第十章 电火花数控线切割加工机床

第十章电火花数控线切割加工机床线切割加工原理数控线切割机床的型号及主要技术参数数控线切割机床基本构成及运动分析典型部件结构学习导论数控线切割机床是通过线电极对工件进行电加工的设备，待加工工件的形状完全通过工作台相对于电极丝的运动而形成。本章主要介绍线切割加工的原理、影响线切割加工的工艺因素、线切割加工机床的基本构成、线切割加工机床的主要运动。掌握坐标工作台、储丝走丝部件、丝架导轮部件的结构及工作原理，了解线切割机床的数控系统。线切割加工原理一、线切割加工原理(1)电火花线切割加工技术是电火花加工技术的特例，是一种线电极电火花加工技术。如图所示是线切割机床加工的工作原理图。线切割机工作原理图图例一、线切割加工原理(2)电火花线切割加工技术是电火花加工技术的特例，是一种线电极电火花加工技术。如图所示是线切割机床加工的工作原理图。电火花线切割加工设备主要由程序输入输出设备、数控装置、储丝走丝部件、纵横向进给机构、工作液循环系统、脉冲电源等部分构成。线切割机床采用钼丝或硬性黄铜丝作为电极丝。被切割的工件为工件电极，连续移动的电极丝为工具电极。线电极与脉冲电源的负极相接，工件与电源的正极相接。一、线切割加工原理(3)脉冲电源发出连续的高频脉冲电压，加到工件电极和工具电极上(电极丝)，同时在电极丝与工件之间注有足够的、具有一定绝缘性能的工作液，当电极丝与工件间的距离小到一定程度时（通常认为电极丝与工件之间的放电间隙δ电=0.01㎜左右），工作液介质被击穿，电极丝与工件之间形成瞬时火花放电，产生瞬间高温，产生大量的热，使工件表面的金属局部熔化甚至汽化，再加上工作液体介质的冲洗作用，使得金属被蚀除下来。这就是电火花线切割金属的加工原理。工件放在机床坐标工作台上，按数控装置或微机程序控制下的预定轨迹进行运动，最后得到所需要形状的工件。由于储丝筒带动电极丝作正、反向交替的高速运动，所以电极丝基本上不被蚀除，可以较长时间使用。一、线切割加工原理(4)电火花线切割加工，必须具备以下几个条件：工件与电极丝之间保持合适的放电间隙；合适的电规准参数；一定绝缘性能的工作液；满足要求的运动：电极丝作走丝运动，工作台作进给运动；一、线切割加工原理(5)线切割加工的主要部件分别完成下面的功能(1)：输入输出设备向数控系统输送加工指令或将数控系统的运算指令输送到执行机构或操作面板上。数控装置接受输入指令，进行数据处理（译码及间隙补偿）与运算（插补运算），对进给运动进行伺服控制及其它辅助控制。储丝走丝部件控制电极丝以一定的张力和平稳的速度进行走丝，并保证电极丝不重叠地、整齐地排列在储丝筒上。减少电极丝的损耗。一、线切割加工原理(5)线切割加工的主要部件分别完成下面的功能(2)：纵横向进给机构按照数控系统的指令要求，上下工作台在各自伺服机构的驱动下带动工作台作纵向、横向进给运动，实现要求的加工轨迹。工作液循环系统线切割加工的两极必须处于绝缘的液体中。工作液循环系统创造电火花加工所需的环境并及时地带走加工热量及从工件上剥离下来的金属颗粒。脉冲电源提供一定脉宽的一系列矩形脉冲。二、线切割加工特点(1)电火花线切割加工具有以下特点(1)：采用电火花线切割加工，由于只采用一根很细的金属丝做工具电极，因此加工工件时不需要再制作相应的成形工具电极，从而大大降低了由于制作工具电极所需的工作量，节约了贵重的有色金属。在切割加工时，由于电极丝的连续移动，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。利用线切割可以加工出精密细小、形状复杂的工件。例如通过线切割可加工出0.05~0.07㎜的窄缝，圆角半径小于0.03㎜的锐角等。二、线切割加工特点(2)电火花线切割加工具有以下特点(2)：线切割加工零件的精度可达±0.01~±0.005㎜，表面粗糙度可达Ra1.6~0.4μm。在加工时，一般采用一个电规准一次加工完成，中途不需要转换规准。一般不需要对被加工工件进行预加工，只需在工件上加工出穿电极丝的穿丝孔。