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模具加工4电火花加工


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第4章 模具零件电火花加工

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教学内容与要求:
知识点 4.1电火花加工的基础知识 电火花加工基本原理、条件、特点 识读 理解 ☆ ☆ ☆ ☆ 要求 应用 重点 难点 ☆ ☆

电火花加工的微观过程 电火花加工常用术语和符号 4.2电火花成形加工




电火花成形加工机床
电火花成形加工控制参数和影响因素


☆ ☆ ☆

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知识点 电火花成形加工工具电极的设计制造 电火花成形时电极与工件的装夹定位 电火花成形加工的工艺过程及实例 4.3数控电火花线切割加工 电火花线切割加工原理特点应用范围 电火花线切割加工机床 数控电火花线切割控制系统编程方法 数控线切割加工工艺及常用夹具、工 件的正确装夹方法 工艺参数对数控线切割加工工艺影响 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ 识读 理解 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ 应用 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ 重点 ☆ 难点 ☆

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电火花加工:(电蚀加工或放电加工)
原理是基于工具和工件(正、负极)之间脉冲性火花放 电时的电腐蚀现象来蚀除多余金属,以达到零件的尺寸、 形状及表面质量要求。 工艺方法分类:电火花成形加工、电火花线切割、电火花 磨削、电火花展成加工、电火花表面强化和电火花刻字等

电火花线切割机床

电火花成形机床

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4.1电火花加工的基础知识
4.1.1电火花加工的基本原理及必要条件
1)工具电极和工件电极之间在加工 时必须保持一定的间隙,一般是几个微 米至数百微米。 2)火花放电必须在一定绝缘性能的 介质中,通常为煤油、去离子水等。工 作液还有冷却作用。。 3)放电点局部区域的功率密度足够 高(W=IV) 4)火花放电是瞬时的脉冲性放电, 持续时间一般为1~1000μs 。 5)在先后两次脉冲放电之间,应有 足够的停歇时间,排除电蚀产物,使电 极间介质充分消电离,恢复介电性能。

电火花加工原理

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4.1.2电火花加工的特点
优点: 加工材料的去除是靠放电的热作用实现的,而几乎与其力学 性能(硬度、强度)无关,因此适合于加工难以切削加工的材料。 工具电极和工件不接触,适宜加工低刚度及微细加工、复杂 表面形状工件的加工。 直接用电能进行加工,易于数字控制、智能控制。 局限性: 用于导电材料的加工 加工速度较慢 存在电极损耗。

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4.1.3电火花加工的微观过程
1.极间介质的击穿与放电

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4.1.3电火花加工的微观过程
1.极间介质的击穿与放电
由于工具电极和工件的微观表面是凹凸不平的,极间距离又很 小, 因而极间电场强度是很不均匀的,两极之间离得最近的突出点 或尖端处的电场强度一般为最大。 放电通道是由数量大体相等的带正电(正离子)和带负电粒子 (电子)以及中性粒子(原子或分子)组成的等离子体。带电粒子 高速运动时相互碰撞,产生大量的热,使通道温度相当高,但分布 是不均匀的,从通道中心向边缘逐渐降低,通道中心温度可高达 10000℃以上。 在放电过程中,同时还伴随着一系列派生现象, 其中有热效应、电磁效应、光效应、声效应及频率 范围很宽的电磁波辐射和爆炸冲击波等。

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2.能量的转换、分布与传递
极间介质一旦被击穿,脉冲电源就通过放电通道瞬时释 放能量,把电能转换为热能、动能、磁能、光能、声能及电 磁波辐射能等(其中大部分转换成热能),使两极放电点和通 道本身温度剧增,该处即产生局部的熔化或汽化,通道中的 介质也汽化或热裂分解。 热源产生了很高的温度熔化和汽化了电极材料。

电火花加工表面局部放大图

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3.电极材料的抛出
(1)抛出条件(原因):
a.热爆力 b.气泡

c.材料低压再沸腾 (2)形状 a.表面张力 b.内聚力 (3)电蚀产物抛出聚集区

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4.极间介质的消电离
一次脉冲放电结束,此后还应有一段间隔时间,使间隙 介质消电离,即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子,恢

复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度,以免总是重复在同 一处发生放电而导致电弧放电,这样可以保证按两极相对最 近处或电阻率最小处形成下一击穿放电通道。
作用:(1)有足够的停歇时间消电离 (2)排除电蚀产物 (3)排除热量

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4.1.4电火花加工常用术语和符号

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8)脉冲宽度ti(?s) 电压脉冲持续时间,粗加工时,用较大的 脉宽,ti>100?s;精加工时,只能用较小的脉宽,ti<50?s。 9)脉冲间隔to(?s) 两个电压脉冲之间的间隔时间。

脉冲参数与电火花加工时的5种放电状态

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10)放电时间(电流脉宽)te(?s) 放电时间是工作 液介质击穿后放电间隙中流过放电电流的时间, 11)击穿延时td(?s) 从间隙两端加上脉冲电压后, 一经过1小段的延续时间td,工作液介质才能概率性地被击穿 放电,此时间称为击穿延时 12)脉冲周期tp(?s) 一个电压脉冲开始到下一个电 压脉冲开始之前的时间称为脉冲周期,显然tp=ti+to 。精 加工时小,粗加工时大; 13)开路电压(空载电压)或峰值电压ui(V)
14) 加工电流I(A) 加工时电流表上指示的流过放电 间隙的平均电流。精加工时小,粗加工时大;间隙偏开路时小,

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15) 峰值电流ie(A) 值(瞬时)。 是间隙火花放电时脉冲电流的最大

16) 正、负极性加工 加工时以工件为准,工件接脉冲电 源正极(高电位端),称为正极性加工;反之,工件接电源 负极(低电位端),则称为负极性加工。 17)放电状态 放电状态是指电火花加工时放电间隙内 每一脉冲放电时的基本状态,一般分为五种放电状态。 ①开路:放电间隙没有被击穿 ②火花放电:

