线切割技术在机械加工中的应用

焦作大学机电工程学院毕业设计第1页共28页引言一）本课题所设计的内容：国内（外）研究现状综述随着科技的进步与发展，尤其是以计算机。信息技术为代表的高新技术的发展，使制造技术的内涵和外延发生了革命性的变化。数控加工技术是机械制造过程发生了显著的变化，使最具代表性的先进制造技术，目前在模具，汽配等行业已广泛应用。在我国工业技术发展的新形势下，模具加工技术发展迅猛。数控加工，因为称之为NC加工，是以数值，符号构成的信息控制机床，实现自动转动。数控加工经历了半个世纪的发展，已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术。数控加工的最大特征有两点：一是可以极大的提高精度，包括加工质量和加工时间误差精度；二是可以提高加工质量的重复精度，稳定加工质量，保持加工零件的质量一致。也就是说加工零件的质量及加工时间是由数控程序决定而不是由机床操作人员决定的。数控加工具有如下特点：1)提高生产效率；2)不需要熟练的机床操作人员；3)可以提高加精度，并保持加工质量一致；4)可以减少工装夹具；5)容易进行加工过程管理；6)可以减少检查工作量；7)可以降低废品及次品率；8)便于设计变更，加工设定柔性强；9)容易实现操作过程的自动化，一人可操作多台机床；10)操作容易，可以极大的减轻体力劳动的强度。随着制造设备的数控化率不断的提高，数控加工技术在我国已得到了日益广泛得应用。在模具行业，掌握数控技术与否及加工过程中数控化率得高低，已成为企业是否具有竞争里得象征。在模具数控加工中，各种数控加工均有用到，应用最多的是数控铣及加工中心，数控线切割加工与数控电火花加工在模具数控加工中的应用也非常普遍。线切割主要用在各种直壁的模具加工，如冲压模具中的凸凹模，注塑模中的镶块，滑块，电火花加工用电极等……电火花加工在模具中的应用也非常广泛。对于硬度很高的模具零件，采用机加工办法无法加工，大多采用电火花加工。另外，对于模具型腔的尖角，深腔部位，窄槽等也使用电火花进行加工。电火花还焦作大学机电工程学院毕业设计第2页共28页可以用于特殊的模具表面处理。数控电火花线切割加工技术正是模具加工工艺理论领域中的一项关键技术。此项技术跨越机械，电子。控制数学及计算机应用等多个领域，使当代机械专业学生和工程技术人员应该了解的新技术。目前在很多行业新产品的研制和开发过程中，常采用数控电火花线切割技术直接切割零件，从而使研制和开发周期大大缩短，生产效率得以大幅度提升。2、本课题的重点和难点1)工艺参数选择；2)加工质量精度及影响因素；3、对课题的要求及预期目标的可行性分析（包括解决关键问题技术和所需要条件两方面）⑴课题要求：①熟悉CAXA线切割XP系统；②了解CAXA的用法，线切割的工艺步骤等。⑵预期目标的可行性分析①要具备一定的专业知识，只有具备了一定的专业知识才能对机构的分析步骤有一定的了解。在具备专业知识的同时，也要涉及一些与专业知识有关的知识，使要解决的问题很好的解决。②要具备一定的计算机软件知识，特别是CAXA的知识，这样才能对模具进行设计，加工，对机构进行分析，才能把CAXA的线切割仿真做一个较完整的描述。4、完成本课题的工作计划及进度安排1~2周：选择设计方向，收集资料，确定设计内容3~5周：练习CAXA线切割XP6~7周：分析工件结构可行性并修改，设计合理的加工参数。8~9周：进行加工仿真。10~11周：撰写设计过程，总结设计过程，论文答辩焦作大学机电工程学院毕业设计第3页共28页第一章一．电火花线切割的基本原理。1电火花线切割与脉冲放电脉冲放电加工：常用电器开关等产品，在开，段时，其触点之间常出现火花放电，并造成触头表面烧损，产生、腐蚀现象。在研究分析产生此现象的原因时发现：应用火花放电，可蚀除工件表面金属的原理，以加工高硬度材料，形状复杂的工件（如注塑模的凹模型腔）的方法，简称电火花加工。其加工原理是：当在两电极间加上直流电压后，则通过电阻R向、电容C冲电，使C两端电压，即工具电极与工件之间的电压Uc逐渐增加。