度与蚀除速度大致相等，使进给均匀平稳。若进给速度过高，即电极丝的进给速度明显超过蚀除速度，则放电间隙会越来越小，以致产生短路。当出现短路时，电极丝马上会产生短路而快速回退。当回退到一定的距离时，电极丝又以大于蚀除速度的速度向前进给，又开始产生短路、回退。这样频繁的短路现象，一方面造成加工的不
18、稳定，另一方面造成断丝；若进给速度太慢，即电极丝的进给速度明显落后于工件的蚀除速度，则电极丝与工件之间的距离越来越大，造成开路。这样出现工件蚀除过程暂时停顿，整个加工速度自然会大大降低。由此可见，在线切割加工中调节进给速度虽然本身并不具有提高加工速度的能力，但它能保证加工的稳定性。,2进给速度对工件表面质量的影响 进给速度调节不当，不但会造成频繁的短路、开路，而且还影响加工工件的表面粗糙度，致使出现不稳定条纹，或者出现表面烧蚀现象。分下列几种情况讨论： (1) 进给速度过高。这时工件蚀除的线速度低于进给速度，会频繁出现短路，造成加工不稳定，平均加工速度降低，加工表面发焦，呈褐色，工件的上下端面
19、均有过烧现象。,(2) 进给速度过低。这时工件蚀除的线速度大于进给速度，经常出现开路现象，导致加工不能连续进行，加工表面亦发焦，呈淡褐色，工件的上下端面也有过烧现象。 (3) 进给速度稍低。这时工件蚀除的线速度略高于进给速度，加工表面较粗、较白，两端面有黑白相间的条纹。 (4) 进给速度适宜。这时工件蚀除的线速度与进给速度相匹配，加工表面细而亮，丝纹均匀。因此，在这种情况下，能得到表面粗糙度好、精度高的加工效果。,4.电火花线切割编程,线切割加工的步骤,目前生产的线切割加工机床都有计算机自动编程功能，即可以将线切割加工的轨迹图形自动生成机床能够识别的程序。 线切割程序与其它数控机床的程序相比，
20、有如下特点： (1) 线切割程序普遍较短，很容易读懂。 (2) 国内线切割程序常用格式有3B(个别扩充为4B或5B)格式和ISO格式。其中慢走丝机床普遍采用ISO格式，快走丝机床大部分采用3B格式。,4.1 线切割3B代码程序格式 线切割加工轨迹图形是由直线和圆弧组成的，它们的3B程序指令格式如下表所示。,表3B程序指令格式,注：B为分隔符，它的作用是将X、Y、J数码区分开来；X、Y直线的终点或圆弧起点的坐标值；J为加工线段的计数长度；G为加工线段计数方向；Z为加工指令。,1. 直线的3B代码编程 1) x，y值的确定 (1) 以直线的起点为原点，建立正常的直角坐标系，x，y表示直线终点的坐标
21、绝对值，单位为m。 (2) 在直线3B代码中，x，y值主要是确定该直线的斜率，所以可将直线终点坐标的绝对值除以它们的最大公约数作为x，y的值，以简化数值。 (3) 若直线与X或Y轴重合，为区别一般直线，x，y均可写作0，且在B后可不写。,2) G的确定 G用来确定加工时的计数方向，分Gx和Gy。直线编程的计数方向的选取方法是：以要加工的直线的起点为原点，建立直角坐标系，取该直线终点坐标绝对值大的坐标轴为计数方向。具体确定方法为：若终点坐标为(xe，ye)，令x=|xe|，y=|ye|，若yx，则G=Gy (如图(b)所示)；若y=x，则在一、三象限取G=Gy，在二、四象限取G=Gx。由上可见，
22、计数方向的确定以45线为界，取与终点处走向较平行的轴作为计数方向，具体可参见图(c)。,G的确定,3) J的确定 J为计数长度，以m为单位。以前编程应写满六位数，不足六位前面补零，现在的机床基本上可以不用补零。 J的取值方法为：由计数方向G确定投影方向，若G=Gx，则将直线向X轴投影得到长度的绝对值即为J的值；若G=Gy，则将直线向Y轴投影得到长度的绝对值即为J的值。4) Z的确定 加工指令Z按照直线走向和终点的坐标不同可分为L1、L2、L3、L4，其中与+X轴重合的直线算作L1，与-X轴重合的直线算作L3，与+Y轴重合的直线算作L2，与-Y轴重合的直线算作L4。,Z的确定,2. 圆弧的3B代