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③短路:放电间隙直接短路连接。

④电弧放电:由于排屑不良,放电点集中在某一局部而 不分散,局部热量积累,温度升高,恶性循环,此时火花放 电就成为电弧放电。 ⑤过渡电弧放电。 18)加工速度 是单位时间内( min)从工件上蚀除加 工下来的金属体积( )以质量(g)计算时用Vm表示。 19)损耗速度VE( /min或g/min) 单位时间内(min) 工具电极的损耗量。

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正、负极加工

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4.2电火花成形加工

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4.2电火花成形加工
4.2.1 电火花成形加工机床

1-床身;2-过滤器;3-工作台;4-主轴头;5-立柱;6-液压泵;7-电源箱

1.床身和立柱 确保电极与工作台、工件与工件之间的相互位置精度。 2.工作台 支承与装夹工件,容纳工作液。

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3.主轴头
主轴头是电火花成形加工机床的一个关键部件,在结构上 由伺服进给机构(步进电动机、直流电动机或交流伺服电动机 作进给驱动)、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成。
主轴头的好坏直接影响加工的工艺指标, 要求: 1)有一定的轴向和侧向刚度及精度; 2)有足够的进给和回升速度; 3)主轴运动的直线性和防扭转性能好; 4)灵敏度要高,无爬行现象; 5)具备合理的承载电极质量的能力。
外罩壳 齿轮 游标 0 1 2 3 标尺 拖板 伺服电机 百分表

电极连接法兰

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平动头
平动头是一个使装在其上的电极能产生向外机 械补偿动作的工艺附件。在采用单电极加工型腔时, 可以补偿上一个加工规准和下一个加工规准之间的

放电间隙差。

平动头包括两部分: 1)是由电动机驱动的偏心机构, 2)是平动轨迹保持机构。 工作原理:平动头将伺服电动机的旋转运动 转化成工具电极上每一个质点都在水平面内围绕 其原始位置做平面圆周平移运动。
平动加工时电极的运动轨迹

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平动头加工的特点: 用一个工具电极就能由粗至精直接加工出工件(由粗加 工转至精加工时,放电规准、放电间隙要减小); 平动头的结构形式:停机手动调偏心量平动头、不停机调 偏心量平动头、数控平动头。
电极

(a) 电 极在 最左

(b) 电 极在 最上

(c) 电 极在 最右

(d) 电 极在 最下

(e) 电 极平 动后 的轨 迹

平动头扩大间隙原理图

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4.电火花加工机床的工作液和循环过滤系统
工作液的作用:
1)放电结束后恢复放电间隙的绝缘状态(消电离),以便下 一个脉冲电压再次形成火花放电。

2)使电蚀产物较易从放电间隙中悬浮、排泄出去 3)冷却工具电极和降低工件 4)工作液还可压缩火花放电通道,增加通道中压缩气体、等 离子体的膨胀及爆炸力,以抛出更多熔化和气化了的金属,增 加蚀除量。
工作液循环过滤系统 冲、抽油方式如图4.2.3

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5.电火花成型机床的脉冲电源
作用是把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流, 供给火花放电间隙所需要的能量来蚀除金属 。
脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工速度、加 工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响。

6.电火花加工机床的伺服进给
为了使加工过程连续进行,电极必须不断、及时地调节 进给速度,以维持所需要的放电间隙,当外来干扰使放电 间隙发生变化,电极的进给也应随之作相应的变化。

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4.2.2电火花成形加工的控制参数和主要影响因素
1.电火花成形加工的控制参数

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一些主要控制参数对工艺指标的影响程度

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2.影响工件加工速度、工具电极的损耗速度的主要因素

短脉冲加工:正极材料的蚀除速度大于负极材料的蚀除速度,采用正 极性加工; 长脉冲加工:长脉冲时负极的蚀除速度要比正极大,采用负极性加工。

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(2)工具电极材料的影响

石墨电极

铜电极

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耐蚀性高的电极材料有:钨、钼、铜钨合金、银钨合金、 纯铜及石墨电极等。 钨、钼、铜钨合金、银钨合金、熔点和沸点都较高,损耗 小,但其机械加工性能不好,价格又贵,仅在少数的超精密电

火花加工中采用。
铜的导热性好,会使电极表面保持较低温度从而减少电极

损耗 ,纯铜不易产生电弧,在较困难的条件下也能实现稳定
加工;精加工时比石墨电极损耗小,易于加工成精密、微细的 花纹,采用精微加工能达到Ra1.25μm的表面粗糙度; 但纯铜的机械加工性能不如石墨好。

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石墨电极的优点:
机械加工成形容易(但不易做成精密、微细的花纹);

电火花加工的性能也很好,在长脉冲粗加工时能吸附游 离的碳来补偿电极的损耗。

石墨电极的缺点:
石墨电极容易产生电弧烧伤现象,精加工时电极损耗较 大,加工表面只能达到成Ra2.5μm。 对石墨电极材料的要求是颗粒小、组织细密、强度高和 导电性好。

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(3)电参数的影响
蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比,某一

段时间内的总蚀除量等于这段时间内各单个脉冲蚀除量
的总和。 提高电蚀量和生产率的途径: 1)减小脉冲间隔,提高脉冲频率; 2)增加放电电流及脉冲宽度,增加单个脉冲能量。

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3.影响工件加工精度的主要因素 (1)放电间隙
(1)电加工时,工具电极的凹角与尖角很难精确复制在工 件上,因为在棱角部位电场分布不均,间隙越大,这种现 象越严重。为了减小加工误差,应缩小放电间隙,精加 工的放电间隙0.01~0.03mm,粗加工放电间隙0.5mm。

