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快走丝线切割技术


电火花线切割技术
一、原理 电火花加工又称放电加工, 加工时工件与加工用电极为极性不同 的电极对,电极对之间充满工作液,起到恢复电极间的绝缘状态及带 走放电时产生的热量的作用。在正常电火花加工过程中,电极与工件 不接触,而是保持一定的距离(称为间隙) ,在工件与电极间施加一 定的电压,当电极向工件进给至某一距离时,两极间的工作液介质被 击穿,局部产生火花放电,放电产生的

瞬时高温(8000 到 12000℃左 右)将电极对的表面材料融化(钕铁硼主相熔点 1185℃)甚至汽化, 逐步蚀除工件,通过控制连续不断地脉冲式的火花放电,就可将工件 材料按人们预想的要求予以蚀除,达到加工的目的。 其基本物理原理是自由正离子和电子在场中积累, 很快形成一个 被电离的导电通道。在这个阶段,两板间形成电流。导致粒子间发生 无数次碰撞,形成一个等离子区,并很快升高到 8000 到 12000 度的 高温,在两导体表面瞬间熔化一些材料,同时,由于电极和电介液的 汽化,形成一个气泡,并且它的压力规则上升直到非常高。然后电流 中断,温度突然降低,引起气泡内向爆炸,产生的动力把溶化的物质 抛出弹坑,然后被腐蚀的材料在电介液中重新凝结成小的球体,并被 电介液排走。然后通过 CNC(数控机床)控制的监测和管控,伺服机 构执行,使这种放电现象均匀一致,从而达到加工物被加工,使之成 为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。 (正负极表面的高温除使 工作液气化、热分解气化外,也使金属材料熔化甚至沸腾气化。这些

气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增,在放电间隙内成为气泡, 迅速热膨胀并产生爆炸。 观察电火花线切割加工过程可以看到气泡冒 出,同时有黑色的工作液流出,并可听到轻微而清脆的爆炸声。电火 花线切割加工主要靠热膨胀和局部微爆炸,使熔化、气化了的金属材 料抛出蚀除。 )

图 1 电火花线切割加工示意图 1 坐标工作台,2 夹具,3 工件,4 脉冲电源,5 工具电极 丝,6 导向轮,7 支架,8 工作液箱,9 储丝筒

电火花线切割是利用连续移动的细金属丝 (称为电极丝) 作电极, 对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型的一种加工机床。加工 时在线电极与工件之间存在的疏松接触式轻压放电现象。 通过多年观 察研究发现:当柔性电极丝与工件接近到通常认为的放电间隙(例如 8~10?m)时,并不发生火花放电,甚至当电极丝已接触到工件,从显 微镜中已看不到间隙时,也常常看不到火花,只有当工件将电极丝顶 弯并偏移一定距离(亚微米级 100-1000nm)时才发生正常的火花放电。 此时线电极每进给 1?m, 放电间隙并不减少 1?m, 而是电极丝增加一 点线间张力,而工件则增加一点侧向压力,显然,只有电极丝和工件 之间保持一定的轻微接触压力后才能形成火花放电。 据此认为在电极 丝和工件之间存在着某种电化学产生的绝缘薄膜介质, 当电极丝和工

件接触时因其在不停运动, 移动摩擦使该绝缘薄膜介质减薄到可被击 穿的程度才会发生火花放电。 二、特点 1、电极丝材料不必比工件材料硬; 2、加工过程中不直接接触工件; 3、利用电热加工,其影响加工的因素(脉冲宽度、间隔、电流 等)可调整,操作方便,便于自动化; 4、无需成型电极,工件材料预加工少; 5、电极丝很细,可加工复杂形状、微细异形孔、窄缝等,且其 切缝小,切除量小,损耗小,节约成本; 6、单位长度电极丝损耗小,对加工精度影响小。 三、应用范围 模具加工、 特殊形状、 难加工零件、 贵重材料加工、 多件叠加加工 (获 得一致尺寸) 、制造电火花成型用电极等。 四、工艺指标 1、切割速度 Vs 切割速度 Vs:单位时间内电极丝中心线在工件上切过的面积总和 称为切割速度,单位为 mm2/min。 2、表面粗糙度 Ra 表面粗糙度 Ra:用微观轮廓平面度的平均算术偏差值 Ra 来表示。 3、加工精度 加工精度:尺寸精度、形状精度、 (如:直线度、平面度、椭圆度) 加工精度 和位置精度(如:平行度、垂直度、倾斜度) ,其影响因素有:切割 轨迹的控制精度、机械传动精度、工件装夹定位精度及脉冲电源参数 的波动、 电极丝的直径误差以及损耗和抖动、 工作液脏污程度的变化、

