特种加工9.doc

高低双速走丝电火花线切割工艺高低双速走丝电火花线切割工艺 姓名 冀承林 班级 机设 09 2 班 学号 0930120229 1 1 电火花线切割技术简介电火花线切割技术简介 电火花线切割加工 Wire cutElectricDischargeMachine 以下简称 WEDM 是 采用线状电极作为工具对工件进行脉冲放电实现加工的 线切割机床按电极丝的运 丝速度可分为高速走丝机床和低速走丝机床 电极丝运动速度 7 10m s 的为高速走 丝电火花线切割 简称 HSWEDM 机床 低于 0 2m s 的为低速走丝电火花线切割 简 称 LSWEDM 机床 国产的绝大多数为 HSWEDM 机床 国外的和台湾地区都是 LSWEDM 机床 目前 国内外的线切割机床已占电加工机床的 80 以上 1 11 1 加工原理加工原理 电火花线切割加工的基本原理和电火花成型加工一样 是利用工具电极对工件 进行脉冲放电而实现加工的 但是电火花线切割加工无需制作成型电极 而是采用 细金属丝 电极丝 作为工具电极 图 1 为电火花线切割加工示意图 工件和电极 丝分别接电源的正负极 电极丝以一定的速度往复或单向运动 不断进入和离开放 电区域 同时在电极丝和工件之间浇注放电介质 此时 只要有效控制电极丝相对 工件运动的轨迹和速度就能切割出一定形状和尺寸的工件 图 1 电火花线切割加工示意图 1 贮丝筒 2 电极丝 3 丝架 4 导轮 5 脉冲电源 6 工作台 7 工作液箱 电火花线切割放电加工的微观过程是热 主要是表面热源 和力 电场力 磁 场力 热力 流体力学 等综合作用的过程 这一过程大致可分为介质击穿 放电 通道形成 能量转换与传递 电蚀产物的抛出和消电离等四个相对独立又相互连接 的阶段 1 1 21 2 特点特点 电火花线切割具有电火花加工的共性 亦有其自身的特性 其工艺特点为 1 工件必须是导电材料 2 材料的去除是靠放电时的电能作用来实现的 3 工具电极和工件之间不直接接触 几乎没有切削力 所以加工的材料可以 选用高硬 度的材料 一般加工工件都可在淬火后进行 4 加工对象主要是二维型面 当机床上加上能使电极丝作相应倾斜运动的功 能后 也 可以加工锥面 但是不能加工盲孔 5 自动化程度高 操作方便 易于实现自动化 6 不需要制造成形电极 用简单的电极丝即可对工件进行加工 2 1 31 3 应用范围应用范围 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 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 电火花线切割技术 用于模具制造已相当成熟 据估计约有 75 80 的电火花线切割机床用于模具加工 因此电火花线切割技术已经成为国内外冲压模制造中不可缺少的重要技术 电火花 线切割的具体应用范围如表 1 所示 表 1 电火花线切割技术的应用领域 分类适用范围 二维形状模具冷冲模 冲裁模 弯曲模和拉伸模 粉末冶金 挤压模 塑 料模 三维形状模具冲裁模落料凹 三维型材挤压模 拉丝模 电火花加工用的电 极 加工形状复杂 微细通孔用的电极 加工带斜度的型腔电极 微细精密加工加工化学纤维喷丝头异性窄缝 槽微型精密齿轮及模具 量具轮廓成型刀具外形 样板凸轮及模板 试制品及零件加工试制品直接加工多品种 小批量的几何形状 复杂的零件以及超大厚度零件 特殊材料零件加工半导体材料 铁氧体材料 陶瓷材料 聚晶金刚石 1 2 31 2 3 分类分类 根据电极丝的运行速度 电火花线切割机床通常又分为两大类 一类是高速走 丝电火花线切割 High Speed Wire cut Electric Discharge Machine HSWEDM 这类 机床的电极丝作高速往复运动 一般走丝速度为 6 12m 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 另一类是低速走丝电火花线切 割机 Low Speed Wire cut Electric DischargeMachine LSWEDM 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 2 2 高速走丝高速走丝 2 12 1 走丝方式走丝方式 高低双速走丝电火花多次切割时 一般也是一次切割成型 后续多次切割提高 精度和表面质量 因此 一次切割的首要任务是提高切割效率 而切割精度和表面 质量可通过后续多次切割来完成 由前文可知 在一次切割效率方面 LSWEDM 显 著高于 HSWEDM 但 LSWEDM 高效切割的成本较高 另外 LSWEDM 的核心技 术 目前国内还难以做到完全消化 