二次放电造成 的侧面加工斜度

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(2)工具电极的损耗
加工深度方向上产生斜度,棱角R; 原因:工具电极下端由于加工时间长在型腔入口处由于电 蚀产物的存在而容易产生二次放电

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4.影响工件表面质量的主要因素

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4.2.3电火花成形加工工具电极的设计与制造 1.对电极的技术要求
1)电极的几何形状要和模具型孔或型腔的几何形状完全 相同,其尺寸大小根据模具型孔或型腔的尺寸及公差、放电 间隙的大小、凸模与凹模配合间隙来决定; 2)电极的尺寸精度不低于IT7级精度; 3)电极的表面粗糙度应在Ra0.63~1.25μm以上,如果采 用铸铁或铸铜时,表面不能有砂眼; 4)各表面的平行度,100 mm长度内不能大于0.01~ 0.02mm; 5)电极加工成形后变形小,具有一定强度。

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2.电极材料 要求:损耗小、加工过程稳定、生产率高、 易于制造加工及成本低廉的材料。 常用的电极材料有:铸铁、钢、纯铜、黄铜、 铜钨合金、银钨合金、石墨等。

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电火花成形加工常用电极及其性能

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(1)铸铁电极的电极损耗和加工稳定性均较一般,容易起

弧,生产率不及铜电极。但是价格低廉、并且机械加工性能
好。因此,铸铁是一种较常用的电极材料多用于穿孔加工。 (2)钢电极的加工稳定性较差、电极损耗较大、生产率也

较低、但是价格便宜、具有良好的机械加工性能。钢电极还
有其独特的优点,即把加长的部分就用作电极。电火花加工 后,把损耗部分切除掉,余下部分可做凸模使用。 钢为常用的电极材料之一,多用于一般的穿孔加工。

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(3)纯铜电极在加工过程中稳定性好、生产率高、但损耗较
大、来源少、价格较贵。由于其韧性大,机械加工性能差、磨 削加工困难,其加工精度较低。 纯铜电极适用小型腔及高精度型腔的加工。 (4)黄铜电极在加工过程中稳定性好、生产率高、与纯铜电 极相比价格较低、机械加工性能尚好,但其磨削性能不如钢和

铸铁。而黄铜电极的损耗最大。
因此,黄铜电极一般用在表面粗糙度较低,尺寸、形状精 度要求较高及形状复杂的小孔穿孔加工。

(5)石墨电极的电极损耗小、加工稳定性尚好、易
于加工、生产率最高、其价格与铜大体相同,但机 械强度较差,尖角处易崩裂。 石墨是电火花型腔加工的常用电极材料,适用于 大、中、小型腔。由于石墨的热胀系数小,适于大 电极的穿孔加工。

(6)铜钨合金和银钨合金的加工稳定性均很好,电

极损耗也均很小,它们的电加工性能优越,而机械
加工性能尚好,其磨削性比铜好。 但其价格较高,比铜的价格高40倍。主要用于 模具中高精度的深孔、直壁孔等的穿孔加工和加工 面积小且高精度的型腔加工,以及硬质合金模具的

加工。
银钨合金的价格更高,约为铜的100倍,所以它

的使用受到限制,只用于硬质合金模具的加工。

3 电极的结构形式 (1)整体电极 整体电极就是用一整块电极材料加工出的完整电 极,这是型孔或型腔加工中最常用的电极结构形式 。

阶梯式整体电极 在原有的电极上适当增长,而增长部分的截面尺寸适当均 匀减小(f=0.1~0.3mm),呈阶梯形。

a)无固定板式; b)有固定板式 图4.9整体电极结构形式 1-冲油孔; 2-石墨电极; 3-电极固定板

图4.10阶梯式整体电极

(2)组合电极 把多个电极组合装夹在一起。 采用组合电极加工,生产率高,各型孔间的位置精 度也较为准确,但必须保证组合电极各电极间的定位 精度。

图4.11组合电极

1)分解式电极 当工件形状比较复杂,则可将电极分解成 简单的几何形状。

图4.12分解式电极

图4.13镶拼式电极

2)镶拼式电极 对形状复杂而制造困难的电极,可分解成 几块形状简单的电极来加工,加工后镶拼成整体的电极 。

4.电极尺寸的确定

(1)电极横截面尺寸的确定 电极横截面尺寸是根据凹模(或凸模)的尺寸及公差, 凸模、凹模配合间隙和放电间隙的大小确定的。 1)按凹模尺寸和公差确定电极横截面尺寸

凹模尺寸及公差标注

凸模尺寸及公差标注

图4.14

a ? ( A ? 2S ? ? ) 0 ??

b ? (B ? 2S ? ? )

c ? C ??

?? 0

r1 ? ( R1 ? S ? ? )

?? 0
0 ??

r2 ? ( R2 ? S ? ? )

式中:S——单面放电间隙; δ——电极制造公差,通常取模具公差Δ 的1/2~2/3,并 按“入体原则”标注。

2)按凸模尺寸和公差确定电极横截面尺寸 ①凸模、凹模单边配合间隙等于放电间隙(S=Z/2)a)图 电极横截面尺寸和凸模截面尺寸完全相同,电极公差取凸 模制造公差的1/2~3/2。 ②凸模、凹模单边配合间隙小于放电间隙(S < Z/2)b)图: 电极应按凸模四周每边均匀缩小一个值(S-Z/2),

a ? [ A ? 2(S ? Z / 2)]0 ??

电极横截面尺寸计算公式如下:

a ? [ A ? 2(S ? Z / 2)]0 ??

c ? C ??

? b ? [ B ? 2(S ? Z / 2)]0

?? r1 ? [ R1 ? (S ? Z / 2)]0

r2 ? [R2 ? (S ? Z / 2)]0 ??

