电火花加工的基本原理及设备

第二章线切割加工的基本原理及设备2.1线切割加工的物理本质及特点2.2电火花线切割加工机床简介习题辽阳职业技术学院2.1电火花线切割加工的特点1．特点(1)工原理：是通过电火花放电产生的热来熔解去除金属的，所以加工材料的难易与材料的硬度无关，加工中不存在显著的机械切削力。(2)可以加工硬质合金等一切导电材料。(3)最小角部半径有限制。线切割加工中最小角部半径为电极丝的半径加上加工间隙。(4)线切割加工是利用移动的细金属导线(铜丝或钼丝)做电极，对工件进行脉冲火花放电，切割成型的一种工艺方法，如图2-1所示。辽阳职业技术学院图2-1线切割加工(a)加工示意图543211—绝缘底板；2—工件；3—脉冲电源；4—滚丝筒；5—电极丝(b)线切割加工原理示意图辽阳职业技术学院(5)线切割加工中产品的形状是通过工作台按给定的控制程序移动而合成的，只对工件进行轮廓图形加工，余料仍可利用。(6)线切割加工用移动的细金属导线(铜丝或钼丝)做电极。加工中由于电极丝连续移动，使新的电极丝不断地补充和替换在电蚀加工区受到损耗的电极丝，避免了电极损耗对加工精度的影响。(7)线切割加工只能加工通孔及边缘，能方便地加工出小孔、形状复杂的窄缝及各种形状复杂的零件(如图2-2所示)。辽阳职业技术学院图2-2线切割加工产品实例辽阳职业技术学院2.2电火花线切割加工机床简介2.2.1机床分类、型号1．分类线切割加工机床可按多种方法进行分类，通常按电极丝的走丝速度分成快速走丝线切割机床(WEDM-HS)与慢速走丝线切割机床(WEDM-LS)。1)快速走丝线切割机床辽阳职业技术学院快速走丝线切割机床的电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为8～10m/s，是我国独创的电火花线切割加工模式。快速走丝线切割机床上运动的电极丝能够双向往返运行，重复使用，直至断丝为止。线电极材料常用直径为0.10～0.30mm的钼丝(有时也用钨丝或钨钼丝)。对小圆角或窄缝切割，也可采用直径为0.6mm的钼丝。工作液通常采用乳化液。快速走丝线切割机床结构简单、价格便宜、生产率高，但由于运行速度快，工作时机床震动较大。钼丝和导轮的损耗快，加工精度和表面粗糙度就不如慢速走丝线切割机床，其加工精度一般为0.01～0.02mm，表面粗糙度Ra为1.25～2.5μm。辽阳职业技术学院2)慢速走丝线切割机床慢速走丝线切割机床走丝速度低于0.2m/s。常用黄铜丝(有时也采用紫铜、钨、钼和各种合金的涂覆线)作为电极丝，铜丝直径通常为0.10～0.35mm。电极丝仅从一个单方向通过加工间隙，不重复使用，避免了因电极丝的损耗而降低加工精度。同时由于走丝速度慢，机床及电极丝的震动小，因此加工过程平稳，加工精度高，可达0.005mm，表面粗糙度Ra≤0.32μm。慢速走丝线切割机床的工作液一般采用去离子水、煤油等，生产率较高。慢走丝机床主要由日本、瑞士等国生产，目前国内有少数企业引进国外先进技术与外企合作生产慢走丝机床。辽阳职业技术学院2．型号国标规定的数控电火花线切割机床的型号，如DK7725的基本含义为：D为机床的类别代号，表示是电加工机床；K为机床的特性代号，表示是数控机床；第一个7为组代号，表示是电火花加工机床，第二个7为系代号(快走丝线切割机床为7，慢走丝线切割机床为6，电火花成型机床为1)；25为基本参数代号，表示工作台横向行程为250mm。2.2.2快走丝线切割机床简介由于科学技术的发展，目前在生产中使用的快走丝线切割机床几乎全部采用数字程序控制，这类机床主要由机床本体、脉冲电源、数控系统和工作液循环系统组成。辽阳职业技术学院1．机床本体机床本体主要由床身、工作台、运丝机构和丝架等组成，具体介绍如下：1)床身床身是支承和固定工作台、运丝机构等的基体。因此，要求床身应有一定的刚度和强度，一般采用箱体式结构。床身里面安装有机床电气系统、脉冲电源、工作液循环系统等元器件。2)工作台目前在电火花线切割机床上采用的坐标工作台，大多为X、Y方向线性运动。