高速走丝气中电火花线切割精加工编程设计_毕业设计.doc

高速走丝气中电火花线切割精加工编程设计摘 要最近几年来，随着模具的飞速发展，对模具加工表面质量要求不断提高，电火花线切割表面加工技术因此备受关注。这就要求电火花线切割要提高加工面的机械性能，降低表面粗糙度，从而达到提高模具使用寿命的目的。本文介绍电火花线切割加工的加工原理以及工作介质的应用。对传统电火花线切割加工基本原理和基本规律进行了探索和介绍。叙述了电火花线切割新方法的发展，它在合适条件下加工可提高加工精度。在高速走丝电火花线切割中由于加工反作用力是微小的，线电极振动也小。另外，因在一定条件下放电间隙也可以比传统电火花线切割窄，所以试件腐蚀也可以较小。高精度的精加工在高速走丝电火花线切割中可以实现。本文介绍了电火花线切割加工过程中发生的现象和相关的解释并结合mastercam x2软件对线切割实例进行编程设计。关键词 电火花线切割；精加工；mastercam x2软件programming design of mechanism of high-speed wire electrical discharge finishing abstractin recent years, with the rapid development of the mold, the wedm surface processing technology cause so much attention because of the mold surface quality requires continuous improvement. this requires improving mechanical properties of wedm machining surface, and reducing the surface roughness, so as to achieve the purpose of improving the mold life.this article describes the application of the wedm processing principle and media. explores and introduces traditional edm wire cutting basic principles and laws. describes the development of the wedm new method, it can improve the precision under the proper environment. since the processing reaction force is small in the wire electrical discharge finishing, wire electrode vibration. in addition, the discharge gap under certain conditions is narrower than traditional edm wire cutting, so the specimen corrosion can also be smaller. high-precision finishing can be achieved in the high-speed wedm.this article describes wedm phenomenon occurred in the processing and interpretation of wire cut instance of programming design combined with mastercam x2 software.key words：wedm;finishing;mastercam x2 software目 录摘要abstract第一章 绪论- 1 -1.1电火花加工来源和电火花线切割综述- 1 -1.2 本题的背景- 1 -1.3 课题探讨内容- 1 -第二章 电火花加工基本原理- 3 -2.1 气体的放电特性- 3 -2.2 电火花加工的机理- 3 -2.2.1介质间的电离、击穿，形成放电通道- 4 -2.2.2介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀- 5 -2.2.3电极材料的抛出- 5 -2.2.4极间介质的消电离- 6 -2.3 电火花加工的基本规律- 6 -2.3.1金属材料热物理常数对电蚀量的影响- 6 -2.3.2能量和脉冲频率对电蚀量的影响- 7 -2.3.3极性效应和脉冲宽度对电蚀量的影响- 7 -2.4 加工分类- 8 -2.5 本章小结- 8 -第三章 电火花线切割加工基本规律- 9 -3.1 电火花线切割加工分类和特点- 9 -3.1.1电火花线切割分类- 9 -3.1.2线切割加工特点- 10 -3.2 电火花线切割加工的应用范围- 10 -3.2.1加工模具- 10 -3.2.2加工电火花成形加工用的电极- 10 -3.2.3加工零件- 10 -3.3 影响线切割工艺指标的因素- 10 -3.3.1线切割加工工艺指标- 10 -3.3.2电参数的影响- 11 -3.3.3非电参数的影响- 12 -3.3.4工件产生腰鼓形的原因与改善措施- 13 -3.5 ls-wedm各次切割的关系- 13 -3.6 本章小结- 14 -第四章 数控电火花加工实验设备- 15 -4.1 数控电火花线切割加工概述- 15 -4.1.1数控线切割加工机床简介- 15 -4.1.2数控线切割加工特点- 15 -4.2 数控线切割加工工艺指标及工艺参数- 15 -4.2.1线切割加工的主要工艺指标- 15 -4.2.2影响工艺指标的主要因素- 15 -4.3 电火花数控加工机床- 16 -4.3.1机床参数- 16 -4.3.2机床结构- 17 -4.3.3机床的控制系统- 17 -4.4实验操作- 17 -4.4.1机床解锁- 17 -4.4.2装夹工件- 18 -4.4.3对丝- 18 -4.4.4加工液- 18 -4.5本章小结- 19 -第五章 数控电火花线切割加工编程设计- 20 -5.1 mastercam wire x2线切割设计- 20 -5.1.1 mastercam wire x2软件简介- 20 -5.2 wire x2线切割编程设计实例- 20 -5.2.3数控nc程序代码- 23 -5.3本章小结- 23 -总结- 24 -参考文献- 25 -致谢- 26 -插图清单图2-1气体放电特性-3-图2-2 击穿放电-4-图2-3气化膨胀-5-图2-4电极料抛出-5-图2-5极间恢复绝缘-6-图3-1低速走丝线切割原理-9-图3-2高速走丝线切割原理-9-图3-3电火花加工表面硬度-11-图3-4线切割加工表面硬度-11-图3-5腰鼓型-13-图3-6二次切割示意图-14-图4-1机床结构示意图-16-图4-2机床控制系统图-18-图4-3试验部件尺寸图-18-图5-1设置多边形参数-20-图5-2产生多边形-20-图5-3产生连续线-21-图5-4删除后结果-21-图5-5分割结果-21-图5-6设置参数菜单-21-图5-7保存菜单-22-图5-8电极丝切割参数设置菜单-22-图5-9工件参数设置菜单-23-图5-10切割轨迹模拟图-23-图5-11实体切割模拟图-23-铜陵学院毕业设计第一章 绪 论1.1电火花加工来源和电火花线切割综述电火花线切割加工方法是机械制造领域中一种重要的加工技术，它通过两极间脉冲放电的电蚀现象进行各种轮廓和形状的零件加工。这种方法不是靠机械能来对材料进行去除，而是利用电热能、电化学能等特殊的能量形式来实现材料去除。线切割加工无切削力，工件材料硬度对可加工性影响不大，基于这种特点，适合加工各种特殊性能的材料和各种复杂表面及微细、精密、薄壁以及低刚性零件，因而广泛应用于航空、电子、电器、汽车、家电、轻工等领域。关于电蚀现象的最早报道是十七世纪六十年代开始的。首先是利用电蚀现象来制取金属粉末的胶体溶液，至于电蚀现象用于金属加工则较晚。1878年美国用电笔刻字取得专利权，1935年至1937年美国人斯廷纳（apsteiner）和英国人鲁道夫先后取得交流放电切割和直流放电切割的专利权。1943 年几乎同时由前苏联人古雪夫发明了阳极机械加工（anode machining）和拉扎连科夫妇发明的电蚀加工，或叫电火花加工。1946年拉扎连科夫妇为此获得斯大林奖金。1947年美国人帕特斯（cgpeters）发表了非金属（金刚石）的电火花加工方法。1948年在前苏联又发展了一种电接触加工，前苏联人毕尔林将此法用于磨刀，而高夫曼则用其来加工滚珠。1951年至1955年前苏联人又在电火花加工的基础上发展了电脉冲加工（electro-impulse machining）。从此，一种新的加工方法即电蚀加工就逐步发展起来了。1.2 本题的背景电火花加工是用高密度能量的脉冲放电来去除材料的加工方法，它适用于普通机械加工方法难以加工或无法加工的特殊材料或具有复杂形状的工件，因而获得了广泛的应用。生产实践的需要及相关科学技术进步，推动着电火花加工技术不向前发展，20世纪70年代以后其发展速度呈现出明显加快的趋势。我国机械程学会电加工分会赵万升教授等，于1999年曾撰文就国外电火花加工技术的最新发展进行了较为详尽的阐述。其中首先介绍了微细电火花加工的进展：日本东京大学增泽隆久等1984年开发出线电极电火花磨削技术，解决了微细电极的制作与安装问题，并加工出微米极微细轴与孔；1997年该大学的余祖元博士等提出了电极等损耗概念，在其加工中由于电极的损耗只发生电极底面，通过加工路径合理规划，电极端部处于等损耗状态，因此损耗补偿策略变得极为简单，使微三维轮廓的精密电火花加工成为可能。