加工者的熟练程度等。 4、 电极丝损耗θ: 电极丝损耗θ 可用电极丝在切割 10000 mm2 后电极丝减少量表示, 一般长 100m 的钼丝,切割 10000 mm2 电极丝直径减少 0.01mm。

五、各工艺参数对加工的影响 1、电参数 1.1、脉冲宽度 ti 的影响,增加脉冲宽度,切割速度提高,表面粗糙 脉冲宽度 度变差。 (增加脉冲宽度,则单脉冲放电能量增加,当 ti>40μs,加 工速度增加不多,而电极丝损耗却增大) 。[通常 ti 为 1~60μs,脉 冲频率为 10~100KHz] 1.2、脉冲间隔 t。的影响,减小脉冲间隔,切割速度提高,表面粗 脉冲间隔 糙度稍有增大,但太小,放电产物来不及排除,间隙间不能充分消除 电离,未回复绝缘状态,易造成烧伤工件或断丝。[一般 t。=4~8ti, 工件增厚,t。增加] 1.3、开路电压 ui 的影响,开路电压峰值提高,加工电流增大,切割 开路电压 速度提高,表面粗糙度差(高电压使加工间隙变大,有利于放电产物 排除,提高加工稳定性和脉冲利用率,但造成电极丝振动,降低加工 精度,加大电极丝损耗) 。 1.4、短路峰值电流 is 的影响,增加短路峰值电流,切割速度提高, 短路峰值电流 表面粗糙度会变差, (短路峰值电流大,相应的加工电流大,脉冲能 量大,放电痕变大,且电极丝损耗大,从而使加工精度降低。一般情 况下,is<40A,平均加工电流 I<5A)

1.5 放电波形的影响 放电波形的影响,电压波形前沿上升较缓,电极丝损耗较小,但 不利于脉冲宽度变窄,波形不易形成,降低切割速度。 1.6 加工极性的影响 线切割加工因脉冲宽度较窄, 加工极性的影响, 所以用正极加工, 即工件接正极,电极丝接负极, (选用正脉冲波) ,反接会降低切割速 度甚至不能进行切割,并且电极丝损耗大。 1.7 进给速度的影响 进给速度的影响,进给速度应紧密跟踪工件蚀除速度,以保持加 工间隙恒定在最佳之处。 (最好的进给速度应使有效放电状态的比例 尽量大,开路和短路状态比例尽量小,才能使加工速度、加工精度和 表面质量都达到最好状态。 )进给速度超过工件蚀除速度,容易造成 频繁短路,切割速度降低,表面粗糙度差,上下端面切成焦黄色,断 丝概率变大;反之,电极间隙偏大,偏于开路,直接影响切割速度, 且间隙中电极丝的振动造成时而开路时而短路, 直接影响加工表面粗 糙度。 2、非电参数 2.1 机械传动精度的影响 机械传动精度的影响,传动精度高,加工效果好。 2.1.1 坐标工作台传动精度的影响 坐标工作台传动精度很大程度上 坐标工作台传动精度的影响, 决定线切割的尺寸加工精度,其主要取决于四个因素:传动机构部件 传动机构部件 的精度(丝杆、螺母、齿轮、蜗杆、导轨等) 配合间隙 ;配合间隙 配合间隙(丝杆副、 的精度 齿轮副、蜗轮副及键等的配合间隙) 装配精度 ;装配精度 装配精度(主要是丝杆与螺母 的三线对中,齿轮的均匀配合涡轮蜗杆的吻合相切,纵横向两拖板的 丝杆与导轨的平行度两拖板导轨间的垂直度) 机床工作环境 ;机床工作环境 机床工作环境(温度、 湿度、防尘、震动等) 。坐标工作台传动精度差,移动的浮动量就大,

