第三章、电火花线切割

第三章电火花线切割加工 精密与特种加工 Precisionandnon traditionalmachining 2 主要内容 3 1线切割加工的原理 特点及应用3 2线切割加工机床3 3线切割加工的控制系统和编程技术3 4影响线切割加工的主要工艺指标3 5线切割加工工艺的应用 第三章电火花线切割加工 3 3 1电火花线切割加工的原理 特点及应用 1 基本原理 利用移动的细金属导线 钼丝或铜丝 作电极 对工件进行脉冲火花放电 切割成形 第三章电火花线切割加工 4 2 电火花加工与电火花线切割加工的比较 1 共同特点 1 二者的加工原理相同 都是通过电火花放电产生的热来熔解去除金属的 所以二者加工材料的难易与材料的硬度无关 加工中不存在显著的机械切削力 2 二者的加工机理 生产率 表面粗糙度等工艺规律基本相似 可以加工硬质合金等一切导电材料 3 最小角部半径有限制 电火花加工中最小角部半径为加工间隙 线切割加工中最小角部半径为电极丝的半径加上加工间隙 第三章电火花线切割加工 5 A 从加工原理来看 电火花加工是将电极形状复制到工件上的一种工艺方法 如图 a 所示 在实际中可以加工通孔 穿孔加工 和盲孔 成型加工 如图 b c 所示 线切割加工是利用移动的细金属导线 铜丝或钼丝 做电极 对工件进行脉冲火花放电 切割成型的一种工艺方法 如图2所示 第三章电火花线切割加工 2 不同特点 6 电火花加工 第三章电火花线切割加工 7 第三章电火花线切割加工 8 B 从产品形状角度看 电火花加工必须先用数控加工等方法加工出与产品形状相似的电极 线切割加工中产品的形状是通过工作台按给定的控制程序移动而合成的 只对工件进行轮廓图形加工 余料仍可利用 C 从电极角度看 电火花加工必须制作成型用的电极 一般用铜 石墨等材料制作而成 线切割加工用移动的细金属导线 铜丝或钼丝 做电极 D 从电极损耗角度看 电火花加工中电极相对静止 易损耗 故通常采用多个电极加工 而线切割加工中由于电极丝连续移动 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 第三章电火花线切割加工 9 E 从应用角度看电火花加工可以加工通孔 盲孔 特别适宜加工形状复杂的塑料模具等零件的型腔以及刻文字 花纹等 如图所示 线切割加工只能加工通孔 能方便地加工出小孔 形状复杂的窄缝及各种形状复杂的零件 如图所示 第三章电火花线切割加工 10 电火花加工产品实例 第三章电火花线切割加工 11 线切割加工产品实例 第三章电火花线切割加工 12 3 电火花线切割加工的应用 1 加工模具 适用于各种形状的冲模 此外 还可加工挤压模 粉末冶金模 弯曲模 塑压模等通常带锥度的模具 第三章电火花线切割加工 13 2 加工电火花成形加工用的电极 第三章电火花线切割加工 14 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 可大大缩短制造周期 降低成本 第三章电火花线切割加工 15 3 2线切割加工设备 1 分类 1 高速走丝电火花线切割机床 WEDM HS 电极丝作高速往复运动 速度为8 10m s 第三章电火花线切割加工 16 2 低速走丝电火花线切割机床 WEDM LS 电极丝作低速单向运动 一般走丝速度低于0 2m s 第三章电火花线切割加工 17 2 线切割加工机床的组成 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等几部分组成 第三章电火花线切割加工 18 1 机床本体 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 应有足够的强度和刚性 坐标工作台 通过坐标工作台与电极丝的相对运动来完成对零件的加工 一般采用 十 字滑板 滚动导轨和丝杆传动副将电极的旋转运动转变为工作台的直线运动 通过两个坐标方向各自的进给移动 可合成获得各种平面图形曲线滚迹 19 走丝机构 使电极丝以一定的速度运动并保持一定的张力 高速走丝机床的电极丝卷绕在贮丝筒上 