1.3 课题探讨内容本课题从探讨电火花线切割精加工的方法和手段入手，以提高加工精度，加工表面质量，加工效率为目的。着力于探讨电火花线切割精加工的影响因素和编程设计。着重以下几方面问题的探讨：1.高速走丝电火花线切割精加工的加工规律探讨，包括放电间隙、表面粗糙度、直线度及加工速度；2.寻求高速走丝电火花线切割精加工的合理加工参数；3.高速走丝电火花线切割多次加工实验探讨。4.应用软件对电火花线切割进行了实例编程设计。第二章 电火花加工基本原理2.1 气体的放电特性 放电时指电流通过绝缘介质（气、液或固）的一种现象，放电是一种极为复杂的过程，对于电火花加工条件下微小电极间隙内的放电现象，目前探讨的还不深入，通常引用大间隙条件下的气体放电过程来说明。这种放电的伏安特性随时间变化关系如图2-1所示。当置于气体中的两金属电极上的电压逐渐升高时，由于外界的高能粒子能使介质电离，形成了很小的电离电流，即0-a段对于液体，因为会产生气体，也存在电离电流，电压继续提高会使绝缘部分破坏，造成电晕放电，即a-b段，这是一种不稳定的放电状态，带电粒子不能自行增殖，只能在某些局部产生和消灭，保持平衡的放电。若继续提高电压，带电粒子的速度增加，能事被碰撞的分子、原子电离，造成带电粒子不断增殖，向全路绝缘破坏转移，电流急剧增大，成为不稳定的放电，电弧放电，即d-e段，这种放电在时间上连续在空间上集中，放电加工中如出现这一种情况常引起电极和工件的烧伤。但电弧放电在工业上可用作光源、热源、焊接等用处。靠外界因素激发才能维持的放电称为非自持放电；靠本身带电粒子增殖就能的放电称为自持放电，两种放电之间的转折点，即自持放电的初始阶段，称为介质击穿。从介质击穿到电弧放电之间的过渡形式称为脉冲放电（即为广义火花放电）。这种放电在时间上断续、在空间上分散，是电火花加工所采用的放电形式。脉冲放电又可分为火花放电和过渡电弧放电，前者的特点是放电电流密度和伏安特性有急剧的变化（b-c）段，后者的特点是放电电流密度随时间而下降，放电电压随电流的增加而降低（c-d）段。图2-1气体放电特性2.2 电火花加工的机理电火花放电时，电极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下来的，这一微观的物理过程也就是电火花加工的物理本质，或称机理。了解这一微观过程，有助于掌握电火花加工工艺的基本规律，对脉冲电源、进给装置、机床设备等提出合理的要求。从大量实验资料来看，每次电火花腐蚀的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程1。这一过程大致可分为以下四个连续阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离。2.2.1介质间的电离、击穿，形成放电通道当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一个电场。电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。液体介质中不可避免地含有某种杂质(如金属微粒、碳粒子、胶体粒子等)，也有一些自由电子，使介质呈现一定的电导率。在电场作用下，这些杂质将使极间电场更不均匀，当阴极表面某处的电场强度增加到105v/mm (100v/m)左右时，就会产生场致电子发射，由阴极表面向阳极逸出电子。在电场作用下电子高速向阳极运动，并撞击工作液介质中的分子或中性原子(在化学，物理中任何分子都是由一种或多种元素的原子组成的。任何原子都是由带正电荷的原子核和围绕原子核高速运动着的带负电荷的电子所组成，不同元素的原子有不同的电子数，但整个原子的正负电荷都相等因而是中性的)，产生碰撞电离。把最外层轨道上的负电子撞离出去，形成带负电的粒子(主要是电子)和带正电的粒子(子核和轨道剩余的电子构成的正离子)。导致带电粒子雪崩式增多，使介质击穿而电阻率迅速降低，形成放电通道，如图2-2所示。这种由于电场强度增高引起电子发射形成的间隙击穿称为场致发射击穿。另有一种由于阴极表面温度高，局部过热而引起大量电子发射形成的间隙击穿称为热击穿2。电火花加工中，热击穿过多，易引起放电点集中而不分散，导致积碳而转为电弧放电。从雪崩电离开始到建立放电通道的过程非常迅速，理论上仅需10-7s10-8s(0.10.01s)，间隙电阻从绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值(几安到几百安)。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度可高达105106a/cm2。间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压(一般约为2030v)，电流则由零上升到某一峰值电流。间隙电路中导线有了电感，或脉冲电源开关元件频率响应低，则上升下降的都会不陡。