当Uc增高到足以击穿具有很大电阻，存于极间间隙中的介质（工作液）时，则将形成介质电阻趋于零的火花通道。从而，使储存于C上的电能，瞬间通过通道放出，产生火花放电。此过程，食为将电能转化为热能，以瞬间强电流冲击，并融化工件便面的金属，使在工件表面形成凹陷状的小坑。当过程结束后，介质即恢复近似绝缘状态；使C再次充电，以重复上次火花放电过程。这样，必将在工件表面不断增加小坑数量，若放电频率足够高，则达到工件表面被加工的目的。阴极逸出的电子，将高速向阳极运动，并在运动过程中撞击介质液中的中性分子和原子，使产生电离。从而将形成带负电的粒子（主要为电子），和带正电的粒子（主要为正离子）。其过程如下图：焦作大学机电工程学院毕业设计第4页共28页图1－2二．实现电火花线切割加工的条件工具电极和工件电极之间必须加以60V—300V的脉冲电压，同时还需维持合理的距离——放电间隙。大于放电间隙，介质不能被击穿，无法形成火花放电；小于放电间隙，会导致积炭，甚至发生电弧放电，无法继续加工。两极间必须充满介质。电火花成形加工一般为火花液或煤油，线切割一般为去离子水或乳化液。加工过程简图如下：焦作大学机电工程学院毕业设计第5页共28页+VO-5．两极间恢复绝缘4．加工屑被抛出，形成放电痕。放电柱3000℃以上3．电源通过放电柱释放能量。数μs—1ms。G-2．两极间距G小到一定值时，绝缘被击穿；精加工数μm粗加工数10μm+VO加工液-1．两极间加上无负荷电压VO。图1－3输送到两极间脉冲能量应足够大。即放电通道要有很大的电流密度（一般为104—109A/cm2）。放电必须是短时间的脉冲放电。一般为1s—1ms。这样才能使放焦作大学机电工程学院毕业设计第6页共28页电产生的热量来不及扩散，从而把能量作用局限在很小的范围内，保持火花放电的冷极特性。脉冲放电需要多次进行，并且多次脉冲放电在时间上和空间上是分散的，避免发生局部烧伤。6）脉冲放电后的电蚀产物能及时排放至放电间隙之外，使重复性放电顺利进行。脉冲放电需多次进行，且在时间上，空间上是分散的，以必免发生局部烧伤。。脉冲放电过程中产生蚀除物，须及时随循环介质液排出放电间隙之外，使火花放电能多次，重复地顺利进行，达到工件型面逐层加工的目的。电火花加工在电加工行业中应用最为广泛的一种加工方法，约占该行业的90%。按工具电极和工件相对运动的方式不同，大致可分为电火花成型加工、线切割加工、电火花磨削加工、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化与刻字加工等六大类。其中线切割加工占了电火花加工的60%，电火花成型加工占了30%。随着电加工工艺的蓬勃发展，线切割加工就成了先进工艺制作的标志。三快走丝线切割结构原理及特点快走丝一般分成数控电源柜和主机两大部分，电柜主要由管理控制系统、高频电源和伺服驱动等部分组成；主机主要由X、Y轴（有的带U、V轴）、工作台、丝筒、立柱（或丝架）、工作液箱等部分组成。其工作原理是利用工具电极对工件进行脉冲放电时产生的电腐蚀现象来进行加工，但是电火花线切割加工不需要制作成形电极，而是用运动着的金属丝作电极，利用电极丝和工件的相对运动切割出各种形状的工件，若使电极丝相对于工件进行有规律的倾斜运动，还可以切割出带锥度的工件。快走丝线切割的特点：1）直接用线状电极丝做电极，不需要制作专用电极，可节约电极设计，制造费用。2）可以加工用传统切削加工方法难以加工或无法加工的形状复杂的工件。由于数控电火花线切割机床是数字控制系统，因此加工不同的工件只需编制不同的控制程序，对不同形状的工件都很容易实现自动化加工。很适合于小批量形状复杂焦作大学机电工程学院毕业设计第7页共28页的工件，单件，和试制品的加工，加工周期短。3）利用电蚀原理加工，电极丝于工件不直接触，两者作用力小，因而工件的变形很小，电极丝，夹具不需太高的强度。