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特种加工实验指导书 精密与特种加工技术综合实验指导书预习题了解数控电火花线切割、电火花成型加工机床的工作原理、工艺特点及应用范围。 一、实验目的 1、了解数控电火花线切割、电火花成型加工机床的工作原理、工艺特点及应用范围。 2、了解数控电火花线切割、电火花成型加工机床的基本组成及各部分作用。 3、了解放电加工中的主要影响因素。 4、掌握数控电火花线切割、电火花成型加工工艺及操作方法，并能编制一般零件的数控程序。 二、实验仪器DK 7740、DK7750数控电火花线切割，D540电火花成型加工机床 三、实验原理（一）电火花加工简介电火花加工也叫放电加工，是利用电能和热能进行加工，靠工具电极和工件电极之间的脉冲性火花放电，在工件电极表面产生局部瞬间的高温，来蚀除多余金属的工艺方法。 1940年前后，苏联科学家拉扎连柯夫妇发现，电器开关通断电时产生的火花，造成烧毛甚至损毁的现象。 之后经过一系列的研究，苏联在上世纪50年代末发展出利用电火花来进行加工的新工艺。 目前，电火花加工主要包括电火花线切割加工和电火花成型加工两大类，多采用数控技术，主要用来加工硬质合金、淬火钢等难以加工的材料，以及复杂表面和有特殊要求的零件。 （二）电火花线切割加工电火花线切割的工作原理是利用移动的细金属丝（铜丝或钼丝）作为工具电极，对工件进行脉冲火花放电，切割成形。 1、电火花线切割加工原理电火花线切割加工的基本原理如图1所示，被切割的工件作为工件电极，电极丝作为工具电极。 工件接脉冲电源的正极，当来一个电脉冲时，在电极丝和工件之间就可能产生一次火花放电，在放电通道中瞬时可达到5000以上高温使工件局部金属熔化，甚至少量汽化，高温也使电极和工件之间的工作液部分产生汽化，并且有爆炸特性。 靠这种热膨胀和局部微爆炸，抛出熔化和汽化了的金属材料而实现对工件材料进行电蚀切割加工。 2、电火花线切割机的分类根据电极丝的移动速度即走丝速度，电火花线切割即通常分为两大类走丝速度低于0.2m/s的低速走丝电火花线切割机，也叫慢走丝；走丝速度为810m/s的高速走丝电火花线切割机，也叫快走丝。 国内的电火花线切割机床大多是快走丝，其价格低，采用的工具电极钼丝可以往复使用，但加工精度低，穿丝困难；慢走丝加工精度高，穿丝容易，但价格较高，而且所用的加工电极黄铜丝都是一次性使用，造成加工成本远高于快走丝。 表1电火花线切割机的工艺参数工艺指标机型工具电极走丝速度ms加工精度m表面粗糙度（Ra）m最大加工速度?min低速走丝黄铜丝，一次性使用钼丝，可以往复使用0.20.20.1300高速走丝8101.52. 51203、DK7750高速走丝线切割机床的组成部分高速走丝电火花线切割机DK7750的机床型号及主要技术参数含义如下图1电火花线切割加工原理高速走丝线切割机主要由机床、脉冲电源、控制系统三大部分和工作液循环系统组成如图2所示。 （1）机床本体机床本体由床身、走（运）丝装置、工作台和丝架等组成。 床身用于支承和连接工作台、运丝装置等部件和工作液循环系统。 走（运）丝装置电机通过连轴节带动储丝筒交替作正、反向运动，钼丝整齐地排列在储丝筒上，并经过丝架作往复高速移动。 工作台用于安装并带动工件在水平面内作X、Y两个方向的移动。 工作台分上、下两层，分别与X、Y向丝杠相连，由两个步进电机分别驱动。 步进电机每接受到计算机发出的一个脉冲信号，其输出轴就旋转一个步距角，再通过一对变速齿轮带动丝杠转动，从而使工作台在相应的方向上移动0.001。 工作台的有效行程为550650。 