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毕业论文电火花线切割加工方法


毕业设计(论文)
作 学 系 专 题 者: 号: 部: 业: 目: 张万锦

109321602019 机械工程系 模具制造与维修 电火花线切割加工方法的研究

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目录
摘要 第一

章 1.1 1.2 第二章 2.1 2.2 2.3 2.4 第三章 3.1 3.2 第四章 4.1 4.2 4.3 结论 致谢 ……………………………………………………………………… 电火花线切割的介绍 电火花线切割的发展 ……………………………………… 电火花线切割机床的类型 ……………………………………… 电火花线切割加工机理 脉冲电源 机械系统 断丝机理 加工控制 ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… 11 21 23 28 4 8 3

电火花线切割加工质量 电火花线切割加工精度 ………………………………………… …………………………………… 35 39

工艺参数对加工精度的影响 案例分析 3B 格式编程 案例一 案例二

……………………………………………………

42 44 46 51 52 53

………………………………………………………… …………………………………………………………

………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………

参考文献

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摘要
近年来,随着在我国国民经济的飞速发展,特别是工业技术飞速发展的新形 势下,急需发展模具加工技术,而数控电火花切割技术正是模具加工工艺领域中 的一种关键技术。目前在电机,仪表等行业新产品的研制开发过程中,常采用数 控电火花线切割方法直接切割出零件,大大缩短了研制周期,并降低了成本。在 众多工业产品的生产过程中,都用到了数控电火花切割机床,如飞机制造、汽车 模具制造、手机零部件的生产等,因此电火花机床的研究与改进是我国国内市场 的需要,也能为我国的工业的发展起一定的作用。 电火花线切割,其基本工作原理是利用连续移动细金属丝(成为电极丝)作 电极,对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。 本次论文以电火花线切割为主线, 综合了线切割的发展, 电火花线切割机床, 电火花线切割加工质量及其影响因素,电火花线切割加工程序编制等。把以前学 过的基础课程融汇到综合应用本次论文当中来,所谓学以致用。

关键词: 关键词:工业生产 电火花线切割

发展史

加工质量

程序编制

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第一章

电火花线切割的介绍

1.1 电火花线切割的发展
1.1.1 电火花线切割机的产生

20 世纪中期,苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀的现象和原 因时,发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉,从而开 创和发明了电火花加工方法,线切割放电机也于 1960 年发明于苏联。当时以投 影器观看轮廓面前后进给工作台面加工,其实认为加工速度虽慢,却可加工传统 机械不易加工的微细形状。代表的实用例子是化织喷嘴的异型孔加工。

1.1.2

国内线切割机的发展

五十年代,电火花加工开始被认识,电火花机床开始进入加工领域,虽然当 时只能解决硬度问题,打些丝锥钻头之类。但这是电加工在模具行业大行其道的 开始。这时人们已经认识到如果“钢丝锯” 加上“电火花”,“锯”有硬度的淬火钢应 是可能的。 于是, 让一个轴上储的大量铜丝经两个导向轮缠绕到另一个储丝轴上, 两个导向轮间放上工件,工件接 RC 电源的正极,铜丝接 RC 电源的负极,就实 现了火花切割。尽管当时两个储丝轴像电影片盘一样的更换,尽管当时以各种摩 擦方式制造丝的张力,也尽管当时以防锈防臭的磨床冷却液做加工液,必竟实现 了“线电极火花切割”。六十年代初期,某些军工企业和模具行业骨干厂以技术革 新、自制自用的形式开始制造“线切割”。大多是用铜丝、丝速 2~5 米/分、RC 电 4

源,至多是电子管脉冲源,控制方式业多是手摇和靠模。就这样切出的如山字形 矽钢片和电子管极板冲模仍是另人瞩目。随着电子控制技术发展,放大样板、仿 形和光电跟踪的控制方式也一度推动了线切割的进步。 直到 1969 年,晶体管被广泛应用,开关逻辑电路也成熟了许多。复旦大学 的几位老师以“与生产实践相结合”成果的方式推出了“数字程序控制线切割机”, 分立元件,四十多块印刷板,数码管和氖灯显示,常州以手工下线的 70 步进电 机,双 V 钢球导轨,丝杠加导轨排丝,F 形丝架,。。。。。。直到今天,用钼 丝、丝杠加导轨排丝、F 形丝架、直径 150 左右的丝筒、行程开关换向等仍在延 用。 几年内,许多无线电专用设备厂相继以“复旦”作”蓝本”生产线切割机,当时 主要问题是元器件质量,控制系统可靠性,。。。。。机械精度问题尚未充分认 识。进入市场商品化最早的是杭无专,1973 年。年产几十台已令人咋舌了。当 时为买到几只耐压 80 伏的大功率三极管, 要派人持支票到晶体管厂坐等一个月。 1977 年,Z80、8086 单片机的上市给线切割带来突飞猛进发展的机遇。苏 州的几个主要生产厂很快以 Z80 取代了分立元器件,体积、结构都大为改观。 可靠性已不是扼喉问题。产量大幅提高。几年内单片机的型号和功能不断更新, 线切割得到高速发展。 单板机的改型进步,推动操作控制和显示系统的逐渐完善,编程输入、接口 电路、变频、驱动的日臻规范,使线切割成了单扳机应用的一个杰作。市场优势 地位就是这时打下的。 八十年代是线切割大普及的年代,它成了模具行业的主力军,成了机械行业 发展最快的新工种。 以至现在模具行业的不少从业人员离开线切割就不知道怎麽 生产模具。硬度高形状复杂就无从下手。 计算机在九十年代大发展大普及,在线切割的应用也得到长足发展,用计算 机现成的系统,把绘图软件修补改造就能编程,功能控制和接口嫁接过来就能操 纵机床,数据存储图形显示又都是线切割的强项。线切割是 IT 业大有作为的领 域。当然,强大功能资源的浪费、系统运行的可靠性、缺乏占据全行业主导地位, 易学易懂易普及且实用的软件,是困扰 PC 机大面积展开成行业主力的关键。 5

据 2001 年统计,全国快走丝线切割机总保有量约 65 万台,其中分立元件 占 1~1。5%,PC 机占 13~15%,大部分为单扳机,占 85%左右,是行业的主 战机型。 至今快走丝线切割机仍是我国特有的,结构简单廉价低耗高可靠,运行成本 低,50~100mm/分的速度,0。01~0。02mm 的精度,尚能满足绝大多场合的 需求。如果有高水平的维护和精细操作,再多花一倍时间,精度到 0。005~0。 01mm 之间,光洁度接近慢走丝效果,也是可能的

1.1.3

国外线切割机的发展

国外的线切割机初始于六十年代末期, 并首先在日本、 瑞士产业化, 商品化。 一开始他们的基本模式是这样的:依托 PC 机的强大功能资源,精密机械制造的 传统优势,力求高精度、自动化。用铜丝,Φ0。3~0。35mm 丝径,一次性使用, 丝速 2~6 米/分,无害化的去离子水。早期的慢走丝与快速往复走丝相比,精度、 光洁度占优,而速度、切厚能力、内尖角的清根能力和操作方便均不及。 据 2001 年统计,进口(包括合资仿制)慢走丝线切割机总保有量突破 4000 台。但利用率稍差,各使用厂操作水平也有较大差异。发展至今,慢走丝线切割 6