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。正负带电粒子相反方向高速运动相互碰撞。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。图2-2 击穿放电2.2.2介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀极间介质一旦被电离、击穿、形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内正极和负极表面分别为瞬时热源，达到很高的温度。通道高温将工作液介质气化，进而热烈分解气化，如煤油等碳氢化合物工作液，高温后裂解成氢气、乙炔、甲烷、乙烯、游离碳黑等；水基工作液则热分解成氢气、氧气的分子甚至原子等。正负极表面的高温除使工作液汽化、热分解气化外，也使金属材料熔化甚至沸腾气化。这些气化后的工作液和金属蒸气，瞬间体积猛增，在放电间隙内形成气泡，迅速热膨胀。就象火药、爆竹点燃后具有爆炸性，如图2-3所示。电火花加工过程中，可看到放电间隙冒出气泡，工作液逐渐变黑，听到轻微的清脆爆炸声。电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、气化了的电极材料抛出蚀除。图2-3气化膨胀2.2.3电极材料的抛出通道和正负极表面放电瞬时高温使工作液气和金属材料熔化、气化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心压力最高，使气化了的气体体积不断向外膨胀，形成一个扩张的“气泡”。气泡上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的熔融金属液体和蒸气，就被排挤、抛出而进入工作液中，如图2-4所示。由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料具有最小表面积，冷凝时形成细小的圆球颗粒(直径约0.1300m随脉冲能量而异)。实际上熔化和气化了的金属抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中收缩小颗粒外，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面电极表面上。这种互相飞溅、镀覆、吸附的现象，在某种条件下可用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。半裸在空气中的电火花加工时，可看见到桔红色甚至蓝白色的火花四溅，它们就是被瞬时局部高压微爆炸抛出的金属高温熔滴和小屑，与磨削时看到的火花类似。观察铜打钢电火花加工后的电极表面，可看到钢上粘有铜、铜上粘有钢的痕迹。进一步分析电加工后的产物，在显微镜下可看到除了游离的碳粒、大小不等的铜和钢的球状颗粒之外，还有一些钢包铜、铜包钢、互相飞溅包容的颗粒。图2-4电极料抛出2.2.4极间介质的消电离随着脉冲电压的结束，脉冲电流迅速降为零，但此后仍应有一段间隔时间，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，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，如图2-5所示。从而保证在别处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。在加工过程中产生的电蚀产物(如金属微粒、碳粒子、气泡等)如果来不及排除、扩散出去，就会改变隙介质的成分，并降低绝缘强度。脉冲火火花放电时产生的热量不及时传出，带电粒子的自由能不易降低，将大大减少复合的几率，使消电离过程不充分，结果将使下一个脉冲放电通道始终集中在某一部位，使介质和金属表面局部过热而破坏消电离过程。这样脉冲火花放电将恶性循环，转变为有害的稳定电弧放电。同时工作液局部高温分解后可能结碳，在该处聚成焦粒而在两极间搭桥，使加工无法进行下去，并烧伤电极和工件。由此可见，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般要有足够的脉冲间隔时间to，这一脉冲间隔时间的选择，不仅要考虑介质本身消电离所需的时间(与脉冲能量有关。但总的来说，消电离时间较快，只需550s)，还要考虑电蚀产物排离放电区域的难易程度(与脉冲爆炸力大小、放电间隙大小、抬刀及加工面积有关)。此外还应留有余地，使击穿、放电点分散、转移，否则若在一点附近放电，易形成电弧。到目前为止，人们对于电火花加工的微观过程的了解还是很不够，诸如工作液成分作用间隙介质的击穿，放电间隙内的状况，正负电极间能量的转换与分配，材料的抛出，电火花加工中热场、流场、力场的变化，通道结构及其振荡，以及煤油工作液的热分解、裂变、带电碳微粒在正电极上的吸附等胶体化学现象等等，都还需要进一步探讨。