辽阳职业技术学院不论是哪种控制方式，电火花线切割机床最终都是通过坐标工作台与丝架的相对运动来完成零件加工的，坐标工作台应具有很高的坐标精度和运动精度，而且要求运动灵敏、轻巧，一般都采用“十”字滑板、滚珠导轨，传动丝杠和螺母之间必须消除间隙，以保证滑板的运动精度和灵敏度。3)运丝机构在快走丝线切割加工时，电极丝需要不断地往复运动，这个运动是由运丝机构来完成的。最常见的运丝机构是单滚筒式，电极丝绕在储丝筒上，并由丝筒作周期性的正反旋转使电极丝高速往返运动。储丝筒轴向往复运动的换向及行程长短由无触点接近开关及其撞杆控制(如图3)，调整撞杆的位置即可调节行程的长短。辽阳职业技术学院这种形式的运丝机构的优点是结构简单、维护方便，因而应用广泛。其缺点是绕丝长度小，电动机正反转动频繁，电极丝张力不可调。图2-3快走丝线切割机床结构图123651—上丝机构；2—工作台；3—丝筒电机；4—撞杆；5—接近开关；6—运丝启停开关4辽阳职业技术学院4)丝架运丝机构除上面所叙述的内容外，还包括丝架。丝架的主要作用是在电极丝快速移动时，对电极丝起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持垂直。为获得良好的工艺效果，上、下丝架之间的距离宜尽可能小。为了实现锥度加工，最常见的方法是在上丝架的上导轮上加两个小步进电动机，使上丝架上的导轮作微量坐标移动(又称U、V轴移动)，其运动轨迹由计算机控制。辽阳职业技术学院2．脉冲电源电火花线切割加工的脉冲电源与电火花成型加工作用的脉冲电源在原理上相同，不过受加工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，所以线切割总是采用正极性加工。3．数控系统数控系统在电火花线切割加工中起着重要作用，具体体现在两方面：(1)轨迹控制作用。它精确地控制电极丝相对于工件的运动轨迹，使零件获得所需的形状和尺寸。辽阳职业技术学院(2)加工控制。它能根据放电间隙大小与放电状态控制进给速度，使之与工件材料的蚀除速度相平衡，保持正常的稳定切割加工。目前绝大部分机床采用数字程序控制，并且普遍采用绘图式编程技术，操作者首先在计算机屏幕上画出要加工的零件图形，线切割专用软件(如YH软件、北航海尔的CAXA线切割软件)会自动将图形转化为ISO代码或3B代码等线切割程序。辽阳职业技术学院4.工作液循环系统工作液循环与过滤装置是电火花线切割机床不可缺少的一部分，其主要包括工作液箱、工作液泵、流量控制阀、进液管、回液管和过滤网罩等。工作液的作用是及时地从加工区域中排除电蚀产物，并连续充分供给清洁的工作液，以保证脉冲放电过程稳定而顺利地进行。目前绝大部分快走丝机床的工作液是专用乳化液。乳化液种类繁多，大家可根据相关资料来正确选用。辽阳职业技术学院2.2.3慢走丝线切割机床简介同快走丝线切割机床一样，慢走丝线切割机床也是由机床本体、脉冲电源、数控系统等部分组成的。但慢走丝线切割机床的性能大大优于快走丝线切割机床，其结构具有以下特点：1．主体结构1)机头结构机床和锥度切割装置(U，V轴部分)实现了一体化，并采用了桁架铸造结构，从而大幅度地强化了刚度。辽阳职业技术学院2)主要部件精密陶瓷材料大量用于工作臂、工作台固定板、工件固定架、导丝装置等主要部件，实现了高刚度和不易变形的结构。3)工作液循环系统慢走丝线切割机床大多数采用去离子水作为工作液，所以有的机床(如北京阿奇)带有去离子系统(如图2-4所示)。在较精密加工时，慢走丝线切割机床采用绝缘性能较好的煤油作为工作液。辽阳职业技术学院图2-4去离子系统滤芯过滤筒洁水箱污水箱辽阳职业技术学院2．走丝系统慢走丝线切割机床的电极丝在加工中是单方向运动(即电极丝是一次性使用)的。在走丝过程中，电极丝由储丝筒出丝，由电极丝输送轮收丝。慢走丝系统一般由以下几部分组成：储丝筒、导丝机构、导向器、张紧轮、压紧轮、圆柱滚轮、断丝检测器、电极丝输送轮、其他辅助件(如毛毡、毛刷)等。