机又有大幅进步,如操作人性化,以至一台机子可转换世界各种语言界面。打穿 丝孔,自动穿丝,可无人值守,精度可稳定在 ? 级,0。8 以上的光洁度,最大 200mm/分的效率等,但切厚能力仍不及快走丝,内尖角的清根能力仍受丝径限 制,开机运行成本也太高。 慢走丝线切割机运行成本是这样的:耗电——3200W,3。2 元/小时;耗液 (包括水发生器和过滤)——7 元/小时;耗丝——0。4 元/米*180 米/小时=72 元/小时;总计 82。2 元/小时。与快走丝相比约 45:1。如果再考虑 100 倍以上 的购置费。。。。。 随着大量新技术的应用,慢走丝线切割机也日臻完善,如自打孔自穿丝,从 加热拉长捋直,丝端头处理,细管向工件面的引导定位,高压水的承托和穿认, 接触传感,到穿丝成功的判定,简直是精密传动自动控制的典范。再如恒张力系 统,利用软铁盘在磁粉中转动的阻尼,利用磁场中转子的发电效应,利用双电机 的差速差力,反馈控制取得准确的张力。慢速和纯水也使火花不暴露的浸泡加工 成为可能,窄脉宽大峰值的应用,使厚度加工能力和最大加工速度也达到很高的 水准。 很大程度上,购置慢走丝线切割机成了“追求精度、注重质量、经济实力”的 一种展示。 总之,快慢走丝呈相互拟补,相互竞争,相互促进,各具特色,各展所长, 将是长期共存的局面。快走丝不经铺垫直接卖到国外的可能很小,慢走丝也不可 能把快走丝淘汰出局。凭借快走丝的廉价和实用,用示范推广的办法首先介绍到 国外的某个地区,被认识和采用的可能也是有的。

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1.2

电火花线切割机床的类型

1.2.1

按电极丝运行速度分

(一)高速电火花线切割机床(往复走丝电火花线切割机床) 高速电火花线切割机床的走丝速度为 6~12 m/s,是我国独创的机种。 自 1970 年 9 月由第三机械工业部所属国营长风机械总厂研制成功“数字程 序自动控制线切割机床”,为该类机床国内首创。1972 年第三机械工业部 对工厂生产的 CKX 数控线切割机床进行技术鉴定,认为已经达到当时国内 先进水平。1973 年按照第三机械工业部的决定,编号为 CKX — 1 的数控线 切割机床开始投入批量生产。1981 年 9 月成功研制出具有锥度切割功能的 DK3220 型的坐标数控机,产品的最大特点是具有 1.5 度锥度切割功能。完 成了线切割机床的重大技术改进。随着大锥度切割技术逐步完善,变锥度、 上下异形的切割加工也取得了很大的进步。大厚度切割技术的突破,横剖 面及纵剖面精度有了较大提高,加工厚度可超过 1000mm 以上。使往复走丝 线切割机床更具有一定的优势。同时满足了国内外客户的需求。这类机床 的数量正以较快的速度增长,由原来年产量 2~3 千台上升到年产量数万台, 目前全国往复走丝线切割机床的存量已达 20 余万台,应用于各类中低档模 具制造和特殊零件加工,成为我国数控机床中应用最广泛的机种之一。但 由于往复走丝线切割机床不能对电极丝实施恒张力控制,故电极丝抖动大, 在加工过程中易断丝。由于电级丝是往复使用,所以会造成电极丝损耗, 加工精度和表面质量降低。
(二)低速线切割机床

低速线切割机床电极丝以铜线作为工具电极, 一般以低于 0.2m/s 的速度 作单向运动,在铜线与铜、钢或超硬合金等被加工物材料之间施加 60~300V 的脉冲电压,并保持 5~50um 间隙,间隙中充满脱离子水(接近蒸馏水)等绝 缘介质,使电极与被加工物之间发生火花放电,并彼此被消耗、腐蚀,在 工件表面上电蚀出无数的小坑, 通过 NC 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 8

尺寸大小及形状精度的产品。目前精度可达 0.001mm 级,表面质量也接近 磨削水平。电极丝放电后不再使用,而且采用无电阻防电解电源,一般均 带有自动穿丝和恒张力装置。工作平稳、均匀、抖动小、加工精度高、表 面质量好,但不宜加工大厚度工件。由于机床结构精密,技术含量高,机 床价格高,因此使用成本也高。 (三)立式回转电火花线切割机床 立式回转电火花线切割机的特点与传统的高速走丝和低速走丝电火花 线切割加工均有不同,首先是电极丝的运动方式比传统两种的电火花线切 割加工多了一个电极丝的回转运动;其次,电极丝走丝速度介于高速走丝 和低速走丝直接, 速度为 1~2m/s。 由于加工过程中电极丝增加了旋转运动, 所以立式回旋电火花线切割机与其他类型线切割机相比,最大的区别在于 走丝系统。立式回转电火花线切割机的走丝系统由走丝端和放丝端两套结 构完全相同的两端做为走丝结构,实现了电极丝的高速旋转运动和低速走 丝的复合运动。两套主轴头之间的区域为有效加工区域。除走丝系统外, 机床其他组成部分与高速走丝线切割机相同。

1.2.2

按电极丝运动轨迹的控制形式分

(一) 靠模仿形控制电火花线切割机床 靠模仿形电火花线切割机床,其在进行线切割加工前,预先制造出与工件形 状相同的靠模,加工时把工件毛坯和靠模同时装夹在机床工作台上,在切割过程 中电极丝紧紧的贴着靠模边缘作轨迹运动, 从而切割出与靠模形状和精度相同的 工件。 9

(二) 光电跟踪控制电火花线切割机床 光电跟踪控制电火花线切割机床,其在进行线切割前,先根据零件图样按一 定比例描绘出一张光电跟踪图,加工时将图样置于机床的光电跟踪台上,跟踪台 上的光点头始终追随墨线图形的轨迹运动,再借助于电气、机械的联动,控制机 床工作台连同工件相对电极丝做相似形的运动, 从而切割出与图样形状相同的工 件。 (三) 数字程序控制电火花线切割机床 数字程序控制电火花线切割机床,采用先进的数字化自动控制技术,驱动机 床按照加工前根据工件几何形状参数预先编制好的数控加工程序自动完成加工, 不需要制作靠模样板也无需绘制放大图, 比前面两种控制形式具有更高的加工精 度和广阔的应用范围,目前国内外 95%以上的电火花线切割人机床都以采用数字 化。

1.2.3

电火花线切割的应用范围

在目前的生产中,数控电火花线切割技术应用广泛,不仅是因其加工效率高 精度高,更重要的是其加工范围广泛。数控电火花线切割可加工下列工件:

1、电火花成形用电极 线切割技术适合加工一般穿孔加工用、 带锥度型腔加工用及微细复杂形状的 电极,同时还有铜钨、银钨合金之类的电极材料。

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2、模具 适用于加工各种形状的冲模、注塑模、挤压模、粉末冶金模、弯曲模等。

3、零件 适合于线切割加工的零件: 1)各种形状孔及键槽; 2)齿轮内外齿形; 3)窄长冲模; 4)斜直纹表面曲面体; 5)各种平面图案。

利用线切割加工零件的优势:可加工试验样件、各种型孔、特殊齿轮凸轮、 成型刀具等复杂形状零件及高硬材料的零件;可进行微细结构、异形槽和标准缺 陷的加工;可在坯料上直接割出零件;加工薄件时可多片叠在一起加工

第二章
2.1 脉冲电源

电火花线切割加工机理

电火花线切割的加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电源转换成一定频 率的单向脉冲电流,以供给电极放点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、加工精度、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影响。电火花线切割脉冲电源的形式品种很多,如晶体管 矩形波脉冲电源、高频分组脉冲电源、节能型脉冲电源等。 11

2.1.1

对脉冲电源的要求

对电火花线切割加工用脉冲总的要求是: (1)有较高的加工速度 不但在粗加工时要有较高的加工速度,而且在精加工

时也应具有较高的加工速度。 (2)工具电极损耗低 (3)加工过程稳定性好 在给定的各种脉冲参数下能保持稳定加工,抗干扰能

力强、不易产生电弧放电、可靠性强、操作方便。 (4)工艺范围广 料的加工。 脉冲电源要都满足上述要求是困难的,一般来说,为了满足这些总的要求, 对电火花线切割加工脉冲电源的具体要求是: 1) 所产生的脉冲应该是单向的,没有负半波或负半波很小,这样才 不仅能适应粗、中、精加工的要求,而且要适应不同工件材

能最大限度的利用极性效应,不过受工件表面粗糙度和电极丝允许承载电流 的限制,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,所以线切割加工总是采用正极性加工。 2)
) 脉冲的主要参数,如峰值电流 ie 、脉冲宽度 ti 、脉冲间隔 t0