丝架丝架的主要功能是在电极丝按给定丝速度运动时，对电极丝起支撑D K7750基本参数代号（工作台横向行程500）型别代号（高速走丝线切割机床）组别代号（电火花加工机床）机床特性代号（数控）机床类别代号（电加工机床）图2DK7750高速走丝线切割机床结构简图1-储丝筒；2-走丝溜板；3-丝架；4-上工作台；5-下工作台；6-床身；7-脉冲电原及微机控制柜作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持一定的几何角度。 （2）脉冲电源脉冲电源又称高压电源，其作用是把普通的50Hz交流电转换成高频率的单向脉冲电压，加工中供给火花放电的能量。 电极丝接脉冲电源负极，工件接正极。 （3）微机控制装置微机控制装置的主要功能是轨迹控制。 其控制精度为0.001，机床切割加工精度为0.01。 （4）工作液循环系统由工作液泵、工作液箱和循环导管组成。 工作液起绝缘、排屑、冷却的作用。 每次脉冲放电后，工件与（钼丝）之间必须迅速恢复绝缘状态，否则脉冲放电就会转变为稳定持续的电弧放电，影响加工质量。 在加工过程中，工作液可把加工过程中产生的金属微颗粒迅速从电极之间冲走，使加工顺利进行，工作液还可冷却受热的电极丝和工件，防止烧丝和工件变形。 4、电火花线切割的工艺特点 （1）不需要特定的工具电极，用简单的电极丝即可对工件进行加工。 可切割各种高硬度、高强度、高韧性和高脆性的导电材料，如淬火钢、硬质合金等。 （2）电极丝比较细，而且电极丝在加工中不停的移动，基本上可以不考虑电极丝损耗对加工精度的影响，有利于加工微细的异形孔、窄缝和复杂形状的工件。 尺寸精度可达0.020.01，表面粗糙度Ra值可达1.6m。 还可以切割带斜度的模具或工件。 （3）自动化程度高，操作方便，劳动强度低。 （4）加工周期短，成本低。 （三）电火花成型加工 1、电火花成型加工原理与电火花线切割加工不同，电火花成型加工需要根据工件的大小、形状和复杂程度，设计特定的工具电极。 从微观角度，工具电极与工件电极的表面是凸凹不平的。 在脉冲电源的作用下，两个电极之间的工作液介质（通常是煤油）被击穿，形成火花放电，导致瞬间的高温。 高温的作用下，工作液介质被汽化，同时也使金属材料熔化乃至汽化，这些汽化后的工作液和金属蒸汽瞬间迅速向外膨胀形成气泡，将熔化和汽化的金属向外抛出。 抛出的金属遇冷凝结成小颗粒，电极的表面则形成电坑。 这时可以看到放电间隙处冒出很多小的气泡，工作液变黑，并有轻微的爆炸声。 随着脉冲电压下降至零，一次脉冲放电过程结束。 2、电火花成型机的分类按用途不同，常用的电火花加工机床有电火花穿孔和成形加工机床。 按机床结构不同，分为立柱式、龙门式、滑枕式、悬臂式和台式。 立柱式是最常用的结构形式，在床身上安装了立柱和工作台。 工作台下是X轴和Y轴拖板，可以完成水平方向的移动。 3、DK7140电火花成形机床的组成部分根据特种加工机床型号编制方法，DK7140电火花成形机的机床型号及主要技术参数含义如下采用立柱式机构，主要由主机、工作液循环系统和脉冲电源三大部分组成如图3所示。 D K7140基本参数代号（工作台横向行程400）型别代号（电火花成形机床）组别代号（电火花加工机床）机床特性代号（数控）机床类别代号（电加工机床） （1）主机主机即机床的主体，由床身和立柱、工作台、主轴组成。 床身和立柱是机床的主体部分，床身一般采用刚性较好的箱体结构，立柱牢牢的固定在床身上；工作台的下部装有X轴和Y轴拖板，可以沿X轴和Y轴水平移动；主轴是电火花成形机床的关键部件，由伺服进给机构、导向机构和辅助机构组成，在主轴上安装有百分表测量移动位置。 （2）工作液循环系统工作液循环系统由工作液泵、工作液箱、过滤器和管道组成，主要功能是对工件和工具电极降温，并对工作液进行过滤，除去加工过程中产生的杂质。 （3）脉冲电源脉冲电源的作用是把普通的50Hz交流电转换成一定频率的单向脉冲电压，用以供给电火花放电间隙所需要的能量。 工具电极接脉冲电源负极，工件接正极。 4、电火花成形机的工艺特点 （1）适合于难切削材料的加工。 电火花加工是靠放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性，而几乎与其力学性能(硬度、强度等)无关，因此电火花加工突破了传统切削加工对刀具的限制，实现了用软的工具加工硬韧的工件。 （2）可以加工特殊及复杂形状的零件。 电火花加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工。 由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的图3DK7140电火花成形机床加工，如复杂型腔模具加工等。 （3）易于实现加工过程自动化。 电火花加工直接利用电能加工，而电能、电参数易于数字控制，因此电火花加工适应智能化控制和无人化操作等。 （4）可以改进加工零件的结构设计，改善其结构的工艺性。 例如采用电火花加工，可以将拼镶结构的硬质合金冲模改为整体式结构，从而减少了模具加工工时和装配工时，延长了模具使用寿命。 （5）需要根据加工工件的要求，定制专用的电极。 四、实验内容（一）3B代码手工编程线切割手工编程常用代码有3B和ISO两种，国产的快走丝机床常采用3B代码编程，而ISO代码在慢走丝机应用较广。 我们以3B代码编程为例，来了解编程所需要进行的各种计算，以及编程的原理和过程。 每个3B程序都由若干个程序段组成，程序段的格式见下表。 表23B程序段格式顾名思义，3B编程是指程序段中必须含有3个固定的作为分隔符的字母“B”，程序段中其他的各项数值根据加工的线段类型是直线段或者圆弧而有所不同。 1、直线段的3B代码编程3B编程对平面坐标系的规定是这样的面对机床，以工作台平面为坐标平面，左右方向为x轴，且向右为正；前后方向为Y轴，且向前为正。 （1）X、Y值的确定以线段的起点为原点建立直角坐标系，X和Y为线段终点坐标(Xe，Ye)的绝对值。 在直线段的3B代码中，X、Y值主要是确定该线段的斜率，所以，可将线段终点的绝对值坐标以它们的最大公约数作为X、Y的值，以简化数值。 当线段与x轴或y轴重合时，为区别一般线段，x和y均可为零且可以不写，但分隔符仍须保留。 3B代码中要求X、Y、J值的尺寸单位是m。 （2）计数长度J值和计数方向G的确定B XB YB JG Z分隔符X坐标值分隔符Y坐标值分隔符计数长度计数方向加工指令X、Y值主要是确定该线段的斜率，线段的长度则由J值和计数方向G表示。 在直线段编程时，计数方向G的确定方法为以要加工的线段的起点为原点建立直角坐标系，取该线段终点坐标(Xe，Ye)绝对值大的坐标轴为计数方向如图4所示，当线段终点在阴影区域内，即|Xe|Ye|时，则G=Gx；当正好在45线上，即|Xe|=|Ye|时，则在第 一、三象限取G=Gy，在第 二、四象限取G=Gx。 加工直线段时J的取值方法如图5所示。 由计数方向G确定投影方向，若G=Gx，则将线段向X轴投影，得到的长度值即为J的值；若G=Gy，则将线段向Y轴投影，得到的长度值即为J的值。 （3）加工指令Z的确定图4加工直线段的计数方向图5加工直线段时G，J的确定加工指令Z按照直线段走向和终点的坐标不同可分为L1，L2，L3，L4，其中与+X轴重合的线段算作L1，与-X轴重合的线段算作L3，与Y轴重合的线段算作L2，与Y轴重合的线段算作L4，具体可参考图6。 （4）例1如图7，从A点开始，顺时针方向切割，编写3B程序。 编写3B程序的步骤是第 一、确定加工路线，建立平面坐标系；第 二、计算坐标值，确定程序段中各项的数值；第 三、填写程序单。 