③凸模、凹模配合间隙大于放电间隙 (Z/2>S),电极应按凸模四周每边均匀放大一个值 (Z/2-S), 电极横截面尺寸计算公式如下:

a ? [ A ? 2(Z / 2 ? S )] b ? [ B ? 2(Z / 2 ? S )] c ? C ?? ?? r1 ? [ R1 ? (Z / 2 ? S )]0
r2 ? [R2 ? (Z / 2 ? S )]
0 ??

0 ?? ?? 0
式中S——单面放电间隙; Z/2——凸模、凹模单边间隙; δ——电极制造公差,取模具公 差Δ 的1/2~2/3。

(2)电极长度的确定
1)穿孔加工电极长度的确定 图4.16所示为穿孔 加工用电极长度。电极长度按下式计算:

? ?t ? ?1.3 ~ 1.8?T1 ? ? ??1.6 ~ 2.0?? T T2 ?
式中 : L——电极总长度; L1—精加工用的电极长度;L2—粗中加工用的电极长度; t—电极长度损耗(用铸铁电极,加工钢模具, t =0.9T1;加工硬质合金模具, t =1.7T1 。 用钢电极,加工钢模具, t =1.1T1;加工硬质合金模具, t =2.1T1); T1—凹模有效刃口厚度; T2—凹模中有较大斜度的漏料部分厚度; β T—粗中加工的电极端面损耗比。

L ? L1 ? L2

2)型腔加工电极纵截面尺寸的确定图4.17

H ?H
'

R1' ? R1 ? S ' R2 ? R2 ? S

B ' ? B ? 2S tan (90? ? ? ) / 2

?

?
图4.17加工型腔电极纵截面尺寸

式中:S为单面放电间隙;H、R1、 H′、R1′、R2′、B′为电极尺寸。

R2、B为型腔要求尺寸;

5.电极的制造
(1)机械加工方法 对于纯铜、黄铜一类的电极,由于不能用成形磨削加工, 一般可用仿形刨床加工而成,并经钳工锉削进行最后修整。

(2)电极与凸模联合成形磨削 这种方法的电极材料大多选用铸铁和钢。当电极材料为铸铁 时,电极与凸模常用环氧树脂等胶合在一起,如图4.18所示。

当凸、凹模的配合间隙大于放电间隙时,电极的轮廓尺 寸应大于凸模的轮廓尺寸,则需用电镀法将电极扩大到设 计尺寸。 当凸、凹模的配合间隙小于放电间隙时,电极的轮廓尺 寸应小于凸模的轮廓尺寸则可用化学腐蚀法将电极尺寸缩 小至设计尺寸。

(3)电极制造常用工艺
电极制造常用工艺一般可按下述工序进行: 1)刨(或铣):按图样要求刨或铣所要求的形状的电极 毛坯(若是圆形可车削),按最大外形尺寸留1mm左右精加工 余量。 2)平磨:在平面磨床上磨两端面及相邻两侧面(对铜及 石墨电极应在小台钳上,用刮研的方法刮平或磨平)。 3)划线:按图样要求在划线平台上划线。 4)刨(或铣):按划线轮廓,在刨床或铣床上加工成形,并留 有0.2~0.4mm的精加工余量。形状复杂的可适当加大,但不超 过0.8mm。

5)钳工:钻、攻电极装夹螺孔。

6)热处理:指采用钢电极时,按图样要求淬火。 7)精加工电极:对于铸铁或钢电极,在有条件的情况下, 可用成形磨削加工成形;而对于铜电极,可在仿形刨床上进行 仿刨成形。 8)化学腐蚀或电镀:指电极与凸模联合加工(或阶梯电极) 时,对小间隙模具采用化学腐蚀,对大间隙模具采用电镀。 9)钳工修整:指对铜电极的精修成形。

(4)由线切割加工电极
在特殊需要的场合下可用线切割加工电极,如异形截面和薄 片电极。

(5)石墨电极的加工

机械加工

线切割加工

采用传统的机械加工,即车、铣、刨、磨、手工修磨,样 板检验等方适用于单件或少量电极的加工。 要批量生产石墨电极时,采用压力振动加工方法。

a) 石墨压制时的施压方向 b) 拼合不合理

c) 拼合合理

4.2.4电火花成形时电极与工件的装夹与定位 1.电极装夹夹具 (1)整体式电极装夹夹具 通用夹具直接装夹在电火花机床主轴头下端。

(2)镶拼式电极装夹夹具

(3)多电极装夹夹具

图4.26多电极装夹通用夹具 1-电极;2-标准垫块;3-夹具体

(3)多电极装夹夹具

图4.27 多电极装夹的专用夹具 1-电极;2-夹具体

图4.28转子硅钢片冲孔凹模的多电极装夹专用夹具 1-衬圈; 2-镶块;3-热套圈;4-斜销;5-电极

(3)多电极装夹夹具

(4)电极装夹的调节装置
电极及其装夹夹具安装在电加工机床主轴头上后,必 须对电极进行校正,使其轴心线平行于主轴头的轴线 (或垂直于机床的工作台面)。有时还要调节沿电极 轴线的回转角,以使电极横剖面的基准与机床纵横滑 板平行。

2.电极与工件间的定位方法
(1)电极校正

2.电极与工件间的定位方法
(2)工件固定 (3)工件校正

主轴头 百分表架 Y X 磁性吸盘

工件

2.电极与工件间的定位方法

图4.33测定器法 图4-42量块角尺法 1-凹模;2-电极;3-量块;4-角尺 1-凹模;2-电极;3-量块; 4-测定器;5-千分表

图4.34用角尺、千分表在工作台上定位 1-千分表;2-角尺;3-工作台; 4-凹模;5-电极

2.电极与工件间的定位方法

图4.35用同心环(轮毂)定位的方法

图4.36套板和定位销定位方法

图4.37角尺测十字线的定位方法 1-凹模板;2-刀口角尺;3-电极固定板

电极相对于工件定位:
是指将已安装校正好的电极对准工件上的加工位 置,以保证加工的孔或型腔在凹模上的位置精度。

Y+ X- X+ Y-

电极

目前生产的大多数 电火花机床都有接 触感知功能,通过 接触感知功能能较 精确地实现电极相 对工件的定位。

4.2.5电火花成形加工的工艺过程及实例
1.冲压模具电火花加工工艺过程及实例 冲模采用电火花加工工艺有如下优点: 1)可以在工件淬火后进行加工,避免了热处理变形的影响;