图2-5极间恢复绝缘2.3 电火花加工的基本规律2.3.1金属材料热物理常数对电蚀量的影响所谓热物理常数是指熔点、沸点（气化点）、导热系数、比热（热容）、溶解热、气化热等，其中前三个热物理常数对电蚀量影响较大。每次脉冲放电时，通道内及正、负极放电点瞬时分别获得大量热能。正、负电极放电点的热能中，除一部分由于热传导散失到电极、工件和工作液外，另一部分依次消耗在以下几方面：1)金属材料的局部表面温度升高，直至达到熔点，每克金属升高1所需热量（cal），称为该金属的比热（热容）；2)处于熔点的固体金属熔化成液体，每熔化一克固体金属所需的热量，称为该金属的熔化潜热；3)熔化的金属液体继续升温至沸点，每克金属液体升高1所需热量，称为该熔液的热容；4)使处于沸点的熔液蒸发成金属蒸汽，每蒸发一克液体金属所需的热量称为气化热；5)金属蒸汽继续加热成过蒸汽，每克金属蒸汽升高1所需的热量称为该蒸汽的热容。2.3.2能量和脉冲频率对电蚀量的影响实践表明，无论正极或负极，都存在单个脉冲的蚀除量vwe与单个脉冲的能量we成正比的关系。而总的蚀除量等于总的有效脉冲蚀除量的总和，至于正极或负极的加工速度vw即单位时间内的蚀除量）基本上与单个脉冲能量和脉冲频率成正比。由于火花放电间隙的负阻特性，击穿后的火花维持电压2025v 左右的常值，而与空载电压击穿电压的关系不大。脉冲频率fp为脉冲周期tp的倒数，而脉冲周期又为脉冲宽度ti与脉冲间隔to之和。但实际加工中，存在着开路（未击穿）、正常电火花放电、不稳定电弧、稳定电弧和短路等。除正常火花放电外，其它几种放电状态都不利于加工，因此实际有效放电频率fe低于电源脉冲频率fp。即脉冲利用率小于1。提高电蚀量和切割速度的途径，在于提高脉冲频率fe增加单个脉冲能量we或提高脉冲利用率。当然实际生产时要考虑到这些因素之间的相互制约关系和对其工艺指标的影响。例如频率过高，脉冲间隔过小，将产生电弧放电；单个脉冲能量大，表面粗糙。2.3.3极性效应和脉冲宽度对电蚀量的影响实验证明，即使所有的加工参数相同，电火花线切割加工时工件接正极或负极，其蚀除量或切割速度也是不一样，这种由于正、负极性接法不同而蚀除量不一样的现象叫做“极性效应”。产生极性效应的基本原因如下：在火花放电过程中，正、负电极表面分别受到负电子和正离子的轰击和瞬时热源作用，在两极表面所分配的能量不一样，因而熔化、气化和抛出的金属量也不一样。一般而言，电火花线切割加工脉宽为0.5s40s，即用短脉冲加工时，负极的蚀除量小于正极。这是因为每次放电时，负电子的质量和惯性较小，容易获得动能和加速度，很快奔向正极。其电能和动能较多地转换成热能用以蚀除金属。而正离子由于质量和惯性较大，起动，加速较慢，有一大部分尚未来得及到达负极表面，脉冲便以结束，所以正极的蚀除量大于负极。在这种情况下切割时工件应接正极，称为“正极性加工”或“正极性接法”。反之当用较长的脉冲（例如脉宽大于300s）加工时，则负极的蚀除量将大于正极，此时工件应接负极，称为“负极性加工”或“负极性接法”。这是因为随着脉冲宽度和放电时间的加长，质量和惯性较大的正离子也逐渐获得了加速，陆续地轰击在负极表面上。正是由于正离子的质量较大，因此它对阴极的轰击破坏作用也比电子显著。但是电火花线切割加工中，加工脉宽大于300s时，加工电流可达3050a左右，由于电极丝很细（一般为0.12mm0.25mm）承受不了这么大的电流而被烧毁。即使承受了，由于电流大，单个脉冲能量大，加工表面粗糙度大，因此电火花线切割加工中一般不采用“负极性”加工，而多数采用“正极性”加工。从提高切割速度和减少电极丝损耗来看（对于wedm-hs而言），极性效应越显著越好。当用交变的脉冲电流加工时，单个脉冲的极性效应便相互抵消，总的极性效应便为零，增加了电极丝的损耗。因此一般都采用单向、直流脉冲电源进行电火花线切割加工，或者用阻尼二极管把负半波消除掉。这是对电火花线切割加工用的脉冲电源基本要求之一。但现在也有人探索采用电压、无极性的加工工艺。当电极丝和工件材料不同时，仍然有极性效应现象，不过这时变得复杂了，因为不同金属材料的熔点、沸点和导热系数不一样，它们的“可加工性”也掺杂在“极性效应”中去了。2.4 加工分类电火花加工按工艺方法分类，分类如下：1.传统电火花加工电火花穿孔、电火花成型；2.电火花磨削加工电火花平面磨削、电火花内外圆磨削、电火花成型磨削；3.线电极电火花加工电火花线切割、其他线电极电火花加工；4.电火花展成加工角合回转电火花加工、其他展成电火花加工。2.5 本章小结本章介绍了电火花加工原理，提出了电火花加工需具备的条件。详细解释了介质间的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离等电加工机理。对电火花的加工规律，既金属材料热物理常数、能量和脉冲频率、极性效应和脉冲宽度等不同参数对电蚀量的影响进行了分析。并按工艺方法对电火花加工进行了分类。第三章 电火花线切割加工基本规律3.1 电火花线切割加工分类和特点3.1.1电火花线切割分类1.