加工线段AB。 坐标原点取起点A，终点B的坐标为Xe=0，Ye=50000。 因为|Xe|Ye|，所以G=Gy，J=Jy=50000；线段AB与+Y轴重合，加工指令Z取L2。 得出AB段的程序为B0B50000B50000GyL2，线段AB与+Y轴重合，因此可以简化为BBB50000GyL2。 加工线段BC。 重新建立平面坐标系，坐标原点取起点B，终点C的坐标为Xe=35000，Ye=-50000。 因为|Xe|Ye|，所以G=Gy，J=Jy=50000，线段BC位于第四象限，加工指令Z取L4。 得出BC段的程序为B35000B50000B50000GyL4，简化为B7B10B50000GyL4。 加工线段CA。 同样的方法得出B35000B0B35000GxL3，简化为BBB35000GxL3。 填写程序单。 图6直线段加工指令Z的确定图7例1表3程序表序号加工段B XBY BJG Z1AB B0B50000B50000Gy L22BC B35000B50000B50000Gy L43CA B35000B0B35000Gx L 32、圆弧的3B代码编程 （1）X和Y值得确定与直线段不同，圆弧的3B代码编程是以圆弧的圆心为原点，建立直角坐标系，X和Y为圆弧起点坐标（Xe，Ye）的绝对值（与直线不同）不能任何简化，且单位为m。 （2）计数长度J和计数方向G的确定在圆弧编程时，计数方向G的确定方法为以圆弧的圆心为原点建立直角坐标系，选取该圆弧终点坐标（Xe，Ye）绝对值小的坐标轴为计数方向(与直线段相反)。 如图8所示，当圆弧终点在阴影区域内，即|Xe|Ye|时，则G=Gy；当正好在45度线上，即|Xe|=|Ye|时，则取G=Gx，G=Gy均可。 圆弧编程中J的取值方法为由计数方向G确定投影方向，若G=Gx，则将圆弧向X轴投影；若G=Gy，则将圆弧向Y轴投影。 由于圆弧可能跨越几个象限，J值应为各个象限圆弧长度值的和。 如图9中，J1，J2，J3大小分别如图所示，J=J1+J2+J3。 图9加工圆弧时G，J的确定图8加工圆弧的计数数方向 （3）加工指令Z的确定加工指令Z按照第一步进入的象限可分为R1，R2，R3，R4；按切割的走向可分为顺圆S和逆圆N，于是共有8种指令SR1，SR2，SR3，SR4，NR1,NR2,NR3，NR4，具体可参考图10。 （4）例2编写图12的零件加工程序确定加工路线起始点为A，加工路线按照图中所示的AB、BC、CD、DE、EF、FG、GH、HB、BA进行，共分九个程序段。 其中AB为切入程序段，BA为切出程序段。 计算坐标值按照坐标系和坐标X、Y的规定，分别计算ABBA程序段的坐标值。 填写程序单按程序标准格式逐段填写B XB YB JG Z，见下表。 表4切割轨迹3B程序序号加工段B XB YB JG Z123456GF FEED DCCH HGB B B B B B1000010000100005000300005000B B B B BB000BBBBBB100002000010000350003000035000GX GYGX GYGX GYL1NR3L1L4L3L235000035000或其他位置起点均可。 3、以G点为起始点，顺时针方向编写例2中样板的切割3B程序，加工该样板。 图10圆弧加工指令Z的确定图11例2（二）微机编程由于计算机技术的飞速发展，新近出产的数控线切割机床很多都有微机编程系统。 早期购买的机床，也逐步配上了微机编程系统。 微机编程系统类型较多，按输入方式不同，大致可分为:1）采用语言式输入；2）采用中文或英文菜单及语言式输入；3）采用AutoCAD方式输入；4）采用鼠标器按图形标注尺寸作图输入；5）用数字化仪输入；6）用扫描仪输入。 