等应能在很宽的范围内调节,以满足粗、中、精加工的要求。 3) 脉冲电源不仅要考虑工作稳定可靠、成本低、寿命长、操作维修

方便和体积小等问题,还要考虑节省电能。

2.1.2

晶体管矩形波脉冲电源

晶体管矩形波脉冲电源是利用功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲的。 它具有脉冲频率高、脉冲参数容易调结、脉冲波形较好、易于实现多回路加工和 自适应控制等自动化要求的有点,所以应用非常广泛,特别在中、小型脉冲电源 中,都采用晶体管式电源。 如图 1 所示,控制功率管 VT 的基极以形成电压脉宽 t 、电流脉宽 te 和脉冲间隔 12

) t0,限流电阻 R1、R2 决定峰值 ie 。



R1 VT1

0

t R2 VT2 te t1 t0

te + 80V 控 电 制 路

0

^ ie

t

图1 晶 管 形 脉 电 、 流 形 其 冲 源 体 矩 波 冲 压 电 波 及 脉 电

2.1.3

高频分组脉冲电源

高频分组脉冲波形如图 2 所示,它是矩形波派生的一种波形,即把较高频率 的小脉宽 ti 和小脉间 t0 的矩形波脉冲分组成为大脉宽 Ti 和大脉间 T0 输出。 矩形波脉冲电源对提高切割速度和减小表面粗糙度这两项指标是相互矛盾 13

的,高频分组脉冲波形在一定程度上能解决这两者的矛盾,在相同工艺条件下, 可获得较好的加工工艺效果,因而得到广泛应用。 图 3 为高频分组脉冲电源的电路原理图。图中的高频脉冲发射器、分组脉冲 发生器和与门电路生成高频分组脉冲波形,然后经脉冲放大和功率输出,把高频 分组脉冲能量输送到放电间隙。一般取 t0≥ti,Ti=(4~6)ti。

ti

t0

Ti

T0

图2

高频分组脉冲电压波形

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高 短 冲 生 频 脉 发 器

与 电 门 路

脉 放 冲 大

功 输 率 出

分 脉 发 器 组 冲 生

直 电 流 源

图3

高 分 脉 电 的 路 理 图 频 组 冲 源 电 原 框

2.1.4

节能型脉冲电源

为了提高电能利用率,近年来除用电感元件 L 来代替限流电阻,避免了发热 损耗外,还把 L 中剩余的电能反输给电源。图 4 为这类节能电源的主回路原理及 其波形图。

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ti t0

VT1 +

L i + + t i 工 件 -

+ 80 100V C 钼 丝 ^ ie

t VT2 a)
te ' te

b)

图4 线 割 能 脉 电 主 路 波 图 切 节 型 冲 源 回 和 形 a) 回 图 主 路 b) 压 流 形 电 电 波 图

图 4 a 中, 80~100V (+) 的电压和电流经过大功率开关元件 VT1 常用 V-MOS ( 管或 TGBT) ,由电感元件 L 限制电流的突变,在流过工件和钼丝的放电间隙,最 后经大功率开关元件 VT2 流回电源(-) 。由于用电感 L(扼流线圈)代替了限流 电阻,当主回路中流过如图 4b 中的矩形波电压脉宽 ti 时,其电流波形由零按斜
) 线升至 ie 最大值(峰值) 。当 VT1、VT2 瞬时关断截止时,电感 L 中电流不能突然

截止而继续流动,通过两个二极管反输给电源,逐渐减小为零。把储存在电感 L 中的能量释放出来,进一步节约了能量。 由图 4b 对照电压和电流波形可见,VT1、VT2 导通时,电感 L 为正向矩形波; 放电间隙中流过的电流由小增大,上升沿为一斜线,因此钼丝的损耗很小。当 VT1、VT2 截止时,由于电感是一储能惯性元件,其上的电压由正变负,流过的电 流不能突变为零,而是按原方向流动逐渐减小为零,这一小段“续流”期间,电 感把储存的电能经放电间隙和两个二极管反输给电源,电流波形为锯齿形,更加 16

快切割速度,提高电能利用率,降低钼丝损耗。 这类电源的节能效果可达 80%以上, 控制柜不发热, 可少用或不用冷却风扇,
2

钼丝损耗很低,切割 20 万 mm ,钼丝仅损耗 0.5μm;当加工电流为 5.3A 时,切
2 2

割速度为 130mm /min;当切割速度为 50mm /min 时,表面粗糙度 Ra≤2.0μm。此 电源已由苏州三光科技有限公司获得发明专利。

2.1.5

低速走丝线切割加工的脉冲电源

低速走丝线切割加工有其特殊性: 一是丝速较低, 电蚀产物的排泄效果不佳; 二是昂贵的设备,必须有较高的生产率,为此常采用镀锌的黄铜丝作线电极,当 火花放电时瞬时高温使低熔点的锌迅速溶化、气化爆炸式地、尽可能多地把工件 上熔融的金属液体抛入工作液中。因此要求脉冲电源有较大的峰值电流,一般都 在 100~500A,但脉宽 te 极短(0.1~1μs) ,否则电极丝将被烧断。 由此看来,低速走丝的脉冲电源必须能提供窄脉宽、大峰值电流。结合节能 要求,在功放主回路中往往既无限流电阻,又无限流电感(有的利用导线本身很 小的潜布电感来适当阻止加工电流过快的增长。 这类脉冲电源的基本原理是由一 频率很高(脉宽约 0.1~1μs 可调)的开关来触发、驱动功率级高频 IGBT 组件, 使其迅速导通,因主回路中无电阻和电感,瞬时流过很大的峰值电流,达到额定 值时,主震级开关电路使功率级迅速截止,然后停歇一段时间待放电间隙消电离 恢复绝缘后,再由第二个脉冲触发功率级,如此重复循环。 此外,为了防止工件接(+)在水基工作液中的电解(阳极溶解)作用,使 得电极丝出、入口处的工作表面发黑,影响表面质量和外观,有的脉冲电源还具 有防电解功能。具体原理是在脉冲停歇时间内,使工件上带 10V 左右的负电压。

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应用 快速切割或较厚工件 Ra>2.5μm

电流峰值 Ic/A 大于 12

脉冲宽度 ti/μs 20~40

脉冲间隔 t0/μs 为实现稳定的加

空载电压 一般为

2.1.6 脉冲电源参数 电火花加工用脉冲电源即脉冲发生器,它的作用是把普通 50H2 的交流电转
表 1 快走丝线切割加工脉冲参数的选择

换成频率较高的单向脉冲电流,以使电极间隙产生电火花放电来蚀除金属。 脉冲电源对放电加工的加工速度、表面质量、加工过程的稳定性和工具电极的损 耗等技术经济指标有很大的影响。脉冲电源参数包括电流峰值、脉冲宽度、脉冲 间隔、空载电压、放电电流,快走丝线切割加工脉冲参数的选择见表 1,快走丝 线切割加工脉冲参数的选择见表 2。 1.电流峰值 电流峰值指短路时放电电流的瞬时最大值,在其他参数不变时,电流峰值增 大,切割速度明显增大,但表面质量会变差,电极丝的损耗加大甚至断丝。

半精加工 Ra=1.25μm 精加工 Ra<1.25μm

6~12 4.8 以下

6~20 2~6

工一般选择 t0/ ti=3~4

70~90

2.脉冲宽度 脉冲宽度是指脉冲电流持续的时间,在其他参数不变时,脉冲宽度增大,切 18 割速度明显加快,电蚀物随之增加,来不及排出,造成切割过程不稳,反而使切 割速度下降,表面质量变差,电极丝的损耗加大甚至断丝。试验证明改变脉冲宽 度不如改变电流峰值对切割速度影响显著。 3.脉冲间隔 脉冲间隔是指两个连续脉冲之间的时间,它直接影响平均电流,在其他参数 不变时,脉冲间隔减小相当与增加了单位时间内的放电次数,平均电流增大,切 割速度加快,但脉冲间隔过小,会造成电弧放电和断丝。 4.空载电压 空载电压是指放电间隙被击穿之前的极间峰值电压,对电流峰值和加工间隙 有影响。提高空载电压,加工间隙增大,切缝宽,易排屑,提高了切割速度和加 工稳定性, 但易造成电极丝振动, 使加工面质量变差, 也会造成电极丝损耗增大。 5.放电波形 电流波形的前沿上升比较缓慢时,电极丝损耗少,不过当脉冲宽度很窄时, 必须要有陡的前沿才能进行有效的切割。在相同的工艺条件下,高频分组脉冲常 常能获得较好的加工效果。