贮丝筒通过联轴节与电极相连 电机可作正反向交替运转 以实现电极丝的重复使用 20 低速走速机床设有新丝放丝卷筒和废丝卷筒 电极丝只作单向运动 21 锥度切割装置 切割有落料角的冲模和有斜度的内外表面 偏移式丝架 用于高速走丝线切割机床切割锥度 图3 5偏移式丝架实现锥度加工的方法 22 双坐标联动装置 用于低速走丝线切割机床切割锥度 依靠上导向器作纵横两轴 u v轴 驱动 与x y轴在一起构成NC四轴同时控制 实现上下异形截面形状的加工 23 2 脉冲电源 电火花线切割加工脉冲电源与电火花成形加工所用的在原理上相同 电火花线切割加工脉冲电源的脉宽较窄 但个脉冲能量 平均电流一般较小 电火花线切割加工总是采用正极性加工 24 3 线切割加工工作液的性能要求 1 具有一定的绝缘性能 火花放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行 工作液的绝缘性能可使击穿后的放电通道压缩 局限在较小的通道半径内火花放电 形成瞬时 局部高温熔化 气化金属 放电结束后又迅速恢复放电间隙成为绝缘状态 2 具有较好的洗涤性能 所谓洗涤性能 是指液体有较小的表面张力 对钼丝和工件有较大的亲和附着力 能润湿渗透进入窄缝中去 此外还有一定的去除油污的能力 第三章电火花线切割加工 25 3 具有较好的冷却性能 在放电过程中 尤其是大电流加工时 放电点局部瞬时温度极高 为防止电极丝烧断和工件表面局部退火 必须充分冷却 为此 工作液应有较好的吸热 传热和散热性能 4 对环境无污染 对人体无危害 在加工中不应产生有害气体 不应对操作人员的皮肤 呼吸道产生刺激等反应 不应锈蚀工件 夹具和机床 此外 工作液还应具有配制方便 使用寿命长 乳化充分 冲制后不能油水分离 储存时间较长及不应有沉淀或变质现象等特点 第三章电火花线切割加工 26 3 3线切割加工的控制系统和编程技术 一 控制系统的主要作用 1 按加工要求自动控制电极丝相对于工件的运动轨迹 2 自动控制伺服进给速度 来实现对工件的形状和尺寸加工 二 控制系统的具体功能 1 轨迹控制 即精确控制电极丝相对于工件的运动轨迹 以获得所需的形状和尺寸 2 加工控制 主要包括对伺服进给速度 电源装置 走丝机构 工作液系统以及其它的机床操作控制 第三章电火花线切割加工 27 三 数控电火花线切割的控制原理 把图样上工件的形状和尺寸编制成程序指令 通过键盘 或使用穿孔纸带或磁带 输给电子计算机 计算机根据输入指令控制驱动电动机 由驱动电机带动精密丝杆 使工件相对于电极丝作轨迹运动 第三章电火花线切割加工 28 目前线切割机床都有计算机自动编程功能 即可以将线切割加工的轨迹图形自动生成机床能够识别的程序 线切割程序与其它数控机床的程序相比 有如下特点 四 电火花线切割编程 1 线切割程序普遍较短 很容易读懂 2 国内线切割程序常用格式有3B 个别扩充为4B或5B 格式和ISO格式 其中慢走丝机床普遍采用ISO格式 快走丝机床大部分采用3B格式 其发展趋势是采用ISO格式 29 1 线切割3B代码程序格式线切割加工轨迹图形是由直线和圆弧组成的 它们的3B程序指令格式为 BxByBJGZ 注 B 分隔符 它的作用是将X Y J数码区分开来 X Y 切割的起点或终点坐标值 绝对值 J 加工线段的计数长度 切割长度在x或y轴上的投影长度 G 加工线段的计数方向 Z 加工指令 分为直线L和圆弧R两大类 30 1 x y值的确定A 以直线的起点为原点 建立正常的直角坐标系 x y表示直线终点的坐标绝对值 单位为 m B 在直线3B代码中 x y值主要是确定该直线的斜率 所以可将直线终点坐标的绝对值除以它们的最大公约数作为x y的值 以简化数值 C 若直线与X或Y轴重合 为区别一般直线 x y均可写作0也可以不写 2 直线的3B代码编程 31 2 G的确定G用来确定加工时的计数方向 分Gx和Gy 直线编程的计数方向的选取方法是 以要加工的直线的起点为原点 建立直角坐标系 取该直线终点坐标绝对值大的坐标轴为计数方向 具体确定方法为 若终点坐标为 xe ye 令x xe y ye 若yx 则G Gy 