2)冲模的配合间隙均匀,刃口耐磨,提高了模具质量;
3)不受材料硬度的限制,可以加工硬质合金等冲模,扩大了 模具材料的选用范围。

4)对于中小型复杂凹模,可以不用镶拼结构,而采用整体
式,可以简化模具结构。

(1)冲模的电火花加工工艺方法
1)“钢打钢”、“反打正用”直接配合法 该方法是直接 用加长的钢凸模(可用线切割或成型磨削加工出此凸模)作 为电极直接加工凹模,。 凸、凹模单边间隙最小可达0.01~0.02mm
凸模刃口 主轴头 主轴头 主轴头

工具电极 (冲 头 ) 工件 (凹 模 )

工具电极 (冲 头 ) 工件 (凹 模 )

工具电极 (冲 头 ) 工件 (凹 模 )

凸模刃口

切除部分

(a) 加工前

(b) 加工后

(c) 切除损耗部分

2)间接配合法 间接配合法是将电火花性能良好的电极材料与冲头材料 粘结在一起,共同线切割或磨削成型。然后,用电极材料的 一端作为加工端,将工件反置固定,用“反打正用”的方法 实行。

1-电极夹头;2-凸模刃口;3-凸模;4-凹模(工件);5-电极;6-凹模刃口

3)阶梯工具电极加工法
阶梯工具电极加工法,其应用有两种: 当无预孔或加工余量较大时,可以将工具电极制作为阶梯 状,将工具电极分为两段,即缩小了尺寸的粗加工段和保持凸 模尺寸的精加工段,如图4.41 a、b。 在加工小间隙、无间隙的冷冲压模具时,可将凸模加长 后加工或腐蚀成阶梯状,使阶梯的精加工段与凸模有均匀的尺 寸差,通过电加工规准对放电间隙尺寸控制,图c) 。

a)

b)

c)

图4.41用阶梯工具电极加工冲模 1 -精加工段;2-工具电极;3-粗加工段;4-工件;5-凸模

(2)电规准的选择及转换 所谓电规准是指电火花加工过程中一组电参数,如电压、电 流、脉宽、脉间等。冲模加工中,常选择粗、中、精三种规准。

精规准用来最终保证模具所要求的配合间隙、表面粗糙度、 刃口斜度等质量指标。故应采用小电流、高的频率、短的脉冲宽 度。精规准其生产率较低,电极损耗较大。

(3)冲模的电火花加工工艺实例

工艺过程见表4.3为冲模的电火花加工工艺实例

2.型腔模电火花加工工艺过程及实例
(1)型腔模电火花加工方法 1)单工具电极直接成形法 单工具电极直接成形法主要用于加工深度很浅的浅型腔 模。如各种纪念章、证章的花纹模,以及工艺美术图案、浮 雕、文字;也可用于加工无直壁的型腔模具或成形表面。
2)单电极平动、摇动加工法 单电极平动法在型腔模电火加工中应用最广泛。它是采用 一个电极完成型腔的粗、中、精加工。首先采用低损耗(< 1%)、高生产率的粗规准进行加工,然后利用平动头作平面 小圆运动,如图4.42所示,

同时,依次加大电极的平动量,以补偿前后两个加工规准 之间型腔侧面放电间隙差和表面微观不平度差,实现型腔侧面 仿型修光。

图4.42平动头扩大间隙原理图

图4.43平动加工的优点

摇动加工法:

图4.44 几种典型的摇动式加工实例 R1-起始半径;R2-终止半径;R-球面半径

3)多工具电极更换法 在没有平动或摇动加工的条件时,可采用多工具电极更 换法,它是采用多个工具电极依次更换加工同一型腔,每个 电极加工时必须把上一规准的放电痕迹去掉。一般用两个电 极进行粗、精加工就可满足要求。 但要求多个电极的一致性好、制造精度高;更换电极时 要求定位、装夹精度高。

粗加工电极

精加工电极

(a) 粗加工

(b) 更换大电极精加工

4)分解工具电极法
分解工具电极法是单工具电极平动法和多工具电极更换 法的综合应用。它工艺灵活性强,仿形精度高,适用于尖角窄 缝、沉孔、深槽多的复杂型腔模具加工。 根据型腔的几何形状,把工具电极分解为主型腔工具电极 和副型腔工具电极分别制造,分别使用。 主型腔工具电极一般完成去除量大、形状简单的主型腔 ; 形状复杂(如尖角、窄槽、花纹等)的副型腔加工用副型腔工 具电极 。

(2)电火花加工型腔时电规准的选择、转换和平动量的分配 粗加工时,要求高生产率和低电极损耗,这时应优先考虑

采用较宽的脉冲宽度(例如在400μs以上)然后选择合适的脉冲 峰值电流,并应注意加工面积和加工电流之间的配合关系。 。 中规准与粗规准之间并没有明显的界限,应按具体加工对象 划分。一般选用脉冲宽度为20~400μs、电流峰值为10~25A,进 行中规准加工。 精规准加工时,一般都选用窄脉宽(ti=2~20μm)、小峰值 电流(<10A)进行加工。因此,电极损耗率较大,一般为 10%~20%。