表 2 慢走丝线切割加工脉冲参数的选择 工件材料 电极丝直径 电极丝张力 WC φ0.2mm 0.2A/(120g) 加工液流量 加工液导电率 10×104Ω·cm 加工液压力 第一次切割 第二次切割 1~2kg/cm2 1~2kg/ cm2

电极丝速度 6~10mm/min 加工条件编 工件厚度/mm 号 20 1st C423

上/下 5~6L/min

偏移量编号

电压/V

电流/A

速度/(mm/min)

H175

62

7.0

2.0~2.6

2nd 3rd 4th 1st 2nd 30 3rd 4th 1st 2nd 40 3rd 4th 1st 2nd 50 3rd 4th 1st 2nd 60 3rd 4th 1st 2nd 70 3rd 4th 1st 2nd 80 3rd 4th 1st 2nd 90 3rd 4th 1st 100 2nd 3rd

C725 C755 C785 C433 C725 C755 C785 C443 C725 C755 C785 C453 C725 C755 C785 C463 C725 C755 C785 C473 C725 C755 C785 C483 C725 C755 C785 C493 C725 C755 C785 C493 C725 C755

H125 H115 H110 H174 H124 H114 H109 H178 H128 H113 H108 H178 H128 H113 H108 H179 H129 H114 H109 H185 H135 H115 H110 H185 H135 H115 H110 H185 H135 H115 H110 H185 H135 H115

60 65 60 32 60 60 60 34 60 65 30 35 58 42 30 35 58 42 30 33 55 35 30 33 55 35 30 34 52 30 30 34 52 30

1.0 0.5 0.3 7.2 1.0 0.7 0.3 7.5 1.5 1.1 0.7 7.0 1.5 1.3 0.7 7.0 1.5 1.3 0.7 6.8 1.5 1.5 1.0 6.5 1.5 1.5 1.0 6.5 1.5 1.5 1.5 6.3 1.5 1.5

7.0~8.0 9.0~10.0 9.0~10.0 1.5~1.8 6.0~7.0 9.0~10.0 9.0~10.0 1.2~1.5 5.0~6.0 9.0~10.0 9.0~10.0 0.9~1.1 4.0~5.0 6.0~7.0 9.0~10.0 0.8~0.9 4.0~5.0 6.0~7.0 9.0~10.0 0.6~0.8 3.5~4.5 4.0~5.0 7.0~8.0 0.5~0.6 3.5~4.5 4.0~5.0 7.0~8.0 0.5~0.6 3.0~4.0 3.5~4.5 7.0~8.0 0.4~0.5 3.0~4.0 3.0~4.0

4th

C785

H110

30

1.0

7.0~8.0

20

2.2 机械系统
机床是线切割加工设备的主要部分, 其结构形式和制造精度都直接影响到加 工性能。机床一般由床身、工作台、走丝机构、丝架、工作液循环系统等几部分 组成。 1.床身 床身为机床的支撑体,是安装其他部件的基础,通常采用箱式结构。床身内 部放置机床电器。 2.工作台 工作台部件用来安放工件。由上下拖板、导轨、丝杆螺母副及变速机构 4 部 分组成,其工作原理是驱动电动机通过变速机构将动力传递给丝杆螺母副,丝杆 螺母副将传递过来的旋转运动变成沿坐标轴的直线运动, 从而获得各种平面图形 的曲线轨迹。 工作台的传动通常采用高精度丝杆螺母副,为保证定位精度和灵敏度,传动 丝杠与螺母之间必须消除间隙。 3.走丝机构 走丝机构可分为高速走丝机构和低速走丝机构。 高速走丝机构的电极丝做高速往复运动,一般走丝速度为 8~10 m/s,走丝 速度等于储丝筒周边的线速度,在运动过程中,电极丝由丝架支撑,并依靠导轮 保持电极丝与工作台垂直或倾斜一定的几何角度; 低速走丝机构的电极丝做低速单向运动,一般走丝速度低于 0.2 m/s,

21

图 5 快速走丝线切割机床

4,工作液循环电火花线切割加工必须在工作液中进行,其方式可将被加工工件 浸在工作液中,也可以采用电极丝冲液的方式。一般情况下,工作液应具有以下

几个方面的要求: (1)工作液应具有一定的绝缘性。绝缘能力过高,介质击穿所耗能量过大,会 降低蚀除量;绝缘能力过低,工作液成了导电体,则不能产生火花放电。 22 (2)有较好的冷却性能。电火花放电的局部瞬时温度极高,为了防止产生过热 现象,必须使切削部位充分拎却.以带走火花放电时产生的大量热量。 (3)有较好的洗涤性能,利于排屑。 (4)有较好的防锈性能,利于机床维护和工件防锈。 (5)工作液对人体应无害,工作时,不放出有害气体。 不同的工艺条件需要不同的工作液, 在低速走丝线切割加工中常采用去离子 水和煤油作为工作液; 高速走丝线切割加工中常采用乳化液作为工作液。 加工时, 工件的厚度、表面粗糙度要求不同,则选取工作液的型号也不同。另外,工作液 的配比对加工的效果也会有很大影响,比如在低速走丝线切割加工中.对不同要 求的零件应选取不同导电率的离子水;在高速走丝机床上,新配的工作液加工效 果并不良好.往往要经过一段时间切割后,加工效果才能达到最佳,但工作液不 能太脏,否则容易引起电弧放电.烧坏电极。

2.3 断丝机理
造成断丝的原因是多方面的,工件材料的不同、工作液的性能优劣、电极丝 的磨损、电极丝的张紧力、机床的导丝结构以及切割工艺参数的合理性等都与稳 定线切割加工过程,提高线切割加工质量和延长电极丝的使用寿命有关。

2.3.1 跟工件有关的断丝

(1) 工件经热处理后工件内部存在内应力,在切割过程中造成内应力释放,夹 住钼丝而造成断丝。如果在工件热处理前加工穿丝孔,从工件内侧进行切 割可以避免内应力造成断丝。 (2) 切割工件后,由于废料自重较大,在脱落瞬间夹住钼丝造成断丝。在切割 快完成时,可以用磁铁同时吸住废料和工件,或用夹具(如压板)夹住,

等待加工完成后再去下废料。 (3) 铸造类零件在铸造过程中可能造成的沙眼、气孔,工件内部有不导电的杂 质,在切割过程中可能会拉断丝。对于此类零件,条件许可情况下可以采 23 (4) 用探测工具探测零件内部材质是否均匀, 对于不具备条件的应该随时监测 切割过程中机床仪表,对于电压或者电流突变情况应该及时处理。 (5) 工件切入点处或者穿丝孔在热处理后可能会有不导电的氧化物等杂质造 成无法切割,造成断丝。对此可以用锉刀或者砂轮打磨工件切入点,去除 不导电物质,露出导电部分在切割。 (6) 工件表面覆盖层(如塑料薄膜,油漆等)不导电造成的断丝。工件接脉冲 电源正极,钼丝接脉冲电源负极,如果工件由于覆盖层跟脉冲电源正极接 触不良,则无法放点加工,可能会拉断钼丝,因此必须保证工件和脉冲电 源正极可靠连接,必要时首先去除掉工件表面覆盖层。