从输出方式看，大部分都能输出3B程序或ISO代码、显示图形、打印程序、打印图形以及用穿孔机穿出纸带等。 有的还能把编出的程序直接或通过网络传输到线切割控制器中去。 近几年生产的机床很多采用微机编程兼控制系统。 有北航海尔软件有限公司开发的CAXA线切割V2版，是目前国内处于领先水平并广泛使用的线切割自动编程软件，CAXA线切割V2版的主屏幕如图12。 它包括绘图功能区常用工具栏、下拉菜单、图表菜单中的绘制工具栏功能工具栏和状态显示与提示。 图12主屏幕示意图常用工具栏下拉菜单下拉菜单中的绘制工具栏功能工具栏（现为基本曲线）状态显示与提示 1、常用键的含义 （1）鼠标左键点取菜单、拾取选择右键确认拾取中的命令、重复上一条命令（在命令状态下）弹出操作的热菜单（在选中实体时） （2）回车键确认选中的命令、结束数据输入或确认缺省值、重复上一条命令（击鼠标右键） （3）空格键弹出工具菜单或弹出拾取元素菜单 （4）功能键Esc键取消当前命令F1键请求系统帮助F3键显示全部F8键显示鹰眼F9键全屏显示 2、点的输入 （1）键盘输入点的输入分为绝对坐标和相对坐标输入,绝对坐标输入只需输入点的坐标值，他们之间用逗号隔开；相对坐标输入时需在一个数值前加一个符号； （2）鼠标输入指通过移动鼠标选择需要点，按下鼠标左键，该点即被选中； （3）工具点的捕捉工具点的捕捉是指作图过程中有几何特征的圆心点、切点、端点等。 当需要输入特征点时，按空格键即可弹出工具点菜单，见右图。 3、矢量化转换图形扫描后，需进行矢量化转换，其步骤如下CAXA线切割V2能处理的图形文件包括以下四种BMP文件、GIF文件、JPG文件、PNG文件。 扫描后保存的图形文件应为上面的四种中的任意一种文件形式。 矢量化参数说明 （1）背景选择当图像颜色较深而背景颜色较浅，且背景颜色较均匀时，选择“描暗色域边界”。 反之，选择“描亮色域边界”。 （2）拟合方式直线拟合整个边界图形由多段直线组成圆弧拟合边界图形由圆弧和直线组成 （3）图形实际宽度它能调整位图矢量化后图形的大小，若需要矢量化后图形的大小与原图相同，则在此参数栏中输入原图的实际长度（mm）。 届时可以得到与原图大小相同的轮廓图形。 （4）拟合精度。 表示矢量化时精度要求的高低。 根据需要可自行选择，一般选择“正常”。 4、具体操作说明 （1）点击“高级曲线”图标菜单，选择“位图矢量化”命令，用鼠标左键单击。 （2）系统弹出一个文件选择对话框。 找出需要进行矢量化的图形文件（扫描后存入的图形文件），确定。 （3）按上述矢量化参数说明设定和修改菜单中的参数。 （4）单击鼠标右键，确认所做的选择，单击“显示全部”命令键，就能找到矢量后的图形了。 （5）矢量化后的轮廓为蓝色，与原始位图重叠在一起，可以看情况根据原始位图，对矢量化的轮廓作适当处理。 具体操作对原始位图可以通过下拉菜单“绘制高级曲线位图矢量化消隐位图（或消除位图）”命令进行隐藏或消除操作。 5、图形修改矢量化后，可对图形进行修改，使之符合线切割加工要求，满足图形设计者的要求，以便把数据传输到机床，进行切割。 具体方法为 （1）点击“基本曲线”，选择“直线”或“样条”对矢量化后的图形进行修改； （2）点击常用工具栏中的“删除”命令去掉多余的曲线； （3）点击“曲线”，分别选择“过渡”、“打断”、“拉伸”、“齐边”等命令项对图形进行修整。 6、轨迹生成点击菜单栏的“线切割”，在下拉菜单中选择“轨迹生成”，在弹出菜单中填写相关参数，一般填写一次后就不需要更改了。 确定后，屏幕左下方会提示“拾取轮廓”，拾取第一条轮廓后，出现2个箭头来选择方向，选择方向后系统会自动拾取相连的轮廓线。 当拾取完轮廓线后，出现2个箭头，要求选择切割侧边，即丝左偏或右偏。 