按走丝速度分低速走丝方式和高速走丝方式。分别见图 3-1、图 3-2 所示。图3-1低速走丝线切割原理图3-2高速走丝线切割原理2按脉冲电源形式分rc电源、晶体管电源、分组脉冲电源及自适应控制电源等。3按加工特点分 大、中、小型以及普通直壁切割型与锥度切割型等。4按控制方式分 靠模仿形控制、光电跟踪控制、数字程序控制及微机控制等。3.1.2线切割加工特点1. 不需像成型电火花加工那样制作特定电极。2. 加工主要对象是平面，也可加工锥面，但除小拐角必须大于某一r（为电极丝半径+放电间隙）的限制外，任何复杂形状都可加工。3. 轮廓加工所需余量小，利于少无切削，尤其可节约贵重金属。4.电极丝往复使用，损耗小。wedm-ls电极丝一次使用故加工精度高。5. 靠微机控制电极丝轨迹和间隙补偿功能，同时加工凹凸两种模具，间隙可任意调节。6. 用去离子水和乳化液做介质，不必担心火灾，可连续工作。7. 不论工件硬度如何，几乎都可加工。3.2 电火花线切割加工的应用范围电火花线切割加工为新产品试制、精密零件加工及模具制造开辟了一条新的工艺途径，主要应用于以下几个方面。3.2.1加工模具适用于各种形状的冲模。调整不同的间隙补偿量，只需一次编程就可以切割凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等3。模具配合间隙、加工精度通常都能达到要求。此外，还可以加工挤压模、粉末冶金模、弯曲模、塑压模等通常带锥度的模具。3.2.2加工电火花成形加工用的电极一般穿孔加工用的电极以及带锥度型腔加工用的电极，以及铜钨、银钨合金之类电极材料，用线切割加工特别经济，同时也适用于加工微细复杂形状的电极。3.2.3加工零件在试制新产品时，用线切割在坯料上直接割出零件，例如试制切割特殊微电机硅钢片定转子铁心，由于不需另行制造模具，可大大缩短制造周期、降低成本。另外修改设计、变更加工程序比较方便，加工薄件时还可以多片叠在一起加工。在零件制造方面，可用于加工品种多，数量少的零件，特殊难加工材料的零件，材料试验样件，各种型孔、特殊齿轮凸轮、样板、成型刀具。同时还可进行微细加工，异形槽和标准缺陷的加工等。3.3 影响线切割工艺指标的因素3.3.1线切割加工工艺指标电火花线切割加工工艺指标主要包括:切割速度、表面粗糙度、加工精度等。此外，放电间隙、电极丝损耗和加工表面层变化也是反映加工效果的重要内容。1. 切割速度 在保持一定的表面粗糙度的切割过程中，单位时间内电极丝中心线在工件上切过的面积总和称为切割速度，单位为mm2/min。最高切割速度是指在不计切割方向和表面粗糙度等条件下，所达到的切割速度。高速走丝切割速一般为4080mm2/min。2. 表面粗糙度 表面粗糙度是指加工后表面的微观不平度，通常用不平度的算术平均偏差ra值来衡量，单位为m。高速走丝线切割的表面粗糙度一般为 ra52.5m。3. 加工精度 加工精度是指加工后工件的尺寸、几何形状精度（如直线度、平面度等）和相互位置精度（垂直度、平行度等）的总称。高速走丝线切割加工精度在0.010.02m。4. 电极丝损耗 在高速走丝机床中，电极丝损耗量用切割10000mm2后电极丝直径的减少量来表示，一般不应大于0.01mm。5. 表面变质层1) 存在的时间 脉冲宽度宽则产生的变质层就厚。通常，变质层薄时，变质层的厚度与加工表面的粗糙度大小相当，变质层厚时（低电极损耗），其厚度看上去约为表面粗糙度的两倍。要热影响的变质层少时，只能在脉冲宽度窄的加工条件下进行精加工，这样才是有效的。对于硬质合金那样容易碎裂材料的加工，这点特别重要。硬质合金wc-co类，虽然材料的耐热温度高，但因材料的强度低（高温强度高），相应温度梯度的热应力就弱，容易产生裂纹。为防止裂纹，要选择脉冲宽度尽量窄的电气条件。2) 成型放电加工的变质层油中的放电加工的变质层出现渗碳硬化，这是因为油中放电，油分解产生了碳并在高温高压下渗碳，钢铁材料以含碳高的状态形成硬度高的表面层。这是由马氏体和残留的奥氏体以及未熔化的碳化物形成的。3) 线切割放电加工的变质层 水中加工的变质层比母材还软，因是在水中放电，则不存在渗碳现象。成型放电加工和线切割放电加工skd-11的比较实验结果：成型放电加工中，有白层生成并在白层中产生微裂纹，但在线切割放电加工中，则看不到明显的裂纹，所以就这一点而言，线切割加工面优越。在成型放电加工面中，变质层的硬度为维氏硬度900910，比母材还高（母材为800840），如图3-3所示，在线切割加工面中，变质层的硬度反而显著降低，维氏硬度为440，如图3-4所示。变质层的化学组成，可以认为在成型放电加工面中渗碳；而在线切割放电加工面中，铜（阴极电极丝材料）和铁固溶成软的铜-铁固溶体，并混杂在碳化物和残余的奥氏体之间，使硬度下降，因此，要去掉这一层（数微米）。变质层由以下三部分组成：熔化后在放电痕底部留下的再凝固层，凸起物，因放电的高温传导到材料的内部，形成与母材的金属组织不同的组织。