吸收 国产的 LSWEDM 切割效率与国外仍有 较大差距 故在高低双速走丝高效切割的走丝方式选择上 本文最终选择了高速走 丝切割 高速走丝为我国独创的线切割加工工艺方法 其具有切割厚度大 切割成本低 同时机床的设计 制造技术难度较低 维护和使用极为方便 其工作原理如图 1 所 示 虽然使用乳化液的传统高速走丝线切割效率长期徘徊在较低水平 但随着具有 优秀洗涤性能的复合工作液的出现 高速走丝切割工艺指标获得了长足发展 试验 条件下 在不明显增加切割成本的前提下 其最高切割效率可达 200mm2 min 稳定 切割效率为 120 140 mm2 min 已接近了中档 LSWEDM 实用的一次切割最高 150mm2 min 的切割效率 这极大的缩小了两者之间的差距 因此综合技术难度 经 济成本 切割效率 一次切割采用高速走丝切割方式对高低双速走丝电火花线切割 而言是较佳的选择 2 22 2 供液方式供液方式 为进一步提高一次切割的切割效率 在采用高速走丝切割工艺的基础上 出于 改善放电极间洗涤状态 引进了高压喷液装置 这样在使用复合工作液的条件下 工作液随丝高速带入和高压喷液相结合的极间供液方式 可极大的改善极间的洗涤 状态 图 2 高速走丝高压喷液结构示意图 获得较佳的极间工作状态 为继续提高放电能量创造了条件 从而可进一步提高高 低双速走丝电火花线切割的首道切割效率 其工作原理如图 2 所示 2 32 3 张力控制张力控制 电极丝张力大小对电火花线切割加工效率有着直接的影响 张力越小 对电极 丝的振动幅度抑制能力越差 从而引起切缝宽度的增加 在蚀除速度 单位时间蚀 除的体积 一定的条件下 切割速度 单位时间电极丝扫过的面积 将会降低 因 此 适当增加电极丝张力 以抑制电极丝的抖动 在高低双速走丝高效切割时有利 于提高切割效率 老式的 HSWEDM 上没有恒张力装置 加工一段时间后 一般需要手动紧丝 较为费时费力 现在新式的 中走丝 机床上一般均有恒张力装置 提高了工作效 率 目前各种恒张力装置的工作原理不尽相同 但均能不同程度的实现对电极丝张 力的控制 提高了加工中电极丝的稳定性 3 3 低速走丝低速走丝 3 13 1 走丝方式走丝方式 高速走丝由于其本身固有的缺陷 切割精度长期徘徊在较低水平 从根本上难 有突破 低速走丝则不然 其单向低速走丝方式 可有效提高切割精度 其工作原 理如图 3 所示 因此 为获得高的切割精度 在高低双速走丝后续多次切割中 本 文采用了单向低速走丝方式 高低双速走丝后续多次切割一般处于切缝中或去料后 的半敞开条件下 具有较好的极间洗涤条件 可大大降低对喷液压力的要求 同时 在较小的喷液压力下 可采用复合工作液代替去离子水 以避免昂贵地去离子水装 置 此外 低速走丝切割还可使用目前的高频脉冲电源及控制系统 这样在保留低 速走丝较高切割精度的优势下 极大的降低了低速走丝系统的设计 制造和使用成 本 因此综上所述 1 压紧卷筒 2 电极丝自动卷绕电机 3 滚筒 4 供丝绕线轴 5 预张力电机 6 14 导论 7 恒张力控制轮 8 恒张力控制伺服电机 9 压紧卷筒 10 压紧卷筒 11 电极丝 12 导丝器 13 工件 14 导轮 15 拉丝卷筒 图 3 低速走丝加工原理图 在高低双速走丝电火花线切割后续精加工中 可采用改进后的单向低速走丝加工方 式 3 23 2 张力控制张力控制 电极丝张力对电火花线切割加工精度的影响较大 张力较小时 加工区域段电 极丝刚性较低 电极丝容易产生抖动 滞后弯曲等 引起加工尺寸偏差 腰鼓形和 塌角等加工误差的产生 在多次切割的后续单边放电切割加工中 较小的张力还会 引起电极丝让刀量的增加 使多次切割加工精度降低 因此 在电极丝强度极限下 尽可能提高电极丝张力 对提高高低双速走丝电火花线切割后续单向低速走丝多次 切割的切割精度至关重要 对于高低双速走丝的低速走丝高精度切割而言 首先不仅要尽可能提高电极丝 张力 其次还要对电极丝张力大小精确控制 最后还应保证张力分布的均匀性 而 在运丝系统上添加张力精控装置 是一种极为有效的手段 电极丝张力精控装置主 要工作过程为 首先通过走丝系统中的检测传感器 实时采取加工区域电极丝张力 值并进行相应处理 其次将处理后的实时数据读入控制器 并与通过软件设定的初 始值进行比对 最后将比对结果反馈至张力执行机构 从而实现加工中电极丝张力 的精确控制 4 4 高低双速走丝电火花线切割工艺研究意义高低双速走丝电火花线切割工艺研究意义 由于我国经济的持续发展 特别是电加工机床的主要应用领域 模具制造业 的快速发展以及航空航天 军工 IT 家电 建材等行业需求的不断增长 电加工机 床的产量近年来已得到了迅速提升 从上世纪末各种电加工机床年产量 