加工规准转换的档数

应根据所加工型腔的精度,形状复杂程度和尺寸
大小等具体条件确定。 每次规准转换后的进给深度,应等于或稍大于上 档规准形成的Rmax表面粗糙度值的一半,或当加工表 面刚好达到本档规准对应的表面粗糙度时,就应及时

转换规准。

平动量的分配 取决于被加工表面由粗变细的修光量,和电极损耗, 与平动头原始偏心量、主轴进给运动的精度等有关。 中规准加工平动量为总平动量的75%~80%; 精规准(修光)平动量为总平动量15%~25%。 原则上每次平动或摇动的扩大量,应等于或稍小于上 次加工后遗留下来的最大表面粗糙度(不平度)值Rmax (μm),至少应修去上次留下Rmax(μm)的1/2。本次 平动(摇动)修光后,又残留下一个新的不平度Rmax,有待 于下次平动(摇动)修去其1/2~1/3。

(3)型腔电火花加工工艺实例

实例1:表4.4为洗衣机调节螺母注塑模型腔电 火花加工工艺实例。 实例2:表4.5为塑料叶轮注塑模型腔电火花加 工工艺实例。

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4.3数控电火花线切割加工

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电火花线切割加工(Wire Cut EDM,简称 WEDM)简称线切割,是用线状电极(钼丝或铜丝) 靠火花放电对工件进行切割。

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4.3.1电火花线切割加工原理、特点及应用范围
1.线切割加工的原理 是利用移动的细金属导线(铜丝或钼丝)作电极,对工 件进行脉冲火花放电切割成形。

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分类

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2.线切割加工的特点
(1)不需要制造复杂电极; (2)工件材料被蚀除量很少,加工速度高,切割余料可 再利用; (3)能加工出各种复杂的精密零件及各种微槽和窄缝; (4)电极丝在加工中是移动的,电极丝单位长度上损耗 小,对加工精度影响小(慢走丝电极丝是一次性使用); (5)电火花线切割采用精规准一次加工成形,属正极性 加工,工件常接电源正极。

3.线切割加工的应用范围 (1)加工模具
(2)加工电火花成形用的电极 (3)加工产品的零件

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4.3.2电火花线切割加工机床
高速走丝线切割加工设备组成 图4.47

图4.47高速走丝线切割加工设备组成 1-立柱;2-卷丝筒;3-走丝拖板;4-上丝架;5-下丝架;6-照明灯; 7-X拖板;8-Y拖板;9-床身;10电源、控制柜

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4.3.2电火花线切割加工机床
低速走丝线切割加工设备示意图

图4.48低速走丝线切割加工设备组成 1-y轴电机;2-伺服电器;3-控制电器;4- x轴电机;5-新丝放丝卷 筒; 6-制动器;7-铜丝;8、13-导向器;9-泵;10-去离子水; 11-脉冲电源;12-工件;14-卷绕滚子;15-废丝卷筒

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(1).床身部分
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。 床身内部安置电源和工作液箱,有些机床将电源和工作液箱 移出床身外另行安放。

(2)坐标工作台部分
一般都采用“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。

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(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。

图4.49 高速走丝系统

图4.50低速走丝系统

2.脉冲电源

脉冲电源又称高频电源,其作用是把普通的50Hz交流电转 换成高频率的单向脉冲电压。 线切割加工脉冲电源的脉宽较窄(2~60μs),单个脉冲能量、 平均电流(1~5A)一般较小。加工时,总是采用正极性加工。

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3.控制装置
加工控制包括进给控制、短路回退、间隙补偿、图形缩放、 旋转和平移、自动找中心、信息显示、自诊断功能等。 快走丝线切割,其控制精度为土0.001 mm,加工精度为土 0.01mm。 4.工作液循环系统 工作液循环系统由工作液、工作液箱、工作液泵和循环导 管组成。 高速走丝线切割机床使用的工作液是专用乳化液,通常采 用浇注式供液方式; 低速走丝线切割机床大多采用去离子水作工作液,只有在 特殊精加工时,才采用绝缘性能较高的煤油。对低速走丝机床, 近年来有些采用浸泡式供液方式。

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4.3.3数控电火花线切割控制系统及编程方法 1.数控电火花线切割控制系统 按加工要求自动控制电极丝相对工件的运动轨迹; 自动控制伺服进给速度来实现对工件的形状和尺寸加工。 1)轨迹控制 精确控制电极丝相对于工件的运动轨迹,以获 得所需的形状和尺寸。 2)加工控制 主要包括对伺服进给速度、电源装置、走丝机 构、工作液系统以及其他的机床操作控制。 断电记忆、故障报警、安全控制及自诊断功能也是控制重要 的内容。

数字程序控制过程框图

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图4.3.6为数字程序控制过程框图。

图4.3.6数字程序控制过程框图

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2.轨迹控制原理(逐点比较法)
高速走丝数控线切割大多采用简单易行的逐点比较法。此法 在X、Y两个方向不能同时进给,只能按直线的斜度或圆弧的曲 率来交替地一步一个微米地分步“插补”进给。采用逐点比较 法时,X或Y每进给一步,每次插补过程都要进行以下四个工作 节拍(图4.52)

1)偏差判别 判别加工坐标点对规定几何轨迹的偏离位置,以决定拖 板的走向。用F代表偏差值,F=0,表示加工点恰好在线(轨 迹)上。F>0,加工点在线的上方或左方,F<0,加工点在线 的下方或右方,以此来决定第二拍进给的轴向和方向。

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2)进给
根据F值控制坐标工作台沿+X或-X向;+Y或-Y向进给。

3)偏差计算
由机床数控装置根据数控程序计算出新的加工点与规定图形 轨迹之间的偏差,作为下一步判别走向的依据。

图4.52插补过程的工作节拍

4)终点判断
根据计数长度判断是否到达程序规定的加工终点。

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3. 数控电火花线切割编程方法
(1)3B格式程序编制 (表4.6)

