武船院模具制造工艺讲义第5章 模具的特种加工

第五章模具的特种加工随着工业生产的发展，模具所使用的材料越来越难加工，零件的形状越来越复杂，表面精度、粗糙度和某些特殊要求也越来越高，传统的机械加工方法难以满足这种加工要求，于是出现了采用电、化学、光、声等能量对工件进行加工的方法，如电火花、线切割加工方法等，我们把这类加工方法称为特种加工方法。这些加工方法不依靠机械能，而是采用其它能量加工工件；工具硬度可以低于被加工材料的硬度；加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力等特点。第一节电火花成形加工电火花成形加工是利用工具电极对工件进行仿形电加工。它可加工各种小孔、深孔、窄缝、三维曲面、复杂形状的型孔和型腔等，而且不受材料强度、硬度和结构等限制，广泛应用于各类冲模、拉丝模、塑料成形模、压铸模和锻模的加工中。本节主要讨论电火花加工的机理、影响电火花加工的工艺因素、电火花典型加工工艺流程及电火花加工设备简介等。一、电火花加工的原理、特点、分类及应用1．电火花加工原理图5-1电火花加工原理图1—脉冲发生器2—工具电极3—工件4—工作台5—过滤器6—泵7—液体供给箱8—工作液9—工作箱图图5-1电火花加工原理图1—脉冲发生器2—工具电极3—工件4—工作台5—过滤器6—泵7—液体供给箱8—工作液9—工作箱在日常生活中，经常见到电器开关的触点闭合或断开时，出现电火花，使接触部位烧成凹坑和焦糊状。这种因放电而引起的烧损现象称为电腐蚀现象。电火花加工就是利用两电极间脉冲放电时产生的这种电腐蚀作用，对工件进行加工的一种方法。图5-1是一种简单的电火花加工原理图。要完成电火花加工，必须具备下面的基本构成：工具电极和待加工工件、脉冲电源、工作液、进给机构等。工具电极2和工件3相对置于具有绝缘性能的工作液体介质中，并分别与脉冲电源的两极（正极和负极）相连接。脉冲电源的作用是将直流电流转换成一定频率的单向脉冲电流供电极使用。最简单的脉冲电源是RC线路脉冲电源，除此以外还有闸流管式、电子管式、晶闸管式和晶体管式等多种脉冲电源。液体供给箱7的作用是将工作箱9中的液体过滤和更换。利用电火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状和表面质量的要求，必须满足以下条件：1）必须使两极（工具电极和工件）表面之间经常保持一定的放电间隙。其间隙大小视加工电压、工作液介质等因素而定，通常约为几微米至几百微米之间。间隙过大，工作电压无法击穿介质，电流接近于零；间隙过小，形成短路接触，极间电压也接近于零。这两种情况都不能形成电火花放电条件。为此，在加工过程中，必须靠工具电极的进给调节装置来保证这一放电间隙，使脉冲放电能持续进行。2）脉冲放电必须具有脉冲性、间歇性。图5-2为脉冲电压波形图。脉冲宽度ti表示加到工具和工件放电间隙两端的脉冲电压持续时间，一般应小于10-3s，时间长短应使得放电所产生的热量来不及从放电点过多传导扩散到其它部位为宜；脉冲间隔to是指两个电压脉冲之间的间隔时间。间隔时间过短，放电间隙来不及消电离和恢复绝缘，容易产生电弧放电，烧伤工具和工件；脉冲间隔选得过长，将降低生产效率。通常，加工面积、加工深度较大时，脉冲间隔也应稍大。图5-2脉冲电压波形及参数3）脉冲放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行。如煤油、机油、皂化液等。液体介质的作用是将加工后的电蚀产物（小颗粒状金属）从放电间隙中排除出去，同时也起到了冷却电极表面的作用。在电火花放电过程中，电、磁、热、力、光、声等现象同时发生在一个极狭窄的空间，而且持续时间极短，其物理本质是相当复杂的。一次放电过程可大致分为电离、放电与热膨胀、抛出电蚀物及消电离等四个阶段。图5-3表示了单个脉冲放电的四个阶段。1）电离由于工件和工具电极表面存在着微观表面的凸凹不平，两表面间距离最近的两点间电场强度最高，使其间的绝缘介质首先电离分解成电子和正离子。2）放电与热膨胀在电场力的作用下，电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极，在极短的时间内（10-7~10-5s）介质被击穿，产生火花放电，并形成电流通道。在此过程中，两极间的液体介质电阻从绝缘状态骤降至几分之一欧姆。