1 万台左右 发展到目前的 5 万台左右 其中 80 以上为 WEDM 而 HSWEDM 又占据了 WEDM 总数的 90 目前 HSWEDM 市场保有量为 30 万台 为我国模具制造业及相关行业 的发展提供了有力的装备支撑 但 HSWEDM 的生产目前很大一部分是在低水平的重 复制造 技术上如果没有突破 这一局面还将长期持续下去 作为精密 WEDM 的 LSWEDM 是目前电加工机床发展的重中之重 市场对该产 品的需求增加很快 目前我国市场每年的需求量接近 3000 台 且近年每年都以 800 台左右 4 5 亿元的销售额在快速增长 目前世界知名品牌企业已全部完成在中国的 本土化 台资企业亦大量涌入内地 LSWEDM 技术在经历了一段时间的沉寂后 近年技术上获得了飞速发展 其根 本原因是放电机理及相关技术应用的巨大进步所导致的 由于 LSWEDM 的无电阻纳 秒级千安培峰值电流的脉冲电源技术 高速精准检测控制技术及抗干扰技术等相当 复杂 机械 电源 控制等各方面要求很高 因此它被视为电加工产品 皇冠上的 明珠 LSWEDM 加工的表面质量和精度已能满足精密 复杂 长寿命模具的要求 可以作为精密模具最终加工的主要手段 以割代磨 的趋势越来越明显 目前 其 它加工方法还无法与 LSWEDM 优异的加工性能相竞争 而且 LSWEDM 的加工工艺 水平及运行的经济性已优于机械磨削 但 LSWEDM 所取得的令人瞩目的技术进步也 是凭借巨大的投入所获得的 由于其放电是建立在去离子水介质条件下的传统间隙 放电 对于放电介质的研究基本局限在如何改变去离子水的电导率方面 因此 LSWEDM 工艺指标提高的手段主要集中在机械 电源 控制等领域 从而也造成了 LSWEDM 机床制造成本居高不下 运行成本也比较昂贵的局面 因此在目前我国各 制造产业占主导地位的仍是 HSWEDM 目前我国高精度的 LSWEDM 主要依赖从国外进口 各生产厂商对其中的关键技 术也严格保密 我国大陆电加工企业真正能进行 LSWEDM 生产并实现销售的仅有曾 与日本 Sodick 公司合资经营的苏州三光科技有限公司和在国家立项攻关支持下经历 数十年研究耗资巨大的苏州电加工研究所 年产量不足 500 台 其产品的技术水平 与国外上世纪 90 年代的相当 我国 LSWEDM 的研制与生产从 20 世纪 80 年代才开 始 起步较晚 缺乏对 LSWEDM 加工机理及基础性研究 产品生产主要依靠拷贝国 外技术 发展后劲严重不足 长此以往仅仅靠在别人后面追赶的研究和制造方式将 导致 LSWEDM 的技术水平与国外产品的差距愈拉愈大 希望短期内在技术上获得较 大地提高相当困难 另一方面 具有我国自主知识产权的 HSWEDM 经过了数十年的发展 以其优良 的性价比及低廉的运行成本 特别是 HSWEDM 的制造成本是 LSWEDM 的 1 10 甚 至更少 用 HSWEDM 加工模具的成本又是用 LSWEDM 加工模具的成本的几十分之 一 因此 HSWEDM 广泛地占据了我国的模具加工市场 但随着模具等加工精度及表 面完整性要求的提高 特别是未来电火花线切割加工技术 向着满足更高的生产效 率 更高的加工精度而发展 其局限性也愈来愈明显 HSWEDM 与 LSWEDM 两者 相比 除了采用的工艺不同外 无论在加工精度 机床功能 自动化程度 还是在 可靠性 加工稳定性和加工工艺指标方面 前者较后者的水平均明显低一个档次 并且差距愈来愈大 虽然我国科研人员对 HSWEDM 进行了数十年的研究 在 HSWEDM 控制功能 机械结构设计特别是大锥度机构设计等方面取得了很多成果 但在切割工艺指标方面则长期处于徘徊的局面 并且价格竞争导致产品的生产水平 与质量均有所下降 由此造成我国 LSWEDM 的需求量增长 但因为厂家自立开发能 力的限制只能把这块市场拱手让给国外厂商 而自身的 HSWEDM 产品又处在低水平 重复生产状态 直至近年来具有良好洗涤能力的复合工作液的研制成功并替代传统 的乳化液在全国 80 以上 中走丝 机床上成功应用及加工机理研究的逐步深入 HSWEDM 的切割工艺指标尤其是切割速度和表面粗糙度在经历了 20 多年的徘徊后 取得了阶段性的进展 随着 中走丝 机床的大范围应用 研究人员对 中走丝 在提高工艺指标方面 特别是切割精度方面的局限性也有了更深刻的认识 中走丝 机床在多次切 割过程中仍具有许多不确定的因素 最主要方面是电极丝运丝方式的局限产生的电 极丝空间位置的不确定性 从而导致中走丝切割精度的获得具有一定的随机性 因 此迫切需要建立一种可以稳定获得较高切割精度的机床平台 在此背景下 本课题提出了高低双速走丝电火花线切割加工技术 课题最终目 的在于研究和开发一种能够