导致放电间隙经常发生短路或开路现象,使加工不稳定,常在加工表 面留下放电痕迹,甚至出现锯齿状条痕,加工精度和表面粗糙度差。 同时脉冲利用率低,降低加工速度,严重时造成断丝。 2.1.2 走丝机构传动精度的影响 电极丝在放电加工区域移动的平稳 走丝机构传动精度的影响, 程度,取决于走丝机构的传动精度,走丝不平稳、速度不均匀,影响 加工效果和丝的使用寿命,走丝速度越快,对加工的影响越大。电极 丝运动位置由导轮决定,主要由三方面造成:(1)导轮有径向跳动或 轴向窜动, 导致电极丝振动, 振幅与导轮跳动或窜动正相关。 实际上, 上下导轮的跳动(窜动)可能同时存在的,运动相对复杂,但可以从 工件的上下锥度来判断导轮是否有跳动, 是哪一个导轮或什么方向上 跳动大 (在电极丝切割方向里侧的工件对应尺寸较小一端的导轮在跳 动或跳动幅度更大, 同理, 在电极丝切割方向外侧对应尺寸 (较小?) 一端的导轮在跳动或跳动幅度更大) 。导轮有轴向窜动时也有类似的 后果。 (2)导轮的 V 形槽的圆角半径因磨损超过电极丝时,将不能保 证电极丝精确位置,通常磨损是不对称的,磨损越深,抖动越大;两 导轮轴线不平行,或 V 形槽的不在同一平面内,电极丝运动时不是靠 在同一侧面上,使电极丝正反方向不是靠在同一侧面上,加工平面上 产生反向条纹。V 形槽磨损主要原因有:电极丝高速正反方向运动; 导轮轴承安装不灵活,密封不好,运动阻力大;反向时,导轮不能立 即跟随反向;放电产物硬度高; (3)储丝筒振动,引起电极丝振动, 要保证储丝筒同心度。 因此减小电极丝抖动,除了保养好设备,保证装配精度,还可加宝石

限位器(电极丝保持器)使电极丝在放电间隙中减小振动。 2.2 电极丝及其走丝速度的影响 2.2.1 电极丝材料的影响 电极丝材料的影响,常用电极丝材料有钼丝、钨丝、钨钼丝, 常用规格为Ф0.10~0.30mm,常用电极丝种类和性能见下表: 材料 适用温度/℃ 伸 长 抗张力/ 长期 钨 钼 2000 2000 短期 2500 2300 2400 率/% 0 30 15 MPa 熔点/ ℃ 电阻率 备注 /Ω· cm 0.0612 较脆 0.0472 较韧 0.0532 脆韧适中

1200-1400 3400 700 2600

钨钼 2000

1000-1100 3000

2.2.2 电极丝直径的影响 电极丝直径的影响,电极丝直径小,则承受电流小,切缝窄, 不利于排屑和稳定加工,切割速度低;电极丝直径过大,切缝大,熔 蚀量大,切割阻力相应加大,不利于提高速度,因此,电极丝直径要 适中。最常用为Ф0.12~0.18mm。 2.2.3 电极丝上丝,紧丝的影响,电极丝上丝,紧丝的好坏直接影响 电极丝上丝,紧丝的影响 电极丝的张力。电极丝过松,抖动大;过紧,张力大,振动小,放电 效率相对高,可提高速度,但易断丝。 2.2.4 走丝速度的影响 走丝速度的影响,走丝速度高,则电极丝热应力小,减少断丝 和短路的几率,可相应提高切割速度,但电极丝抖动大,对导轮的 V 形槽磨损大,影响切割精度,电极丝寿命减短。 2.3 工件厚度的影响 工件厚度的影响,工件的切割厚度薄,有利于排屑和消电离,加 工稳定性好,但工件太薄,放电脉冲利用率低,效率低,且电极丝易 产生抖动,影响精度;工件厚,工作液,难于进入和充满放电间隙,