模具加工中，在线切割加工的切缝宽度与凸、凹模配合间隙相当时，有可能一次切出凸模和凹模来。三、线切割加工的分类(1)靠模仿形加工方式靠模仿形加工是在对工件进行线切割加工前，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地贴着靠模边缘移动，通过工件与电极丝的电火花放电，从而切割出与靠模形状和精度相同的工件来。三、线切割加工的分类(2)光电跟踪加工方式光电跟踪加工是在对工件进行线切割加工前，先根据零件图样按一定放大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，跟踪台上的光电头始终追随墨线图形的轨迹运动，借助于电气、机械的联动，控制机床的纵、横滑板，使工作台连同工件相对电极丝做相似形的运动，通过工件与电极丝的火花放电，从而切割出与图样形状相同的工件来。三、线切割加工的分类(3)数字程序控制加工方式数字程序控制的加工方式不需要制作靠模板也无需绘制放大图，只需要按照计算机的规定对被加工工件编制出数控加工程序。数控线切割机床中的计算机可按照程序中给出的工件形状和几何参数，自动控制机床纵、横滑板做准确的移动，并通过工件与电极丝的火花放电而达到线切割加工的目的。由于这种加工方式采用了先进的数字化自动控制技术，因此它比前面两种线切割加工方式具有更高的精度和广阔的加工范围。三、线切割加工的分类(4)根据电极丝的运行速度的不同，电火花切割机床又分为两大类：高速走丝机床这类机床的电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为8~10m/s，这是我国生产和使用的主要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式。低速走丝机床这类机床的电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s，这是国外生产和使用的主要机种。四、线切割加工的工艺范围电火花线切割可以加工硬质合金，高熔点和已经淬硬后的模具零件。能够很方便地加工出冷冲模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，因此线切割加工在冷冲模的制造中占有很重要的地位。线切割还可以加工塑料模的模套、固定板和拼块等，以及粉末冶金模、硬质合金模、拉深模、挤压模等各种结构类型模具中的部分零件，也可对模具零件中的微型孔槽、窄缝、任意曲线等进行微细加工。在模具制造的工具方面，可用线切割加工金属电极和各种模板及样板等。随着线切割加工技术的不断发展，它在模具制造中的用途将更加广泛。线切割加工的主要工艺指标(1)：切割速度υ是指在保持一定的表面粗糙度的情况下，单位时间内电极丝中心线在工件上切过的面积总和，单位为㎜2/min。最高切割速度υmax是指在不计切割方向和表面粗糙度等条件下，所能达到的切割速度。通常高速走丝线切割速度为40~80㎜2/min，它与加工电流大小有关，为比较不同输出电流脉冲电源的切割效果，将每安培电流的切割速度称为切割效率，一般切割效率为20㎜2/（min·A）。五、影响线切割加工的工艺因素(1)线切割加工的主要工艺指标(2)：表面粗糙度和电火花加工表面粗糙度一样，我国采用轮廓算术平均偏差Ra（μm）来表示表面粗糙情况。高速走丝线切割一般能达到的表面粗糙度为Ra5~2.5μm，最佳可达到Ra1μm。低速走丝线切割一般可达Ra1.25μm，最佳可达Ra0.2μm。电极丝损耗量对高速走丝机床，用电极丝在切割10000㎜2面积后电极丝直径的减少量来表示。一般每切割10000㎜2后，钼丝直径减小不应大于0.01mm。五、影响线切割加工的工艺因素(2)线切割加工的主要工艺指标(3)：加工精度加工精度是指所加工工件的尺寸精度、形状精度(如直线度、平面度、圆度等)和位置精度(如平行度、垂直度、倾斜度等)的总称。快速走丝线切割的可控加工精度在0.01~0.02mm左右，低速走丝线切割可达0.002~0.005mm左右。