2.3.2 跟工作液有关的断丝

(1) 工作的浓度不合理造成断丝。工作液浓度要合理,首先要选择质量好的工 作液,水质好,然后根据零件不同的加工工艺指标要求进行工作液配置, 配比一般为 5%~20%。通常电火花线切割机床每天工作 8h,连续使用 8~ 10 天后就需要更换新的工作液,否则容易断丝。对于大厚度或要求要求 切割速度高的工件可以将工作液浓度降低 5%~8%左右,这样加工稳定; 而对于加工质量要求高的工件,工作液配比可以提高到 10%~20%。 (2) 工作液冲刷不足造成的断丝。工作液的作用之一就是冲刷切缝,冷却钼丝 和工件, 排除蚀除物。 工作液喷出时如果冲击力过大可能会造成钼丝偏移, 放电不均匀;冲击力过小时则工作液喷出不足,无法冲入切缝中,无法放

电,造成放点条件恶劣,无法排出蚀除物造成断丝。因此要定时检查喷嘴 和回流通道是否堵塞,工作液喷出速度要合理,对于大厚度零件可以开大 工作液喷出速度,使得工作液能充分进入切缝进行冷却和排屑。 24 (3) 工作也不够或者堵塞造成无切削液加工,钼丝很快会烧断。因此,机床工 作过程中要不定时检查工作液是否足够,循环通道是否畅通。

2.3.3 跟走丝机构有关的断丝

(1) 跟导电块有关的断丝。导电块通常是压住或者抬起钼丝的一点,由于 钼丝运行长时间接触导电块, 导电块会有沟痕, 沟痕过大会夹断钼丝, 因此应该定期将导电块旋转一定的角度,或者直接更换导电块。 (2) 跟导轮有关的断丝。钼丝听过导轮导向,因此到轮的精度影响钼丝运 行,其中支持导轮的轴承影响刀轮的轴向和径向跳动,进而影响到钼 丝放电加工时的稳定性,因此,应该严格按照机床保养说明定期喷住 润滑脂或者更换轴承,乃至直接更换导轮组件。 (3) 张紧机构造成的断丝。如果张丝的时候重锤过重,在张丝过程中也可 能会造成断丝,或者钼丝超过弹性变形的限度,钼丝在运转过程中由 于频繁换向、频繁的放电以及冷却,很快也会断丝。因此,张丝的时 候应该合理的选择重锤个数进行张进。 (4) 储丝筒造成的断丝。储丝筒的径向跳动会造成钼丝切割过程中张力突 变,会拉断钼丝,轴向跳动还会造成叠丝,更容易造成断丝。因此应 该定期检测储丝筒精度并调整。 (5) 钼丝在储丝筒上缠绕不合理造成的断丝。钼丝在储丝筒两端应该预留

5~10mm 宽度的钼丝, 否则钼丝在换向时张紧力不均匀容易挣断钼丝, 如果钼丝在储丝筒上有叠丝也会造成断丝,因此应该在张丝时调整钼 丝在储丝筒上排列合理。 25 (6) 储丝筒运转电机的换向机构失灵造成的断丝。储丝筒运转电机的换向 通过手动调节储丝筒的轴向行程,开关压板压下行程开关后电机应该 换向,如果开关压板没有固定好或者没有压下行程开关,或者行程开 关失灵,从而会造成储丝筒超程拉断钼丝。因此,机床运行前应该保 证行程开关和开关压板可靠工作。 (7) 钼丝没有放置在到轮的槽中造成的断丝。装钼丝时如果钼丝没有放置 在正常的走丝路径上,如导轮槽外等,开机即会拉断丝,后果很严重。 所以穿好钼丝后一定检查一遍走丝路径,看钼丝是否在正常的走丝路 径上。 (8) 钼丝热胀冷缩造成断丝。工件加工完毕后,如果钼丝停靠在储丝筒的 中间段,若钼丝长得过紧则在冷却后可能会挣断钼丝。因此,钼丝应 该停靠在储丝筒的一端,如果不加工零件还应该松开丝头一端。

2.3.4

跟编程有关的断丝

(1) 工件加工编程路径不合理造成的断丝。选择了容易造成工件切割过程

中变形的走丝路径,工件变形时夹断钼丝,而且切割出来的凸模尺寸 精度低。 应选择整个加工过程中, 尽量保持工件变形最小的走丝路径, 而且切割出来的凸模尺寸精度高。 (2) 二次切割造成的断丝。如果切割过程中断丝,机床会有回退功能,重 新上新钼丝后沿着原切割路径从头开始切割,则由于第一次切缝后的 缝隙,再次切割放电会不均匀,钼丝损耗会比较严重。可以通过更改 切割路径,使钼丝反向走丝切割,进而避免钼丝的严重损耗引起的断 丝。

26

2.3.5

跟钼丝本身有关的断丝

(1) 钼丝质量差造成的钼丝。钼丝质量不好可能会造成断丝,应该选择质量好 的钼丝进行加工。 (2) 钼丝损耗造成的断丝。正常情况下钼丝每切割 10000mm2 直径损耗大概为 0.001~0.02mm,因此钼丝损耗过多且寿命到期后,尤其是将要再次长时 间一次性切割一个零件,为了避免切割中可能会断丝,也为了保证加工质 量,应该及时更换新的钼丝。 (3) 钼丝张紧力不合适造成的断丝。 走丝路径长短以及合理与否对张力影响很 大,而且新上钼丝伸长后容易短路回退,如果跳出导轮也容易拉断钼丝。 因此,钼丝张紧力要定期调整到合适大小。 (4) 废除的断丝头造成的断丝。 钼丝固定端剪断的钼丝如果混入线路中或者在 丝筒上面叠丝也会造成断丝,因此,剪掉的钼丝应该放入专用容器中,避 免引起断丝。 (5) 钼丝打折或者叠丝造成断丝。钼丝不耐弯曲,因此钼丝打折或者在储丝筒 上叠丝都很容易造成断丝,对此,在上丝或者调整钼丝张力的时候一定要 注意。

2.3.6 跟切割工艺参数有关的断丝

(1) 工艺参数设置不合理造成的断丝。 工艺参数选择不合理会对钼丝损耗有很 大影响,过大的损耗会加快断丝。工艺参数的选取应该根据具体的零件而 选择,如零件的材质、尺寸、精度要求等。参数选取一般由操作人员凭经 27 验选取,也可以凭借一些智能技术,如神经网络中的 BP 算法等进行优化 选取切割工艺参数。 (2) 对于大厚度零件,通常排屑困难,工作也很难进入切缝中去,因此进给速 度不能太快,否则容易引起短路或拉弧现象,从而很快烧断钼丝。所以要 选择大的脉宽等,让工作液充分冲刷切缝中的蚀除物,否则加工不稳定, 烧断钼丝,但是过大的工作电流也很容易烧断钼丝。 (3) 对于薄壁类零件,如果进给速度过快,也容易造成频繁短路,钼丝也很容 易烧断或拉断。因此,切割工艺参数选择不能过大。

2.4 加工控制

2.4.1 线切割机床的加工原理 (1)线切割——数控电火花线切割加工的简称。 (2)工作原理:利用移动的金属丝作工具电极,并在金属丝和工件间通以脉冲 电流,利用脉冲放电的腐蚀作用对工件进行切割加工的。 (3)由于它利用的是丝电极,因此,只能作轮廓切割加工。 (4)工作原理如图 6 所示。

28

图 6 线切割机床的加工原理

1--数控装置 2--储丝简 3--导轮 4--电极丝 5--工件 6--喷嘴 --数控装置 -- --储丝简 -- --导轮 -- --电极丝 -- --工件 -- --喷嘴 -- 7--绝缘板 8--脉冲发生器 9--液压泵 10--水箱 11--控制步进电动机 --绝缘板 -- --脉冲发生器 -- --液压泵 --水箱 --控制步进电动机 -- -- --

(5)当工件与线电极间的间隙足以被脉冲电压击穿时,两者之间即产生火花放 电而切割工件。 (6)通过数控装置 l 发出的指令,控制步进电动机 11,驱动 X、Y 两托板移动, 可加工出任意曲线轮廓的工件。

2.4.2

加工控制功能

线切割加工控制和自动化操作方面的功能很多,并有不断增强的趋势,这对 节省准备工作量、提高加工重量很有好处,主要有: 1)进给速度控制 能根据加工间隙的平均电压或放电状态的变化,通过取样、变频电路,不定