23、码编程 1) x，y值的确定 以圆弧的圆心为原点，建立正常的直角坐标系，x，y表示圆弧起点坐标的绝对值，单位为m。,图 (a)中，x=30000，y=40000；图 (b)中，x=40000,y=30000,2) G的确定 G用来确定加工时的计数方向，分Gx和Gy。圆弧编程的计数方向的选取方法是：以某圆心为原点建立直角坐标系，取终点坐标绝对值小的轴为计数方向。具体确定方法为：若圆弧终点坐标为(xe，ye)，令x=|xe|，y=|ye|，若yx，则G=Gx (如图 (b)所示)；若y=x，则Gx、Gy均可。 由上可见，圆弧计数方向由圆弧终点的坐标绝对值大小决定，其确定方法与直线刚好相反，即取与圆
24、弧终点处走向较平行的轴作为计数方向，具体可参见图 (c)。,3) J的确定 圆弧编程中J的取值方法为：由计数方向G确定投影方向，若G=Gx，则将圆弧向X轴投影；若G=Gy，则将圆弧向Y轴投影。J值为各个象限圆弧投影长度绝对值的和。如在图 (a)、(b)中，J1、J2、J3大小分别如图中所示，J=|J1|+|J2|+|J3|。 4) Z的确定 加工指令Z按照第一步进入的象限可分为R1、R2、R3、R4；按切割的走向可分为顺圆S和逆圆N，于是共有8种指令：SR1、SR2、SR3、SR4、NR1、NR2、NR3、NR4，具体可参考下图。,Z的确定,例1 请写出下图所示轨迹的3B程序。,解 对图 (a
25、)，起点为A，终点为B，J=J1+J2+J3+J4=10000+50000+50000+20000=130000故其3B程序为：B30000 B40000 B130000 GY NR1对图 (b)，起点为B，终点为A，J=J1+J2+J3+J4=40000+50000+50000+30000=170000故其3B程序为：40000 B30000 B170000 GX SR4,例2 用3B代码编制加工图所示的线切割加工程序。已知线切割加工用的电极丝直径为0.18 mm，单边放电间隙为0.01 mm，图中A点为穿丝孔，加工方向沿ABCDEFGHA进行。,线切割切割图形,解 (1) 分析。现用线切割
26、加工凸模状的零件图，实际加工中由于钼丝半径和放电间隙的影响，钼丝中心运行的轨迹形状如图 (b)中虚线所示，即加工轨迹与零件图相差一个补偿量，补偿量的大小为在加工中需要注意的是EF圆弧的编程，圆弧EF(如图 (a)所示)与圆弧EF(如图 (b)所示)有较多不同点，它们的特点比较如下表所示。,表 圆弧EF和EF特点比较表,(2) 计算并编制圆弧EF的3B代码。在图 (b)中，最难编制的是圆弧EF，其具体计算过程如下： 以圆弧EF的圆心为坐标原点，建立直角坐标系，则E点的坐标为： = 0.1mm = 。 根据对称原理可得F的坐标为(-19.900，0.1)。 根据上述计算可知圆弧EF的终点坐标的Y的绝对值小，所以计数方向为Y。圆弧EF在第一、二、三、四象限分别向Y轴投影得到长度的绝对值分别为0.1 mm、19.9 mm、19.9 mm、0.1 mm，故J=40000。,圆弧EF首先在第一象限顺时针切割，故加工指令为SR1。由上可知，圆弧EF的3B代码为 (3) 经过上述分析计算，可得轨迹形状的3B程序，如下表所示。,表 切割轨迹3B程序,习题,电火花线切割加工的工艺和机理与电火花成形加工有哪些相同点和不同点？,