图2-5为日本沙迪克公司某型号线切割机床的电极丝的送出部分结构图，其中某些部件的作用如下：2—圆柱滚轮可使线电极从线轴平行地输出，且使张力维持稳定辽阳职业技术学院3—导向孔模块可使电极丝在张紧轮上正确地进行导向5—张紧轮在电极丝上施加必要的张力6—压紧轮防止电极丝张力变动的辅助轮7—毛毡去除附着在电极丝上的渣滓8—断丝检测器检查电极丝送进是否正常，若不正常送进，则发出报警信号，提醒发生电极丝断丝等故障9—毛刷防止电极丝断丝时从轮子上脱出辽阳职业技术学院图2-5电极丝送丝装置4567891012131211141516171—储丝筒；2—圆柱滚轮；3—导向孔模块；4、10、11—滚轮；5—张紧轮；6—压紧轮；7—毛毡；8—断丝检测器；9—毛刷；12—导丝管；13—下臂；14—接丝装置；15—电极丝输送轮；16—废丝孔模块；17—废丝箱3辽阳职业技术学院图2-6为北京阿奇工业电子有限公司某型号慢走丝线切割机床的送丝图。(a)电极丝送丝示意图(b)电极丝送丝图图2-6电极丝送丝图导轨废丝筒丝卷张力圈辽阳职业技术学院2.2.4线切割机床常见的功能下面简单介绍线切割机床较常见的功能。(1)模拟加工功能。模拟显示加工时电极丝的运动轨迹及其坐标。(2)短路回退功能。加工过程中若进给速度太快而电腐蚀速度慢，在加工时出现短路现象，控制器会改变加工条件并沿原来的轨迹快速后退，消除短路，防止断丝。(3)回原点功能。遇到断丝或其他一些情况，需要回到起割点，可用此操作。(4)单段加工功能。加工完当前段程序后自动暂停，并有相关提示信息，如：单段停止!按OFF键停止加工，按RST键继续加工。辽阳职业技术学院此功能主要用于检查程序每一段的执行情况。(5)暂停功能。暂时中止当前的功能(如加工、单段加工、模拟、回退等)。(6)MDI功能。手动数据输入方式输入程序功能，即可通过操作面板上的键盘，把数控指令逐条输入存储器中。(7)进给控制功能。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，不断定期地向计算机发出中断申请，自动调整伺服进给速度，保持平均放电间隙，使加工稳定，提高切割速度和加工精度。辽阳职业技术学院(8)间隙补偿功能。线切割加工数控系统所控制的是电极丝中心移动的轨迹。因此，加工零件时有补偿量，其大小为单边放电间隙与电极丝半径之和。(9)自动找中心功能。电极丝能够自动找正后停在孔中心处。(10)信息显示功能。可动态显示程序号、计数长度、电规准参数、切割轨迹图形等参数。(11)断丝保护功能。在断丝时，控制机器停在断丝坐标位置上，等待处理，同时高频停止输出脉冲，丝筒停止运转。(12)停电记忆功能。可保存全部内存加工程序，当前没有加工完的程序可保持24小时以内，随时可停机。辽阳职业技术学院(13)断电保护功能。在加工时如果突然发生断电，系统会自动将当时的加工状态记下来。在下次来电加工时，系统自动进入自动方式，并提示：从断电处开始加工吗按OFF键退出按RST键继续这时，如果想继续从断电处开始加工，则按下RST键，系统将从断电处开始加工，否则按OFF键退出加工。使用该功能的前提是：不要轻易移动工件和电极丝，否则来电继续加工时，会发生很长时间的回退，影响加工效果甚至导致工件报废。(14)分时控制功能。可以一边进行切割加工，一边编写另外的程序。辽阳职业技术学院(16)平移功能。主要用在切割完当前图形后，在另一个位置加工同样图形等场合。这种功能可以省掉重新画图的时间。(17)跳步功能。将多个加工轨迹连接成一个跳步轨迹(如图2-7所示)，可以简化加工的操作过程。图中，实线为零件形状，虚线为电极丝路径。(18)任意角度旋转功能。可以大大简化某些轴对称零件的程编工艺，如齿轮只需先画一个齿形，然后让它旋转几次，就可圆满完成。(19)代码转换功能。能将ISO代码转换为3B代码等。(20)上下异性功能。可加工出上下表面形状不一致的零件，如上面为圆形，下面为方形等。辽阳职业技术学院图2-7轨迹跳步(a)跳步前轨迹(b)跳步后轨迹辽阳职业技术学院习题