因此，变质层厚度由从放电加工表面开始的温度分布所决定的。当用理论计算求它时，应该用热传导理论。图3-3电火花加工表面硬度 图3-4线切割加工表面硬度3.3.2电参数的影响1.切割速度随着加工电流峰值、脉冲宽度、脉冲频率和开路电压的增大而提高，即切割速度随着加工平均电流的增加而提高。2.加工表面粗糙度ra值随着加工电流峰值，脉冲宽度和开路电压的减小而减小。加工间隙随着开路电压的提高而增大。3.表面粗糙度的改善，有利于提高加工精度。4.在峰值电流一定的情况下，开路电压的增大，有利于提高加工稳定性和脉冲利用率。实践表明，改变矩形波脉冲电源的一项或几项电参数，对加工工艺的影响很大，须根据具体的加工对象和要求，全面考虑诸因素及其相互影响关系。选取合适的电参数，既要满足主要的加工要求，又得注意提高各项加工指标。此外，不管加工对象和要求如何，还须选择合适的脉冲间隔，以保证加工稳定进行，提高加工质量4。3.3.3非电参数的影响1.电极丝及其移动速度对工艺指标的影响对于高速走丝线切割，广泛采用直径为0.060.20mm的钼丝，因它耐损耗，抗拉强度高，丝质不易变脆且较少断丝。提高电极丝的张力可减轻丝振的影响，从而提高精度和切割强度，丝张力的波动对加工稳定性影响很大，产生波动的原因是：电极丝在卷丝筒上缠绕松紧不均；正反运动时张力不一样；工作一段时间后电极丝伸长，张力下降。采用恒张力装置可以在一定程度上改善丝张力的波动。电极丝的直径决定了切缝宽度和允许峰值电流。最高切割速度一般都是用较粗的丝实现的。在切割小模数齿轮等复杂零件时，采用细丝才能获得精细的形状和很小的圆角半径。随着走丝速度的提高，在一定范围内，加工速度也提高。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，有利于电蚀产物的排除和放电加工的稳定。但走丝速度过高，将加大机械振动，降低精度和切割速度，表面粗糙度也恶化，并易造成丝，一般以小于10mm/s为宜。低速走丝线切割机床，电极丝的材料和直径有较大的选择范围。由于电极丝张力均匀，振动较小，所以加工稳定性，表面粗糙度，精度指标等均较好。2. 工件厚度及材料对工艺指标的影响 工件材料薄，工作液容易进入并充满放电间隙，对排屑和消电离有利，加工稳定性好。但工件太薄，电极丝易产生抖动，对加工精度和表面粗糙度不利。工件厚，工作液难于进入和充满放电间隙，加工稳定性差，但电极丝不易抖动，因此精度较高，表面粗糙度值较小。切割速度起先随厚度的增加而增加，达到某一最大值后开始下降，这是因为厚度过大时，排屑条件变差。工件材料不同，其熔点、气化点、热导率等都不一样，因而加工效果也不同：1)加工铜、铝、淬火钢时，加工过程稳定，切割速度高。2)加工不锈钢、磁钢、未淬火钢时，稳定性较差，切割速度低，表面质量不好。3)加工硬质合金时，较稳定，切割速度低，表面粗糙度值小。3. 预置进给速度对工艺指标的影响 预置进给速度对切割速度，加工精度和表面质量的影响很大。因此应调节预置进给速度紧密跟踪工件蚀除速度，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5。如果预置进给速度调的太快，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，进给速度调的太慢，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，上下端面切缝发焦黄色。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。此外，机械部分精度和工作液都会对加工效果产生相当的影响。但导轮，轴承偏摆，工作液上下冲水不均匀，会使加工表面产生上下凹凸相间的条纹，恶化工艺指标。影响工艺指标的因素很多，如机床精度、脉冲电源的性能、工作液脏污程度、电极丝与工件材料及切割工艺路线等等。它们是互相关联又互相矛盾的。其中，脉冲电源的波形及参数的影响是相当大的，如矩形波脉冲电源的参数主要有电压、电流、脉冲宽度、脉冲间隔等，所以，根据不同的加工对象选择合理的电参数是非常重要的。 3.3.4工件产生腰鼓形的原因与改善措施腰鼓形如图3-5所示。实际是切缝在垂直度方面产生了误差，主要原因在于：电极丝的振动、工作液的电阻率、加工屑引起的二次放电、进给速度、开路电压等的影响。电极丝振动大则腰鼓形大，反之则小。工件的中间部位，由于金属离子和加工屑的存在，以及由于工作液从工件上下两方向喷入，相对而言电阻率低，处于易放电状态，所以放电间隙变大6。要改善垂直精度，可从以下几方面入手：1. 开路电压不能太大。2. 降低工作液电阻率，则可以减少工件的上下两部位与中间部位的明显放电差异。3. 提高进给速度，可改善垂直精度。4. 电极丝的上下两个导向器尽量距离工件近些，这样可减少电极丝振动。5. 电极丝的张力应选取大值。图3-5腰鼓型3.5 ls-wedm各次切割的关系如图3-6所示，二次切割共分成三步完成。