排屑差,易发生短路,影响精度,加工稳定性差,降低切割速度;但 排屑差 电极丝抖动小,又有利于提高加工速度和精度。因此注意根据工件厚 度选择脉冲间隔和脉冲宽度。 2.4 工件材料的影响 工件材料不同, 工件材料的影响, 其熔点, 汽化点, 热导率不同, 切割速度不同。 2.5 工作液的影响 增大工作液压力和流速, 工作液的影响, 排除蚀除物容易; 过高, 会引起电极丝的振动;过低不利于排屑,易短路,不能及时带走熔蚀 热,烧伤工件,发生断丝等。维持层流(直线流动)为限。 3、导轮参数及位置对锥度加工精度的影响 在锥度加工时, 导轮参数及导轮相对工件的位置对加工精度会产 生直接的影响(切入位置偏差) 。包括:上下导轮的距离(Z 轴高度) , 用 Hc-c 表示;下导轮中心到工件底面的距离,Hb 表示;工件厚度;导 轮半径 R。 3.1 上下导轮的距离 上下导轮的距离(Z 轴高度) ,产生锥度偏差Δβ。 3.2 下导轮中心到工件底面的距离 下导轮中心到工件底面的距离,如:ΔX=ΔHb·tanβ。 3.3 工件厚度 工件厚度, 3.4 导轮半径 R 及半径补偿, 及半径补偿 高速走丝是以导轮支撑高速运行的电极 丝, 当进行锥度加工时, 其支撑点将随着锥度的形成产生较小的变化, 产生位移误差,Δl=R/cosβ-R,针对这一误差,可在锥度控制系统中 加入导轮半径误差补偿功能(即随着锥度角的变化,对,导轮半径造 成的电极丝偏移进行实时补偿) 。 4、各因素对加工工艺指标影响相互关系图

脉冲间隔 电极丝材料、直径及速度

加工速度 工件材料及厚度 脉冲宽度 脉冲能量 加工进给速度 加工表面粗糙度 工作液种类、浓度、脏度 及流量 放电间隙大小 空载压力 机床机械运动精度 加工精度 控制系统控制精度 峰值电流

六、工件的装夹 1 桥式装夹:两点式、三点式、四点式,装夹稳定,调整容易, 但不适用太小的工件; 三点定平面, 调整容易, 四点式, 夹持更稳固, 但调整麻烦; 2 悬臂式装夹:用于较小型工件,工件受一点支撑,装夹简洁, 成本小,但易造成受力不均匀,且调整不方便; 3 钳式装夹:操作简单,两点支撑,稳定性优于悬臂式; 4 机外装夹:上一工件在加工中,可装夹另一工件,节约装夹和 找正时间,多用于悬臂式装夹。 七、工件找正 按划线找正、按基准孔或已成型孔找正、按外形找正。 八、调整变频进给速度 数控线切割的好坏, 在很大程度上取决于操作者调整进给速度是

否适宜,长期实践表明,用矩形波脉冲进行加工时,不管工件材料、 尺寸大小,一般调节加工电流为短路电流的 70~80%,严格从理论上 说,加工电流与短路电流比值β=1-uc/ui, uc 是火花放电维持电压, ui 是脉冲空载电压。 短路电流可用计算法或实测法得到。 用实测法将不同电压、不同脉宽和间隔比的短路电流列成表格, 以备随时查用。 变频进给是否处在最佳状态, 可用示波器监视工件和电极丝之间 的电压波形判断,速度过(高)跟踪时,加工波淡,短路波浓;欠跟 踪时,加工波淡,空载波浓;正常跟踪时,加工波浓,短路波和空载 波淡。
实频状态 过跟踪 欠跟踪 进给状态 慢而稳 忽快忽慢 不均匀 慢而稳 很稳 加工面状况 焦褐色 不光洁、易出深 沟 略焦褐,有条纹 发白,光洁 切割速度 低 低 电极丝 略焦,老化快 易烧丝,丝上 有白斑伤痕 焦色 发白,老化慢 变频调整 应减慢进给速度 应加快进给速度

欠佳跟踪 最佳跟踪

较快 快

应稍增加进给速度 不必调整

九、参考文献:
周晖著,数控电火花加工工艺与技巧,北京:化学工业出版社, 周晖著,数控电火花加工工艺与技巧,北京:化学工业出版社,2009.


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