与此同时，通道电流迅速上升（其密度高达105~106A/cm2）。带电离子在高速运动时发生剧烈碰撞，产生大量的热，使通道温度迅速上升（高达10000~12000℃）。在这种瞬时高温热源的作用下，其作用区的工件和工具电极表面层金属会很快熔化,甚至气化，即产生电腐蚀现象。同时，通道周围的液体介质，除一部分气化外，另一部分被瞬时高温分解为游离的碳黑和H2、C2H2、C2H4、Cn3）抛出电蚀物在热膨胀产生的爆炸力作用下，将熔化和气化了的金属蚀物抛入周围的工作液中冷却，凝固成细小的圆球状颗粒（直径约为0.1~500μm）,而工件表面则形成一个周围凸起的微圆形凹坑。4）消电离脉冲放电后，应有一间隔时间，使极间介质消电离，以便恢复两极间液体介质的绝缘强度，准备下次脉冲击穿放电。如果放电蚀物和气泡来不及很快排除，就会改变极间介质的成分和绝缘强度，大大降低带电粒子的复合比率，破坏消电离过程，从而使脉冲放电转变为连续电弧放电，使加工无法进行。因此，为了保证加工的正常进行,在两次脉冲放电之间一般应有足够的脉冲间隔时间。其最小脉冲间隔时间的选择，不仅要考虑介质消电离的极限速度，还要考虑电蚀产物排出放电区域的时间。一次脉冲放电之后,两极间的电介质立即恢复到绝缘状态，其极间电压急剧下降到接近于零。此后两极间的电压再次升高，又在另一处极间距离最小的地方重复上述放电过程，多次脉冲放电的结果，使整个被加工表面由无数小的放电凹坑组成。这样，电极的轮廓形状便被复制到工件上，从而达到加工的目的。图5-3一次脉冲放电过程a）电离b）放电与热膨胀c）抛出电蚀物d）消电离2．电火花加工的主要特点电火花加工不同于一般切削加工，其主要优点如下：1）不受材料硬度的限制由于工模具工作部分材料一般都是硬度很高的合金钢，且一般需在淬火后加工，用切削加工方法十分困难。而用电火花加工，则无论其材料硬度有多高，都能很容易地加工，不受材料硬度的限制。2）电极和工件之间作用力小由于电极和工件在加工过程中不直接接触，因而两极间的作用力很小。这对于用小电极加工无变形的薄壁工件十分有利。3）操作容易，便于自动加工电火花加工的操作十分简便，只需要将电极和工件安装好后，开动机床便可实现自动控制和自动加工。4）比较容易选择和变更加工条件电加工过程中可任意选择和变更加工条件，如任意选择粗加工和精加工，只需变更参数而不必变更设备。电火花加工也不可避免地存在如下缺点：1）必须制作工具电极电火花加工的最大问题就是电极制作问题。同别的加工方法相比，它增加了制作电极的费用和时间。2）加工部分形成残留变质层工件上进行电加工的部位虽然很微细，但由于要经受上万度高温加热后急速冷却，表面受到强烈的热影响，因而生成电加工表面变质层。这种变质层容易造成加工部位的碎裂与崩刃。3）放电间隙使加工误差增大由于电极和工件之间需有一定加工间隙，这使得电极的形状尺寸与工件不能完全相同，因而产生了一定的加工误差。误差的大小与间隙的大小有极大的关系。4）加工精度受到电极损耗的影响电极在加工过程中同样会受到电腐蚀而损耗，如果电极损耗不均匀，就会影响加工精度。电极的损耗还会造成更换与修整电极的次数增加。尽管如此，由于电火花加工具有许多其它加工方法无可替代的优点，因而它已成为工模具制造中较先进的一种加工方法。3．电火花加工方法的分类按工具电极与工件相对运动的方式和用途不同，电火花加工方法大致可以分为电火花穿孔成形加工、电火花线切割、电火花磨削和镗削、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强度与刻字等类型。其中大部分加工方法是用于改变零件的形状和尺寸精度，也有用于改变或改善零件表面性质的。本节主要讨论零件的电火花和线切割加工方法。4．电火花加工在模具制造中的应用电火花加工的应用非常广泛，从大的方面来说，分为两个方面的应用：用于改变工件的形状尺寸以及用于改善、改变零件表面性质。具体在模具制造中，主要有以下几方面的应用：1）加工各种模具零件的型孔如冲裁模、复合模、连续模等各种冲模的凹模；凹凸模、固定板、卸料板等零件的型孔；拉丝模、拉深模等具有复杂型孔的零件等。2）加工复杂形状的型腔如锻模、塑料模、压铸模、橡皮模等各种模具的型腔加工。3）加工小孔对各种圆形、异形孔的加工(可达0.015nm直径)，如线切割的穿丝孔、喷丝板型孔等。4）电火花磨削如对淬硬钢件、硬质合金工件进行平面磨削、内外圆磨削、座标孔磨削以及成形磨削等。