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编程方法

1)平面坐标系和坐标值x、y的确定
工作台平面为坐标平面;左右方向为x轴,且向左为正;前 后方向为y轴,且向前为正。坐标系的原点随程序段的不同而 变化; 加工直线时,以该直线的起点为坐标系的原点,把直线终 点的坐标值作为x、y,均取绝对值,单位为?m; 加工圆弧时,以该圆弧的圆心为坐标系的原点,圆弧起点 的坐标值作为x、y,均取绝对值,单位为?m。

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2)计数方向G的确定
加工直线时,计数方向取与直线终点投影较长的那个坐标 轴(图4.54) ; 加工圆弧时,计数方向取与该圆弧终点时走向较平行的轴 向作为计数方向,或取终点坐标中绝对值较小的轴向作为计数 方向(与直线相反)图4.54。

图4.53直线计数方向确定

图4.54圆弧计数方向确定

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3)计数长度J的确定
计数长度是在计数方向的基础上确定,是被加工的直线或 圆弧在计数方向的坐标轴上投影的绝对值总和,单位为μm, 图4.55 。
Y B 由于计数方 向为GY, 所以J=|OQ| P O Q N 由于计数方向为 GX,所以J=|OM| A M X

a)取GX为计数方向,计数长度为J=JX1+JX2 b)取GY为计数方向,计数长度为J=JY1+JY2+JY3 图4.55 计数长度计算

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4)加工指令
直线(包括与坐标轴重合的直线)的加工指令有4种, 图4.56。

图4.56 直线加工指令

图4.57圆弧的加工指令

圆弧的加工指令有8种,包括顺时针切割(顺圆) SR1~SR4,逆时针切割(逆圆)NR1~NR4,如图4.57。

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5)切割轨迹偏移距离f
数控线切割加工时,控制系统所控制程序轨迹实际是电极丝 中心移动的轨迹,如图4.58中虚线所示。 加工凸模时,电极丝中心轨迹应在所加工图形的外侧; 加工凹模时,电极丝中心轨迹应在所加工图形的内侧。

图4.58 电极丝中心轨迹

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偏移距离有正偏移和负偏移。 切割轨迹偏移距离的正负可根据在电极丝中心轨迹图形中 圆弧半径及直线段法线长度的变化情况来确定(图4.59)。

图4.59间隙补偿量的符号判别

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6)偏移距离f的计算
加工冲模的凸、凹模,应该考虑电极丝半径r丝、电极丝和 工件之间的单面放电间隙δ电及凸模和凹模间的单面配合间隙δ配。 当加工冲孔模时(要求保证工件孔的尺寸),凸模尺寸由 孔的尺寸确定。 故:凸模的偏移距离 f凸=r丝+δ电, 凹模的偏移距离 f凹=r丝+δ电+δ配。 当加工落料模时(要求保证工件外形尺寸),此时凹模由 工件外形尺寸确定。 故:凹模的偏移距离 f凹=r丝+δ电, 凸模的偏移距离 f凸= r丝+δ电-δ配。

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(2)ISO代码数控线切割程序编制
1)ISO代码编程时常用的地址字符

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2)ISO代码程序段的格式

N

线切割加工时,采用ISO代码程序段的格式为: G X Y

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3)ISO代码及其编程
表4.7电火花线切割数控机床常用1SO代码

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(3)编程实例 图4.68为一落料凹模的线切割加工轨迹 图,若电极丝直径为0.16mm,单边放电间 隙为0.01mm,试用ISO代码和3B代码编制 其加工程序。 1)建立坐标系并按图样尺寸计算轮廓交、 切点坐标、圆心坐标;并确定其偏移距离。 D点坐标(AD弧与直线CD的切点)计算 为:(8.456,3.526); 偏移距离为: f凹=r+δ=0.16/2+0.01=0.09mm; 选O点为加工起点(穿丝孔在该处),其加 工顺序为:O→A→B→C→D→A→O。

图4.68凹模切割加工轨迹图

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ISO代码编程加工程序:
W01 G92 G41 G01 G01 G01 G01 G03 G40 G01 M02 X0 D90 X0 X60000 X60000 X8456 X0 : X0 Y0 Y -25000 Y-25000 Y5000 Y23526 Y -25000 程序名 定起点 确定偏移,应放于切入线之前 O→A A→B B→C C→D I 8456 J 23526 D→A 放于退出线之前 回到起切点 程序结束

Y0

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3B代码编程加工程序

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4.3.3数控线切割加工工艺及常用夹具、工件的正确装夹方法
1.数控线切割加工工艺 (1)电火花线切割加工的步骤及要求

1)对图样进行分析排除不能或不宜用电火花线切割加工
①表面粗糙度和尺寸精度超出机床加工精度的工件,合理 的加工精度为IT6,表面粗糙度Ra0.4μm; ②小于电极丝直径加放电间隙窄缝; ③非导电材料;

④长度、宽度和厚度超过机床加工范围。

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2)编程
①合理选择穿丝孔位置和切割点位置。 ②根据工件表面粗糙度和尺寸精度选择切割次数。 ③选用合理的加工电参数。 ④计算和编写正确的加工用程序。

⑤校对程序并试加工。

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3) 加工时的调整
①调整电极丝垂直度;
②根据技术要求装夹加工坯料; ③调整脉冲电源的电参数; 电参数与加工工件技术工艺指标的关系是:脉冲宽度增加, 脉冲间隔减小,脉冲电压幅值增大(电源电压升高),峰值电流增

大(功放管增多)都会使切割速度提高,但加工工件的表面粗糙度
和精度则会下降。反之则可改善表面粗糙度,提高加工精度。 ④调整电参数。

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4)检验
检验内容如下 ①模具的尺寸精度和配合间隙 根据不同精度的模具及零件,可选用下列检验工具:千分尺、 游标卡尺、塞规、投影仪、三坐标测量仪等。 ②零件表面粗糙度 在现场可采用电火花加工表面粗糙度等级比较样板目测或 手感;在实验室中采用轮廓仪检测。 ③工件的垂直度 可采用平板、90°角尺、三坐标测量仪等。 ④检查级进模步距尺寸精度 游标卡尺、投影仪、三坐标测量仪等。