如图b所示 若y x 则在一 三象限取G Gy 在二 四象限取G Gx 如图c所示 由上可见 计数方向的确定以45 线为界 取与终点处走向较平行的轴作为计数方向 具体可参见图c 32 G的确定 33 3 J的确定J为计数长度 以 m为单位 J的取值方法为 由计数方向G确定投影方向 若G Gx 则将直线向X轴投影得到长度的绝对值即为J的值 若G Gy 则将直线向Y轴投影得到长度的绝对值即为J的值 4 Z的确定加工指令Z按照直线走向和终点的坐标不同可分为L1 L2 L3 L4 其中与 X轴重合的直线算作L1 与 X轴重合的直线算作L3 与 Y轴重合的直线算作L2 与 Y轴重合的直线算作L4 具体可参考图3 14 34 图3 14Z的确定 35 上图a的3B代码 36 2 圆弧的3B代码编程 1 x y值的确定以圆弧的圆心为原点 建立正常的直角坐标系 x y表示圆弧起点坐标的绝对值 单位为 m 图a中 x 30000 y 40000 图b中 x 40000 y 30000 37 G用来确定加工时的计数方向 分Gx和Gy 圆弧编程的计数方向的选取方法是 以某圆心为原点建立直角坐标系 取终点坐标绝对值小的轴为计数方向 具体确定方法为 若圆弧终点坐标为 xe ye 令x xe y ye 若yx 则G Gx 图b 若y x 则Gx Gy均可 由上可见 圆弧计数方向由圆弧终点的坐标绝对值大小决定 其确定方法与直线刚好相反 图c 2 G的确定 38 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 J值为各个象限圆弧投影长度绝对值的和 如在图a b中 J1 J2 J3大小分别如图中所示 J J1 J2 J3 4 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3 14 3 J的确定 39 图3 14Z的确定 40 3B编程要点 3B程序指令格式 BxByBJGZ 41 例1 请写出下图所示轨迹的3B程序 编程图形 解 图a中起点为A 终点为B 故其3B程序为 B30000B40000B130000GyNR1 J J1 J2 J3 J4 10000 50000 50000 20000 130000 42 编程图形 解 图b中起点为B 终点为Z 故其3B程序为 B40000B30000B170000GxSR4 J J1 J2 J3 J4 40000 50000 50000 30000 170000 43 例2 用3B代码编制加工图3 15所示的线切割加工程序 不考虑切入路线 加工方向沿A B C D A进行 图3 15切割图形 解 1 直线AB BBB40000GxL1 2 斜线BC B1B9B90000GyL1 3 圆弧CD B30000B40000B60000GxNR1 4 斜线DA B1B9B90000GyL4 44 例3 用3B代码编制加工图a所示的线切割加工程序 已知线切割加工用的电极丝直径为0 18mm 单边放电间隙为0 01mm 图中A点为穿丝孔 加工方向沿A B C D E F G H A进行 线切割切割图形 45 解 1 分析 现用线切割加工凸模状的零件图 实际加工中由于钼丝半径和放电间隙的影响 钼丝中心运行的轨迹形状如图b中虚线所示 即加工轨迹与零件图相差一个补偿量 补偿量的大小为在加工中需要注意的是E F 圆弧的编程 圆弧EF 图a所示 与圆弧E F 图b所示 有较多不同点 它们的特点比较如下表所示 圆弧EF和E F 特点比较表 46 2 计算并编制圆弧E F 的3B代码 在图b中 最难编制的是圆弧E F 其具体计算过程如下 以圆弧E F 的圆心为坐标原点 建立直角坐标系 则E 点的坐标为 根据对称原理可得F 的坐标为 19 900 0 1 根据上述计算可知圆弧E F 的终点坐标的Y的绝对值小 所以计数方向为Y 圆弧E F 在第一 二 三 四象限分别向Y轴投影得到长度的绝对值分别为0 1mm 19 9mm 19 9mm 0 1mm 故J 40000 47 圆弧E F 首先在第一象限顺时针切割 故加工指令为SR1 由上可知 