4）传统的车，铣，钻加工中，刀具硬度必须比工件硬度大，而数控电火花线切割机床的电极丝材料不必比工件材料硬度大，但却可以加工硬度很高或很脆，用一般切削加工方法难以加工和无法加工的材料。在加工中作为刀具的电极丝无须刃磨，可节省辅助时间和刀具费用，5）直接用电，热能进行加工，可以方便的对影响加工精度的加工参数（如脉冲宽度，脉冲间隔，功放，电流）进行调整，有利于加工精度的提高。便于实现加工过程的自动化控制。6）工作液采用水基乳化液，成本低，不会发生火灾。7）采用四轴联动，可加工锥度，上，下面异型体等零件。8）电火花线切割不能加工非导电材料。9）与一般切削加工相比，线切割加工的金属去除率低，因此加工成本高，不适合形状简单的大批量零件的加工。四．数控电火花线切割加工技术在模具加工中的具体应用由于数控电火花线切割加工具有上述许多优点，因此电火花线切割广泛用于加工硬质合金，淬火钢模具零件，样板，各种形状复杂的细小零件，窄缝等，特别是冲模，挤压模，塑料模，电火花加工型腔模所用电极的加工。比如形状复杂，带有尖角窄缝的小型凹模的型孔可采用整体结构在淬火后加工，既能保证模具精度，又可简化模具设计和制造。又如中小型冲模，过去采用分开模和曲线磨削加工方法，现在改用电火花线切割整体加工，使配合精度提高，制造周期缩短，成本降低。目前很多线切割机床采用四轴联动，可以加工锥体，上下异型面扭转体等零件，为数控电火花线切割加工技术在模具加工中的广泛应用，提供了更广阔的前景。五电火花线切割机床分类电火花线切割机床按控制方式分：靠模仿型，光电跟踪控制及数控电火花线切割机床，目前，我国广泛采用的线切割机床主要是数控电火花线切割机床。按其走丝速度分为:快速走丝和慢速走丝线切割机床两种。快速走丝线切割机床采用直径为0.08~0.18mm的钼丝类电极，走丝速度为8~10m/s，而且是往返循环运动，成千上万次的反复通过焦作大学机电工程学院毕业设计第8页共28页加工间隙，一直使用到断丝为止。工作液通常采用5%左右的乳化液。由于电极丝的快速运动能将工作液狭窄的加工缝隙，起到冷却作用，同时还能将电蚀产物带出加工间隙，有利于切割速度的提高。目前能达到的加工精度为0.01mm,表面粗糙度为Ra.2.5~Ra0.63μm，最大切割速度可达50mm/min以上，切割厚度与机床结构参数有关，最大可达500mm，可满足一般模具的加工要求。慢走丝线切割机床采用直径0.03~0.35mm的铜丝做电极，走丝速度为0.05~0.2m/s，电极丝只是单向通过间隙，不重复使用，可避免电极损耗对加工精度的影响。工作液主要是去离子水和煤油。加工精度可达0.001mm，粗糙度可达Ra小于0.32μm。这类机床还能进行自动穿电极丝和自动卸除废料等，自动化程度较高，能实现无人操作加工，但售价比快速走丝要高的多。相对慢速走丝线切割机床来讲，快速走丝机床结构简单，价格便宜，加工生产率较高，精度能满足一般模具要求。因此，目前国内主要生产，使用的是快速走丝数控电火花线切割机床，但慢走丝线切割机床是发展方向，国外已普及了。第二章（一）等分花瓣型工件的加工过程。1）根据图纸和工艺要求，用CAXA线切割XP画图，步骤如下：新建一文件，设置坐标系和中心线。准备工作做完了。开始正式做图了：点击“绘制-基本曲线-圆”选择“圆心-半径”，画好半径分别为13.5，15，56，10，78的圆，然后做半径为37和24的两个相切圆。工件的基本轮廓已出现在图纸上，如下图2－1：焦作大学机电工程学院毕业设计第9页共28页下一步该修剪了。点击“绘制-曲线编辑-修剪”按提示选择要修剪的边界即可；或者直接点击工具条的“删除”功能，修改也可以。修剪完毕，花朵的一个花瓣就画好了。接下来我们要做的就是检查边界是否修剪干净？工件放大，仔细检查。千万不要怕麻烦，线切割本来就是个要耐心的工作哦。如果你现在不修剪好，下一步等分结束，会把你的工作量加大5倍的。检查完毕，等于我们已经拿到打开成功大门的钥匙了。不要激动啊，后面的工作也要细心才对啊！！焦作大学机电工程学院毕业设计第10页共28页图2－2点击“绘制-曲线编辑-阵列”按提示选择“圆形阵列”选择