期地向计算机发出中断申请,暂停插补运算,自动调整伺服进给速度,保持某一 平均放电间隙,使加工稳定,提高切割速度和加工精度。 2)短路回退 经常记忆电极丝经过的路线。发生短路时,改变加工条件并沿原来的轨迹快 29 速后退,消除短路,防止断丝。 3)间隙补偿 线切割加工数控系统所控制的是电极丝重心移动的轨迹。因此,加工有配合 间隙冲模的凸模时,电极丝中心轨迹应该向原图形之外偏移,进行“间隙补偿” , 以补偿放电间隙和电极丝的半径; 加工凹模时, 电极丝中心轨迹应向图形之内 “间 隙补偿” 。 4)图形的缩放、旋转和平移 利用图形的任意缩放功能可以加工出任意比例的相似图形; 利用任意角度的 旋转功能可使齿轮、电动机定转子等类零件的编程大大简化,只要编一个尺形的 程序,通过旋转功能就可切割出整个齿轮;而平移功能则同样极大地简化了跳步 模具的编程。 5)适应控制 在切割工件厚度变化的场合,改变规准之后,能自动改变伺服进给速度或电 参数(包括加工电流、脉冲宽度、间隔) ,不用人工调节就能自动进行高频率、 高精度的稳定加工。 6)自动找中心 使孔中的电极丝自动找正后停止在孔中心处。 7)信息显示 可动态显示程序号、计数长度等轨迹参数,较完善的采用计算机 CRT 屏幕显 示,还可以显示电规准参数、切割轨迹图形和切割速度、切割时间等。 此外,线切割加工控制,还具有故障安全(断电记忆等)和自诊断等功能。

2.4.3

线切割的加工形式

线切割加工可以分为平面加工、锥度加工和二次切割加工等 1,平面加工 平面加工——是指电极丝在加工过程中始终是严格垂直的,电极丝只在 X、Y 方 30 向移动,进行二维平面外形的加工。 2,锥度加工 锥度加工——是指在加工过程中,通过对 X、Y、U、V 轴的控制,实现上下异形 的立体加工。 在进行锥度加工时需要指定变量的值: A:定义所要加工的锥度、 Z1:程序面高度 Z2:加工速度显示面高度、 Z3:上导嘴到工作台上表面距离(等于ΔZ3 S Z5) ΔZ3:用于确定 Z3 的参数,该参数在设备安装调试后由系统自动测定 S: 上导嘴与工件上表面间隙, 在工件装夹完毕后用塞尺测出, 一般取 0.1~0.2mm 为宜。 Z4: 下导嘴到工作台上表面距离, 该参数在设备安装调试后由系统自动测定; Z5: 与程序面对应的非程序面高度。

图 7 锥度加工装置 1-电极丝回收 2-电极丝下导轨 3-电极丝上导轨 4-电极丝供给 5-V 轴驱动器 电极丝回收 电极丝下导轨 电极丝上导轨 电极丝供给 6-U 轴驱动器 7-Y 轴驱动器 8-X 轴驱动器 9-数控纸带 数控纸带

31

图8 A:定义所要加工的锥度;Z1:程序面高度; Z2:加工速度显示面高度; 定义所要加工的锥度;Z1:程序面高度; Z2:加工速度显示面高度; Z3:上导嘴到工作台上表面距离(等于Δ Z5) Z5:与程序面对应的非程序面高度; Z3:上导嘴到工作台上表面距离(等于ΔZ3 S Z5) ;Z5:与程序面对应的非程序面高度; 的参数,由系统自动测定; 上导嘴与工件上表面间隙, 0.1~ ΔZ3:用于确定 Z3 的参数,由系统自动测定;S:上导嘴与工件上表面间隙,一般取 0.1~ Z3: 为宜。 0.2mm 为宜。

图 9 锥度

锥度 A 值的正负号定义与所使用的丝半径偏置方式(G41、G42)有关 值的正负号定义与所使用的丝半径偏置方式( 、 )

3,二次切割加工 (1)二次切割加工——预先留出精加工余量进行第一次切割加工,然后针对留 下的精加工余量,把加工条件改为精加工条件,分段缩小偏置量,再进行切割加 工。 32 (2)一般可分为 1~5 次切割,称为二次切割加工法。 二次切割加工有如下三个目的: 1)可去掉第一次切割时在起始接头处留下的凸起部分。 2)改善表面粗糙度。逐渐改变每次切割时的电条件,降低单个脉冲能量,改善 加工表面粗糙度。 3)提高尺寸精度。 经过热处理的材料,内部会产生应力,这种应力在内部是处于稳定状态的,但经 过线切割放电机加工后,会破坏这种稳定状态,使内部应力释放,产生变形。 对粗加工后的工件,再进行 1~4 次的精加工,可改善表面粗糙度,还能修正尺 寸精度。

图 10 一次切割留下的凸起部分

A 值的正负号定义 4 锥度加工参数意义

33

2.4.4

加工环境

环境的选择与线切割电放电加工设备及其操作人员有直接关系, 环境选择的 好坏有以下影响:其一,损坏设备性能及精度,使其机床寿命缩短;其二,影响 工件加工精度,造成品质不良;其三,对操作者的安全及身体健康也有危害。故 而,在环境场所的选择应考虑以下事项: 1,满足线切割机床所要求的空间尺寸; 2,选择能承受机床重量的场所; 3,选择没有振动和冲击传入的场所。 线切割放电机床是高精度加工设备,如果所放置的地方有振动和冲击, 将会对机台造成严重的损伤,从而严重影响到加工精度,缩短其使用寿 命,甚至导致机器报废。 4,选择没有粉尘的场所,避免留太多的通道旁边; (1) 线切割放电机床本身的特性,空气中有灰尘存在将会使机器的丝 杆受到严重磨损,从而影响使用寿命; (2) 线切割放电机床属于计算机控制,计算机所使用的磁盘对空气中 灰尘的要求相当严格,当磁盘内有灰尘进入时,磁盘就会被损坏, 同时也会损坏硬盘; (3) 线切割放电机床本身发出大量热,所以控制柜内需要经常换气, 若空气中灰尘太多,则会在换气过程中附积到各个电器组件上, 造成电器组件散热不良,从而导致电路板被烧坏掉,因此,机台 防尘网要经常清洁。 避免阳光通过窗户和顶窗玻璃直射及靠近热 5,选择温度变换小的场所,

流的地方 (1) 高精密零件加工产品需要在恒定的温度下进行,一般室温为 20
0

C;

(2) 由于线切割放电机器本身工作时产生相当大的热量,如果温度变 化太大则会对机器使用寿命造成严重影响。 34 6,选择屏蔽屋;因线切割放电加工过程属于电弧放电过程,在电弧放电 过程中会产生强烈的电磁波,从而对人体健康造成伤害,同时会影响 到周围的环境。 7,选择通风条件好,宽敞的厂房,以便操作者和机床在最好的环境下工 作。

第三章

电火花线切割加工质量

3.1 电火花线切割加工精度
加工精度包括:被加工工件的外形精度,位置精度及表面粗糙度。影响电火 花线切割机床加工的因素主要有偏移量、取件位置、切割路线、起点、装夹与定 位及引入、超出、超切、回退程序等。 3.1.1 外形精度 1,被加工工件的外形精度是指从 XY 平面看到的加工外形的平面精度(即尺寸精 度),被加工表面的 Z 向垂直度。 2,提高外形精度:要求切割面的线性度要小。即:被加工表面要均匀平滑,垂 直度小。

3,慢走丝线切割加工的工件多为正腰鼓形,即工件中部凹进, 4,快走丝却相反,一般是工件中部凸出。

3.1.2 位置精度 1,位置精度——是指所切割轮廓间的相对位置偏差。 35 2,位置精度的决定因素: a.机床本身的精度,即机床的机械精度和控制精度; b.操作过程中所选用的定位方式。