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(2)常用夹具及工件的正确装夹方法 1)线切割常用的夹具 磁性夹具、分度夹具、压板或专用夹具等。

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2)工件装夹时一般要求
①工件的基准面应清洁无毛刺。要清除热处理残余物及 氧化皮。 ②夹具应具有必要的精度,拧紧螺栓时用力要均匀。 ③工件装夹的位置应有利于工件找正。 ④对工件的夹紧力要均匀,不得使工件变形或翘起。 ⑤大批零件加工时最好采用专用夹具,以提高生产效率。 ⑥细小、精密、薄壁工件应固定在不易变形的辅助夹具上。

3)工件的正确装夹方法
①安装用的夹具对编程的影响。 ②工件在工作台上的装夹位置对编程的影响

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4)工件的找正
①按已成型的孔找正。 ②按基准孔找正。 ③按外形找正。

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5)工件的装夹位置及防止工件变形开裂的方法
常见切割工件的变形如图4.72所示

图4.72工件变形 a)切缝闭合变形 b)切缝张开变形 c)未淬火件张口变 d)淬火工件切割后开口变小 e)尖角处开裂 f)凹模中间部位宽度变小

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4.3.5其他工艺参数对数控线切割加工工艺的影响 1.线切割工作液对工艺指标的影响 电火花线切割机使用的加工液分为两种: 水和油。一般采用喷水加工、浸水加工、油中加工三种加工 方法。 加工液是影响加工速度及加工精度的主要因素。 (1)工作液处理方法与液压 工作液可以起到如下四种作用: 使极间绝缘;极间冷却;排出加工屑;保持工件的温度。 一般而言,液体压力越大,加工屑的排出性能就越好,加工 速度就越高,这种情况比较适合于粗加工。在精加工时,担心 液量和液体压力的增大会引起线电极的振动,希望采用低压 (0.1~0.2Mpa)进行加工。

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(2)工作液体电导率
电导率表示电流的导电状况,电导率对加工特性影响很大。 改变放电的间隙;使线电极断丝;恶化表面精度和表面性状;生 成变质层。 当电导率低时,当上、下部与中心部之间的电导率差值变大时, 加工间隙会变大。电导率高时,由于受间隙中液体导电的影响,产生了 过多的电流,于是降低了放电加工的效率。

(3)液温
液温管理的目的是减少机床主体、加工液以及环境温度的相对温差, 使加工精度达到稳定。 一般都采用加工液冷却装置来实施温度管理。最好以比室温低 1~2℃作为温度的设定目标。

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(4)喷流压力
进行高速加工时,喷流压力必须加强。 对于平常加工,可使喷流压力降 低,同时降低加工条件。进行高精度加工时,请参照手册加工条件表。

2.线切割电极丝对加工的影响
线电极一般要求加工速度要快;容易达到加工精度;价格要低廉。 提高加工精度,不仅需要线电极的细丝化,同时还要求电极丝张力高、 材质均匀、丝表面平滑以及无挠曲。 (1)电极丝的种类 1)黄铜系电极丝 黄铜电极丝是最普及的一种电极丝,生产效率高,切 割加工过程比较稳定。但抗拉强度较低,易断丝,常用于慢速走丝。 2)添加元素的黄铜系电极丝 把作为第三种元素的铬等元素加到黄铜 中,可改善电极丝在高温条件下的抗拉强度。由于提高了放电加工时的张力, 所以被加工工件的表面精度也获得提高。

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3)复合电极丝 最普及的复合电极丝是在黄铜丝上镀覆锌层的电极丝,它 与黄铜电极丝相比,能提高加工速度及加工精度,但是价格较高。 4)钨、钼电极丝 因钨、钼电极丝拥有较高的抗拉强度及优异的耐热性能, 所以可以作为极细的电极丝材料(Φ0.1mm以下)。由于切割时不容易断丝, 多用于快速走丝。 电极丝的直径一般在ф0.1~ф0.25㎜,电极丝的直径对切割速度影响较大, 直径越大切割加工速度越快,增大直径对切割大厚度的个工件越有利。 (2)线电极丝的质量 挠曲现象给加工精度和加工速度带来一定的影响。 (3)线电极的选择 1)加工工件厚度与线径 线切割加工时,线电极的切缝宽度为线电极的直 径加上2倍的加工放电间隙尺寸。在加工内角时,根部的R值为切缝宽的1/2, 为使R减小,则应采用细的线电极。 选择线径的顺序如下:加工板厚→所需要的拐角R大小→加工速度。 在可以满足内拐角R值的精加工的情况下,应尽量优先考虑加工速度,因 为这样选择有利于达到高效的加工。

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2)电极材质和加工速度 线电极的材质对加工速度产生较大影响。最能提高加工速度的 是导电性好的铜或在黄铜丝上涂覆能提高放电性能的锌复合丝, 这种材料的电极丝曾使加工速度提高30%。同时要使用大电流加 工,还必须使用高压冲液改善加工间隙条件。 3)电极直径与加工速度 线径越大,越有利于提高加工速度。由于存在拐角R和加工表 面粗糙度的关系,使得使用的线径受到一定限制。一般情况下, 板厚的工件,在进行一次切割(粗切)时,最好使用直径大的电极丝。 4)加工精度 线切割加工时,因受线径的影响,使加工的最小拐角R受到一 定限制。R小时必须采用细丝。选取兼顾拐角R和加上稳定性的电 极丝线径。

表4.2.1一些主要控制参数对工艺指标的影响程度


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