进行二次切割时，各次切割的加工量逐渐减小，每次切割时所用电参数也要随之改变，每次切割的偏移量也在递减。多次切割用于精加工，可大量的节省加工时间。而且，由于二次切割的应用，可以消除线切割放电加工特有的拐角和塌角现象，可实现高精度的棱角的加工，不仅缩短了加工时间，还能在精度方面有较大改善，所以说，今后的线切割放电加工将成为加工方法的主流是不过分的7。图3-6二次切割示意图3.6 本章小结本章主要介绍了线切割加工的分类和特点、应用。重点说明了线切割的工艺指标及其影响因素，从电流峰值、脉冲宽度、脉冲频率和开路电压等电参数和电极丝、工件材料和厚度、工件进给速度等非电参数这几方面做了阐述。解释了高速走丝线切割的工作液的组成和各成分的作用，提示了多次切割之间的关系。第四章 数控电火花加工实验设备4.1 数控电火花线切割加工概述4.1.1数控线切割加工机床简介电火花切割机床是惊醒线切割的基本设备，其性能的好坏直接影响到线切割工件的精度和表面粗糙度。电火花线切割机床组成：机床本体、控制系统、脉冲电源、运丝机构、工作液循环机构和辅助装置（自动编程系统）。线切割机床可分为高速走丝机床和低速走丝机床。4.1.2数控线切割加工特点1）可以加工难切削导电材料的加工。例如淬火钢、硬质合金等；2）可以加工微细异形孔、窄缝和复杂零件，可有效地节省贵重材料；3）工件几乎不受切削力，适宜加工低刚度工件及细小零件；4）有利于加工精度的提高，便于实现加工过程中的自动化。5）依靠数控系统的间隙补偿的偏移功能，使电火花成形机的粗、精电极一次编程加工完成，冲模加工的凹凸模间隙可以任意调节。4.2 数控线切割加工工艺指标及工艺参数4.2.1线切割加工的主要工艺指标1.切割速度2.切割精度3.表面粗糙度4.线电极的磨损量4.2.2影响工艺指标的主要因素1加工参数对工艺指标的影响和选择1）峰值电流is2）脉冲宽度ton3）脉冲间隔toff4）走丝速度5）进给速度2线电极丝对线切割工艺性能的影响1）电极丝直径的影响2）上丝、紧丝对工艺指标的影响3）电极丝垂直度对工艺指标的影响3工件厚度及材料的影响1）工件材料对工艺指标的影响2）材料的厚度对工艺指标的影响4工作液对工艺指标的影响1）高速走丝选用专用乳化液，低速走丝选用去离子水；2）切割速度、厚度、流量、流向、加工精度、表面粗糙度、对工作液浓度的影响。3）含cr的合金材料，工作液的浓度较小，用蒸馏水配制。4）水类工作液，油类工作液对工作液浓度的影响。5）工作液的脏污程度对工艺指标的影响。4.3 电火花数控加工机床4.3.1机床参数 图4-1机床结构示意图电火花线切割加工设备主要由机床本体、脉冲电源、控制系统、工作液循环系统和机床附件组成。本实验（高速走丝对工件的试切）所采用的dk7740型电火花线切割机床（如图4-1）刚度高 、精度保持性好等优点。走丝机构均采用齿形带传动机构、具有平稳噪音低、寿命高等优点。本机床的具体参数如下：1.整机外形尺寸主机 lbh:136512301692. 台面尺寸1)横向宽度（x）400mm2)纵向长度（y）670mm3.工作台1)横向移动量（x）250mm2)纵向移动量（y）400mm4.线架1)横向移动量(u) 8mm2)纵向移动量（v）8mm3)可加工工件最大厚度200mm5.贮丝筒1)贮丝筒滑板最大移动量140mm2)电极丝最大直径0.25mm6.脉冲电源1)脉冲宽度：2、4、8、16、32、64、128（s）七档2)脉冲间歇比: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、134.3.2机床结构机床结构由床身、坐标工作台、运丝机构、丝架、工作液箱、和夹具等几部分组成。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。通常采用箱式结构，应有足够的刚度和强度。床身内部安置电源和工作液箱，考虑电源的发热和工作液泵的振动、有些机床将电源和工作液箱移出床身另行安放。2.坐标工作台部分电火花线切割机床最终都是通过坐标工作台与电极丝的相对运动来完成对工件的加工的。为保证机床精度、刚度和耐磨性有较高的要求。一般都采用“十”字滑板、滚动导轨和丝杆传动副将电机的旋转运动变为工作台的直线运动，通过两个方向各自的进给移动，可合成获得各种平面图形曲线轨迹。为保证工作台的定位精度和灵敏度，传动丝杆和螺母之间必须消除间隙8。3.走丝机构走丝系统使电极丝以一定速度运动并保持一定张力。在高速走丝机床上，一定长度的电极丝平整地绕贮丝筒上。丝张力和排绕时的拉紧力有关贮丝筒通过联轴节与驱动电机相连。为重复使用该段电极丝，电动机有专门的换向装置控制作正反向交替运转。走丝速度等于贮丝筒的线速度，通常为810m/s。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和倾斜一定的几何角度（如锥度切割）。4.3.3机床的控制系统控制系统是电火花线切割加工的重要环节。控制系统的稳定性、可靠性、控制精度