最后指定穿丝点位置和退出点。 注意所选的轮廓线必须是闭合的。 7、轨迹仿真点击“线切割”菜单栏，选择“轨迹仿真”，模拟实际加工中的切割情况。 8、代码生成CAXA线切割V2版可以自动生成3B代码或G代码。 点击“线切割”菜单栏，选择“生成3B加工代码”，设置保存的路径、保存的文件名，确定后拾取要加工的轮廓线，单击鼠标右键结束拾取，系统就自动生成数控程序。 （三）创意图形的设计要求同学设计出封闭的一笔划图形、艺术字体和美术图案均可，但要求富于创意。 图形设计完毕，用扫描仪将其输入计算机进行修改并编出程序。 （四）数控线切割机床操作方法以江苏泰州东马数控机械有限公司生产的DKT150线切割机床为例。 操作步骤 1、按下电源开关，接通电源 2、把加工程序输入控制机 3、开运丝按下运丝开关，让电极丝空运转，检查电极丝抖动情况和权紧程度，若电极丝过松，则应充分且用力均匀紧丝。 4、开水泵，调整喷水量开水泵时，请先把调节阀调至关闭状态，然后逐渐开启，调节到上下喷水柱包容电极丝，水柱射向切割区即可，水量不必太大，上线架底面前部有一排水孔，经常保持畅通，避免上线架内积水渗入机床电器箱内。 5、开脉冲电源选择电参数应根据对切割效率、精度、表面粗糙度的要求，选择最佳的电参数。 电极丝切入工件时，请把脉冲间隔拉开，待切入后，稳定时再调节脉冲间隔，使加工电流满足要求。 6、开启控制机，进入加工状态，观察电流表切割过程中，指针是否稳定，精心调节，切忌短路。 7、加工结束后应先关闭水泵电机，再关闭运丝电机，检查X、Y座标是否到终点。 到终点时拆下工件，清洗并检查质量，未到终点应检查程序是否有错或控制机有否故障，及时采取补救措施，以免工件报废。 机床电气操纵面板和控制面板上都有红色急停按钮开并工作中如有意外情况，按下此开关即可断电停机。 （五）影响数控线切割加工精度的因素 1、切割线路。 在加工中，坯料的边角处变形较大，应尽量避开；尽量采用穿孔加工，来保持工件具有一定的刚度，防止在加工过程中产生较大的变形。 2、加工程序。 为了获得正确的几何尺寸，需要对电极丝的半径和放电间隙进行补偿，选用合理的补偿值可以提高加工精度。 3、工件材料。 坯料在加工前，可能存在残余的内部应力，不同材料的热变形也不相同，这些都会影响加工精度。 3、电规准。 合理选择放电峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔和极性。 4、电极丝。 电极丝的直径、走丝速度、张力都会对加工精度产生影响。 5、工作液。 在加工中需要根据工件的材料、厚度等选择不同的工作液浓度和流速。 （六）数控线切割机床安全操作规程 1、进入训练室必须穿工作服，戴工作帽，女同志必须把长发纳入帽内；禁止穿高跟鞋，拖鞋裙子、短裤。 2、开机应按设备润滑要求，对机床有关部位注油润滑。 3、恰当选取加工参数，按规定顺序进行操作，防止造成断丝等故障。 4、加工前应检查工件位置是否安装正确，防止碰撞丝架和因超程撞坏丝杠，螺母的传动部件。 5、为防止切割过程中工件爆裂伤人，加工之前应安装好防护罩。 6、机床附近不得仿制易燃易爆物品，防止因工作液供应不足产生的放电火花引起事故。 7、在检修机床，电器、加工电源、控制系统时，应切断电源，防止触电和损坏电路元件。 8、开启电源后，不可用手或手持的导电工具同时接触加工电源两输出端（铜丝与工件），以防触电。 9、禁止用湿手按开关或接触电气部分，防止工作液等导电物进入电气部分。 一旦发生因电气短路造成的火灾时，应首先切断电源，立即用四氯化碳、干冰等合适的灭火器灭火，严禁用水灭火。 （六）电火花成形机编程 1、电火花成形机的编程通常采用ISO代码，ISO代码是国际标准化机构制定的用于数控编程和控制的一种标准代码，也就是通常所说的G