五、影响线切割加工的工艺因素(3)影响线切割加工的主要工艺因素(1)：脉冲宽度Ti脉冲宽度的大小标志着单个脉冲能量的强弱，对加工效率、零件的表面粗糙度和加工稳定性影响最大。对于不同的工件材料和工件厚度，应合理地选择适宜的脉冲宽度。脉冲宽度越宽，单个脉冲的能量就越大，切割效率也越高。由于放电间隔较大，所以加工较稳定，但是表面粗糙度就差。工件越厚，脉冲宽度应酌情增大，为保证一定的表面粗糙度要求，原则上应以机床走步均匀和不短路为宜。五、影响线切割加工的工艺因素(4)影响线切割加工的主要工艺因素(2)：脉冲间隔T0脉冲间隔是为了解决一定厚度下工件的排屑困难及电解液恢复绝缘状态问题所需的时间间隔。适当地加大脉冲间隔，一方面给排屑以充分的时间，另一方面减少生成一些蚀除物，防止断丝和短路故障，使得加工比较稳定。脉冲间隔大小与粗糙度无关，但与平均电流有很大的关系，平均电流大小又与加工效率成正比，因此，在一定的脉冲宽度和一定功放管输出数量的前提下，脉冲间隔越小，加工效率越高，但稳定性就越差；反之，稳定性好，加工效率就低。五、影响线切割加工的工艺因素(5)影响线切割加工的主要工艺因素(3)：加工电压幅值线切割加工电压幅值常在60~120V之间进行选择。由于机型不同，选择电压幅值也有差别，控制档位也有所不同，一般通过档位可调的波段开关来控制加工电压的幅值。加工电流幅值这是决定单脉冲能量大小的主要因素之一。加工电流幅值增大时，切割速度提高，表面粗糙度变差，电极丝损耗加大甚至断丝。一般加工电流幅值小于40A，平均电流小于5A。线切割加工电流是通过选择功放管输出数量来调节输出电流的大小的。为了保证在各种不同的加工条件下均能获得所需要的平均加工电流，通过功率输出开关控制功率管的输出数目，即控制功率管处于导通状态。五、影响线切割加工的工艺因素(6)影响线切割加工的主要工艺因素(4)：放电波形脉冲放电波形的前沿和后沿以陡些为好。如图10-2所示，如果脉冲前沿不陡，则气化爆炸力不强，使金属蚀除量少，且击穿点早晚不统一，单个脉冲放电能量有差别，使加工表面粗糙度不均匀，前、后沿不陡，还限制了脉冲频率的提高。必须指出，前、后沿太陡会加快电极丝损耗。总之，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。电流波形的前沿上升比较缓慢时，电极丝损耗较少。不过当脉宽很窄时，必须有陡的前沿才能进行有效的加工。五、影响线切割加工的工艺因素(7)影响线切割加工的主要工艺因素(5)：极性线切割加工因脉宽较窄，所以都用正极性加工，工件接电源的正极，电极丝接电源负极。否则切割速度变低而电极丝损耗增大。五、影响线切割加工的工艺因素(8)影响线切割加工的主要工艺因素(6)：工作台进给速度工作台进给速度的调节，对切割速度、加工精度和表面质量的影响很大。调节预置进给速度的原则是应紧密跟踪工件蚀除速度，以保持加工间隙恒定在最佳值上。这样可使有效放电状态的比例大，而开路和短路的比例少，使切割速度达到给定加工条件下的最大值，相应的加工精度和表面质量也好。如果预置进给速度调得太快，超过工件可能的蚀除速度，会出现频繁的短路现象，切割速度反而低，表面粗糙度也差，上下端面切缝呈焦黄色，甚至可能断丝；反之，进给速度调得太慢，大大落后于工件的蚀除速度，极间将偏于开路，有时会时而开路时而短路，上下端面切缝呈焦黄色。这两种情况都大大影响工艺指标。因此，应按电压表、电流表调节进给旋钮，使表针稳定不动，此时进给速度均匀、平稳，是线切割加工速度和表面粗糙度均好的最佳状态。五、影响线切割加工的工艺因素(9)影响线切割加工的主要工艺因素(7)：电极丝材料的种类、名称和规格现有的线切割机床分高速走丝和低速走丝两类。高速走丝机床的电极丝是快速往复运行的，电极丝在加工过程中反复使用。这类电极丝主要有钼丝、钨丝和钨钼丝。常用钼丝的规格为φ0.10~φ0.18mm，当需要切割较小的圆角或缝槽时也用φ0.06mm的钼丝。钨丝耐腐蚀，抗拉强度高，但脆而不耐弯曲，且因价格昂贵仅在特殊情况下使用。五、影响线切割加工的工艺因素(10)影响线切割加工的主