3.1.3

加工表面粗糙度

1,表面粗糙度——是指加工后轮廓表面的微观不平度。 2,表示粗糙度的参数主要有:Rɑ、Rz、Ry。 3,慢走丝线切割加工的表面粗糙度用下列公式表示:Ry = kz tk0.38 Ip0.34 式中:κz 为常数;tk 为脉冲宽度(μs);Ip 为脉冲峰值电流(A)。

3.1.4

保证线切割机床加工精度的措施

1,

反响间隙补偿量的测量

(1) 将磁性表座吸在 X、Y 台面上,将千分表夹在表坐上,移动 X 轴,使千分 表的探头与线架下臂接触,表的探头方向与 X 轴平行,同时 X、Y 台面平 行。 (2) 移动 X 轴,使表针指向千分表量程的 1/3 处; (3) 在主菜单下 F5(人工)菜单中按 F2 选择单步子菜单,在单步菜单中,按 F6 功能键选择步长为+100μm, F1 使 X 轴正方向移 100μm, 按 记取千 分表上的读数 X1,再按 F1 使 X 轴正方向再移动 100μm,记取千分表上

的读数 F2,按键选择步长为-100μm,按 F1 移动 X 轴,记取千分表上的 读数 X3,这样将 X=X3-X1 即得到 X 轴补偿量。 (4) 用同样的方法测出 Y 轴的补偿量 Y; (5) 在主菜单下按 F4(设置)键,进入设置功能子菜单,按 F2 进入间隙设定 子菜单,分别按 F1,F2,按提示输入补偿量 X、Y,输入的补偿量以绝 对值略小于测得值为宜,如测得 X 轴为-1.5μm 输入-1μm; 36 (6) 反复(1)~(5)操作,使测得补偿量值为最小,注意,再次测得的补偿 量输入时应与上次的补偿量相加,如系统已显示齿补量为 3μm,又测得 为-1μm,则应输入 2μm。 2, 确定钼丝偏移量 编程时首先要确定钼丝中心运动轨迹与切割轨迹之间的偏移量,如图所示, f=d/2+z,式中:d 为钼丝直径;z 为单边放电间隙。放电间隙与工件材料、结构、 走丝速度、 钼丝张紧情况、 导轮的运行状态、 工作液种类、 供夜情况和清洁程度、 脉冲电源等因素有关。偏移量度的准确与否直接影响工件加工的尺寸精度。一般 可根据脉冲电源参数与放电间隔的关系的基本规律估算出放电间隙。如 DK7732e 机床采用快走丝,在加工电压等于 60~80V 时,z=0.01~0.02mm。对 加工精度要求较高的工件,此时多采用试切工件的方法来检测。

3,保证加工表面粗糙度的措施 (1) 根据线切割工作的特点,钼丝需要频繁的换向来进行加工,钼丝在换向的 瞬间会造成其松紧不一,钼丝张力不均匀,从而引起钼丝振动,直接影响 37

加工表面粗糙度,所以应尽量减少钼丝运动的换向次数,在加工条件不 变的情况下,加大钼丝的有效工作长度,可减少钼丝的换向次数,减少钼 丝的抖动,促进加工过程的稳定,提高加工表面质量。 (2) 脉冲电源是影响加工表面粗糙度的重要因素,脉冲电源采用矩形波脉冲, 因为它的脉冲宽度和脉冲间隔均连续可调,不易受各种因素干扰,所以减 少单个脉冲能量,可改变表面粗糙度。影响单个脉冲能量的因素有脉冲宽 度、功放管个数、功放管峰值电流,所以减小脉冲宽度、减小峰值电流, 可改善加工表面粗糙度,然而,减小脉冲宽度,生产效率大幅度下降,不 可用;减小功放管峰值电流,生产效率也会下降,但影响程度比脉冲宽度 小,因此,减小功放管峰值电流,适当增加脉冲宽度,调节合适的脉冲间 隔,这样,即可提高生产效率,又可获得较低的加工表面粗糙度。 (3) 进给速度要适当。DK7732e 线切割机床的加工进给速度分为 0~10 共十 档,速度从慢到快,进给速度过低会降低进给效率,过高会引起短路频繁 甚至烧丝。经试验并总结,当系统的加工的电流达到加工电源短路电流的 75%~80%时, 屏幕显示步进频率 S 大致恒定 (不包括运丝电机换向时间) , 控制面板上电压表指针稳定,加工进给速度比较恰当。 4,正确选择切割路线 切割路线应有利于保证工件在切割过程中的刚度和避开应力变形影响, 如图 1 所示,模块装夹固定其左边,图 1 中是从五角星凸模右侧,按箭头方向切割, 由于坯料两侧的连接材料很快被割断, 左侧工件刚性很差, 难以抵抗应力而变形, 使得五角星凸模尺寸精度产生较大误差, 若改用图 2 路线进行切割, 则模坯产生 变形,从而保证了五角星凸模的储存精度。

38

图1

图2

3.2 工艺参数对加工精度的影响

3.2.1 电参量对加工工艺指标的影响 电参量——是指脉冲电源的参变量,包括脉冲峰值、脉冲宽度、脉冲频率和 电源电压。 1, 脉冲峰值电流 对加工工艺指标的影响 39 在其他参数不变的情况下,脉冲峰值电流的增大会增加单个脉冲放电的能 量,加工电流也会随之增 大。线切割速度会明显增加,表面粗糙度变差。 2,脉冲宽度对加工工艺指标的影响 (1)在加工电流保持不变的情况下,使脉冲宽度和脉冲停歇时间成一定比例 变化。 (2)脉冲宽度增加,切割速度会随之增大,但脉宽增大到一定数值后,加工 速度不再随脉冲的增大而增大。 (3)线切割加工的脉冲宽度一般不大于 50μs。 (4)增大脉宽,表面粗糙度会有所上升。 3,脉冲频率对加工工艺指标的影响 (1)单个脉冲能量一定的条件下,提高脉冲放电次数,即提高脉冲频率,加 工速度会提高。 (2)理论上,单个脉冲能量不变,则加工表面的粗糙度也不变。 (3)事实上,对快走丝线切割,当脉冲频率加大时,加工电流会随之增大, 引起换向切割条纹的明显不同,切割工件的表面粗糙度会随之变差。 4,电源电压对加工工艺参数的影响 (1)峰值电流和加工电流保持不变的条件下,增大电源电压,能明显提高切 割速度,但对表面粗糙度的影响不大。 (2)在排屑困难、小能量、小粗糙度条件下,以及对高阻抗、高熔点材料进 行切割加工时,电源电压的增高会提高加工的稳定性,切割速度和加工 面质量都会有所改善。

3.2.2

非电参量对加工工艺指标的影响

1,走丝速度 (1)对切割速度的影响:主要是通过改变排屑条件来实现的。 (2) 提高走丝速度有利于: 电极丝把工作液带入较大厚度的工件放电间隙中; 电蚀产物的排出,使加工稳定,提高加工速度。 (3)走丝速度过高:会导致机械振动加大、加工精度降低和表面粗糙度增大, 40 并易造成断丝。 (4)对快走丝线切割,应考虑由于丝电极速度的改变所产生的换向切割条纹 对表面粗糙度的影响。 2,电极丝张力对加工工艺指标的影响 (1)提高电极丝的张力可以减小加工过程中丝的振动,从而提高加工精度和 切割速度。 (2)假如过分增大丝的张力,会引起频繁断丝而影响加工速度。 (3)电极丝张力的波动对加工稳定性和加工质量影响很大,采用恒张力装置 可以减小丝张力的波动。 3,电极丝对加工工艺指标的影响 (1)包括丝的材料和丝的粗细两个方面 (2)丝电极材料:慢走丝线切割多采用黄铜和紫铜丝作为电极材料,快走丝线 切割多采用钼丝和钨钼合金作为电极材料。 (3)丝的粗细:增大丝半径,可以提高电极丝容许的脉冲电流值,可以提高 加工速度,但同时,加工表面粗糙度增大。一般,使用粗电极丝切割厚 工件;使用细电极丝切割粗糙度要求高的工件。 4,工件厚度对加工工艺指标的影响 (1)切割薄工件时工作液易于进入和布满放电间隙,有利于排屑和消除电解 液过程中工作液里的正负离子。但工件太薄,则易使电极丝抖动,不利 于加工精度和表面粗糙度。 (2)切割厚工件时 工作液难以进入和布满放电间隙,故加工稳定性差,但由于电极丝不易 抖动,故加工精度和表面租糙度较好。