圆弧E F 的3B代码为 3 经过上述分析计算 可得轨迹形状的3B程序 如下表所示 48 切割轨迹3B程序 49 3 4切割加工的主要工艺指标及其影响因素3 4 1线切割加工的主要工艺指标 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 2 表面粗糙度与电火花加工表面粗糙度一样 我国和欧洲常用轮廓算术平均偏差Ra m 来表示 第三章电火花线切割加工 50 3 电极丝损耗量对高速走丝机床 用电极丝在切割10000mm2面积后电报丝直径的减少量来表示 切割10000mm2后 铜丝直径减小不应大于0 01mm 4 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 第三章电火花线切割加工 51 3 4 2影响线切割加工工艺指标的主要因素 第三章电火花线切割加工 1 脉冲宽度 脉冲宽度加大 加工速度提高 粗糙度变差 2 脉冲间隔 减小脉冲间隔 会提高脉冲频率 单位时间内放电次数增多 平均电流增大 从而提高了切割速度 3 开路电压 开路电压提高 加工间隙增大 排屑容易 切割速度和加工稳定性提高 但会造成电机丝振动 加快丝损 1 电参数的影响 52 第三章电火花线切割加工 4 放电峰值电流 放电峰值电流增大 单个脉冲能量增多 工件放电痕迹增大 故切割速度迅速提高 表面粗糙度数值增大 电极丝损耗增大 甚至断丝 加工精度有所下降 5 放电波形 电流波形的前沿上升比较缓慢时 电极丝损耗较少 6 极性 线切割加工因脉宽较窄 所以都用正极性加工 否则切割速度变低且电极丝损耗增大 53 第三章电火花线切割加工 综上所述 电参数对线切割电火花加工的工艺指标的影响有如下规律 加工速度随着加工峰值电流 脉冲宽度的增大和脉冲间隔的减小而提高 即加工速度随着加工平均电流的增加而提高 实验证明 增大峰值电流对切割速度的影响比用增大脉宽的办法显著 加工表面粗糙度数值随着加工峰值电流 脉冲宽度的增大及脉冲间隔的减小而增大 不过脉冲间隔对表面粗糙度影响较小 54 第三章电火花线切割加工 1 电极丝的影响 钨丝 可获得较高的加工速度 但放电后丝质易变脆 容易断丝 故应用较少 只在慢走丝弱规准加工中尚有使用 钼丝 比钨丝熔点低 抗拉强度低 但韧性好 在频繁的急热急冷变化过程中 丝质不易变脆 不易断丝 钨钼丝 钨 钼各占50 的合金 加工效果比前两种都好 它具有钨 钼两者的特性 使用寿命和加工速度都比钼丝高 2 非电参数的影响 55 第三章电火花线切割加工 铜钨丝 有较好的加工效果 但抗拉强度差些 价格比较昂贵 来源较少 故应用较少 黄铜丝 加工速度较高 加工稳定性好 但抗拉强度差 损耗大 应用 快走丝线切割加工中广泛使用钼丝作为电极丝 慢走丝线切割加工中广泛使用直径为0 1mm以上的黄铜丝作为电极丝 电极丝的张力合速度对加工稳定性影响很大 56 第三章电火花线切割加工 2 工件厚度的影响 工件厚度对工作液进入和流出加工区域以及电蚀产物的排除 通道的消电离等都有较大的影响 工件材料薄 工作液容易进入和充满放电间隙 对排屑和消电离有利 加工稳定性好 但是工件若太薄 对固定丝架来说 电极丝从工件两端面到导轮的距离大 易发生抖动 对加工精度和表面粗糙度带来不良影响 且脉冲利用率低 切割速度下降 若工件材料太厚 工作液难进入和充满放电间隙 这样对排屑和消电离不利 加工稳定性差 57 第三章电火花线切割加工 3 工件材料的影响 4 进给速度的影响 5 机床机械部分精度的影响 6 工作介质的影响 58 3 5线切割加工工艺的应用1 应用中应注意的工艺问题 1 合理安排切割路线 a 正确的切割路线b 错误的切割路线 第三章电火花线切割加工 59 a 不正确的方案b 可用的方案c 最好的方案 第三章电火花线切割加工 60 2 电极丝初始位置的确定在线切割加工中 需要确定电极丝相对工件的基准面 基准线或基准孔的坐标位置 1 对加工要求较低的工件 可直接目测来确定电极丝和工件的相互位置 也可采用火花法 即利用电极丝与工件在一定间隙下发生效电的火花 来确定电极丝的坐标位置 2 对加工要求较