5,工作液对加工工艺指标的影响 (1)工作液的作用:介电、冷却、排屑等 (2)对加工速度和加工质量的影响: 用煤油加工出的工件呈暗灰色; 用去离子水加工出的工件呈灰色; 41 用乳化液加工出的工件呈银白色。 (3)工作液的电阻率对加工速度的影响: 快走丝线切割机床的工作液装置一般都没有净化设施,工作液使用时间 不能太长; 慢走丝线切割由于多用去离子水,所以应定期更换离子交换树脂。

第四章

案例分析

4.1 3B 格式编程(无间隙补偿程序)
格式:Bx By BJ G Z,符号意义 (1)B 分隔符。表示一条程序段开始,并装将 x、y、J 等分隔开。 坐标值。以μm 为单位。

(2)x、y

对于直线, y 为直线终点坐标。 x、 (注: 坐标原点在直线起点, 原点不固定。 ) 如图 4-1(a)所示。 对于圆弧,x、y 是圆弧起点坐标,坐标原点在圆心。如图 4-1(b)所示。

a) 图 4-1 x、y 坐标值的确定 a)对于直线 b)对于圆弧 (3)J 计数长度。加工线段在选定坐标轴的投影长度。

b)

42

对于直线,取最长的投影长度,如图 4-2(a) ,取 Jx=B10000。 对于圆弧,取各段投影长度的总和,如图 4-2(b) ,J=J1+J2+J3。

a) 图 4-2 计数长度的确定 a)对于直线 b)对于圆弧 (4)G 影。 对于直线,取投影长度最大的坐标轴为计数方向。

b)

选定计数方向。有 Gx、Gy 两种,表示 J 是取 X 轴还是 Y 轴上的投

对于圆弧,由圆弧终点落在的范围而定,终点落在阴影区取 Gx,否则取 Gy。

如图 4-3 所示。

图 4-3 计数方向的选定 (5)Z 加工指令,分为 12 种,如图 4-4 所示。 43

直线四种:L1、L2、L3、L4。其中 L1 为向第一象限运动,其余以此类推。 顺圆四种:SR1、SR2、SR3、SR4。其中 SR1 为第一象限顺圆,其余以此类推。 逆圆四种:NR1、NR2、NR3、NR4。其中 NR1 为第一象限逆圆,其余以此类推。 注意:对于过象限圆弧,以圆弧起点象限来定。

图 4- 4 加工指令

4.2 案例一(3B 编程)
如图 4-5 所示为一凸模零件,S 点为穿丝孔。

44

I K
24 12
R9

R9

H C D E
12 42
R8

G

A s

B
15

F

图 4- 5 凸模 程序如下: B0 B10000 B10000 Gy L2 B15000 B0 B15000 Gx L1 B0 B12000 B12000 Gy L2 B12000 B0 B12000 Gx L1 B0 B12000 B12000 Gy L4 B7000 B0 B7000 Gx L1 直线插补引入 直线插补 直线插补 直线插补 直线插补 直线插补 A→B B→C C→D D→E E→F S→A

B0 B8000 B8000 Gy NR4 B0 B7000 B7000 Gy L2 B0 B9000 B9000 Gy SR3 B24000 B0 B24000 Gx L3 B9000 B0 B9000 Gx SR4 B0 B25000 B25000 Gy L4

R8

逆圆插补 直线插补

F→G G→H H→I I→J J→K K→S

R9

顺圆插补 直线插补

R9

顺圆插补 直线插补

45

4.3 案例二(绘图自动编程)
如图 4-6 所示,为一含有凹模的零件,S 点为穿丝孔,分步加工出该零件。

8 R1

?1 5

G F O
27
R9

E

A S

B
18 36

C D

图 4-6

凸模(含凹模)

步骤一 加工凹模 1, 打样冲 O

2, Φ3mm 钻头 钻孔 O 处 3, 线切割加工凹模Φ15mm 圆孔 加工程序为

B0 B7500 B7500 Gy L2 B0 B3000 B3000 Gy SR2 B0 B7500 B7500 Gy L4

直线插补引入 顺圆插补 直线插补 G→G G→O

O→G

步骤二 加工凸模(绘图自动编程—KS 自动编程系统)

46

1,作图

47

48 2,生成加工程序

49

50

结论
实践是检验真理的唯一标准,当然也是检验学习成果的标准。通过做毕业设 计,我了解了如何将自己所学的知识应用到实践中,因为任何知识都源于实践, 归于实践,所以要在实践中检验自己所学的知识。

在这期间,通过自己的不断努力,无论是思想上,还是学习上都取得了长足 的发展和巨大的收获。思想上,明白了应该用科学的精神来解决问题。很多看似 简单的问题,实际做的时候会发现很多奥妙含在其中,这是因为其中蕴含了科学 的道理,所以要用科学的方法来解决。带着科学的精神运用科学的方法解决问题 是我这次毕业设计思想上的收获。 21 世纪机械制造业的重要性表现在他的全球化,网络化,虚拟化,智能化 以及环保协调的绿色制造等。它将使人类不仅要摆脱繁重的体力劳动,而且要从 繁琐的计算、分析等脑力劳动中解放出来,以便有更多的精力从事高从此的创造 性的劳动,它使生产系统具有更完善的判断力与适应能力,当然这些还需要我们 进一步的努力。 而线切割作为精密加工方式的一种更是现代化加工制造行业的领 跑,快慢走丝呈相互拟补,相互竞争,相互促进,各具特色,各展所长,将是长 期共存的局面。 通过这次毕业设计, 我了解了冷冲模具的工作原理, 熟悉了模具设计的步骤, 锻炼了自身的实践能力,培养了自我独立设计能力。此次毕业设计是对我专业理 论知识和实践能力的一次巩固和检验,同时也是走向工作岗位前的大热身。 实践出真知,这次毕业设计让我把以前忘了的知识慢慢找了回来,对一些查 阅资料等技能进一步的巩固,但是依然存在些许不足,学校学习的知识毕竟只是 皮毛,深层次的知识和技能经验需要以后在工作中慢慢学习,慢慢积累,相信我 会实现自我价值,为现代社会主义社会添砖加瓦!

51 致谢
毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核, 也是对我们进行科学研 究基本功的训练,培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能

力,为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。 本次设计能够顺利完成,首先我要感谢我的母校——成都市技师学院,是她 为我们提供了学习知识的土壤,使我们在这里茁壮成长;其次我要感谢我们机械 工程系的老师们,他们不仅教会我们专业方面的知识,而且教会我们做人做事的 道理; 尤其要感谢在本次设计中给与我大力支持和帮助的于华燕老师, 每有问题, 老师总是耐心的解答,使我能够充满热情的投入到毕业设计中去;还要感谢我的 同学们,他们热心的帮助,使我感到了来自兄弟姐妹的情谊;最后还要感谢相关 资料的编著者和给予我们支持的社会各界人士, 感谢您们为我们提供一个良好的 环境,使本次设计圆满完成。

52 参考文献
1. 先进制造技术导论(王润孝 主编 北京科学出版社 2004) 2. 先进制造技术(黎震 主编 北京理工大学出版社 2009) 3. Mills J.Platts K.Gregory M A framework for the design of manufacturing strategy Processes.A contingency approach1995(04)

4. Ketokivi M.Sehroeder R Manufacturing practices.strategic fit and performance:A routine~based view2004(02) 5. 《KS 线切割编程系统》学习教程 6. 特种加工(刘晋春 白基成 郭永丰 主编 机械工业出版社 2008 第五版) 7. 先进电火花加工技术(赵万生 主编 北京国防工业出版社 2003)

53


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