5）强化金属表面如对凸模和凹模进行电火花强化处理后，可提高耐用度。6）其他加工如刻文字、花纹、电火花攻螺纹等。二、电火花加工的工艺因素及工件表面质量1．电火花加工的工艺因素影响电火花加工的工艺因素主要有：放电间隙、加工斜度、电规准参数、电极损耗、极性效应等。它们单独或综合地对电火花加工产生影响。分别讨论如下：1）放电间隙指加工时工具电极和工件之间产生火花放电的距离。它的大小一般在0.01~0.5mm之间。由于放电间隙的存在，使得工具电极的截面尺寸比工件型孔或型腔的尺寸沿加工轮廓均匀地缩小一个间隙值。放电间隙的大小，既与加工性质（粗加工、精加工）有关，又与电源的电规准参数的大小有关。通常，粗加工时放电间隙较大，精加工时放电间隙较小；脉冲宽度及脉冲能量越大，放电间隙越大，反之越小。2）加工斜度从电火花加工原理我们知道，随着电火花加工的进行，电极和工件间隙的液体间悬浮着从工件和电极上剥离下来的电蚀物，这些电蚀物在工件和电极之间形成二次放电，引起间隙的扩大。工件的上口及电极的前端长时间地处于加工状态，因而二次放电的时间最长，所受的腐蚀最严重。对于工件而言，顺着加工进给方向二次放电几率逐渐减弱，形成了上大下小的所谓加工斜度，如图5-4所示。图5-4加工斜度图刃口斜度刃口斜度图5-5凹模的落料斜度加工斜度的大小，主要取决于二次放电的次数及单个脉冲能量的大小。二次放电次数越多，单个脉冲能量越大，则斜度越大。加工斜度是不可避免的，但在加工工艺上采取一些措施可使斜度减小或利用加工斜度。如加工通孔时，将工具电极穿过工件达到被加工厚度的1~2倍，可大大减小斜度；又如加工凹模时，将凹模刃口面朝下，直接利用其加工斜度作为凹模刃口的斜度。如图5-5所示。3）电规准参数电规准参数指电火花加工时选用的电加工用量。主要有脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电压和峰值电流等，通常将一组这样的参数称之为一档。电规准参数的大小决定着每次放电所形成的凹坑大小，进而决定着电极损耗、工件加工的尺寸精度、表面粗糙度及加工生产率。不同的零件材质、不同的加工要求、不同的加工过程，应该选择不同的电规准参数。电规准参数的不同组合构成了三种类型的电规准：粗规准、中规准和精规准。每一种规准又分为数档。粗规准用于粗加工，一般用一档到两档规准便可满足粗加工要求，表面粗糙度可达Ra=5~10μm左右。这个阶段主要是尽快地去掉大多数的毛坯余量，获得工件的高效率加工。中规准用于过渡性加工，表面粗糙度可达Ra=1.25~5μm，电规准档数根据加工情形适当安排，既考虑具备一定的加工精度便于精加工修复，又要考虑加工效率。精规准是用来保证工件的各项技术要求的终结性加工。一般精规准档数较多，加工速度较慢，表面粗糙度可达Ra=0.63μm以上。任一工件的加工都是从粗规准到精规准的一系列加工转换而成的。电规准参数的选择，通常遵循下面的原则：型孔要求表面粗糙度高、精度高、斜度小时，精规准选得小些。型孔复杂而且有尖角部分时，粗规准应选得小些，有时可用中规准来代替。型孔截面面积较大时，粗规准可选得大些，规准档数多些。预孔余量大时，中规准可选得大些。采用阶梯电极时，粗规准可选得大些，规准档数可少些。电规准转换的主要依据是电极端部(工作部位)的损耗情况、型孔的周长和型孔的复杂程度等。电规准转换的目的是保证一定的加工刃口高度和精度。规准的转换，对于各种不同的模具加工有不同的转换方法。转换时,仅仅是改变电规准的参数，而凹模、凸模、工具电极是不变更的。4）电极损耗电极损耗是影响加工精度的一个重要因素，也是衡量电规准参数选择是否合理、电极材料的加工性能好坏的一个重要指标。一般来说，电极损耗越少越好。型腔加工时，以体积损耗率来衡量电极损耗的大小。即：式中CV—电极的体积损耗率；V1—电极的体积损耗量；V2—工件的体积损耗量。穿孔加工时，以长度损耗率来衡量电极的损耗。即：式中Cl—电极的长度损耗率；h1—电极长度方向上的损耗尺寸；h2—工件穿透的深度尺寸。在实际生产中，获得小的电极损耗速度是我们的目标，但是不能只看工具电极的损耗速度υE，还要看同时能够达到的加工速度υW。因此，常采用相对损耗θ作为衡量工具电极耐损耗的指标。即：100％在电火花加工过程中，降低工具电极的损耗具有重大意义。为了降低工具电极的相对损耗，应该正确地选择电极材料、加工电规准参数、加工面积、冲油方式、电极的结构形式，同时必须很好地利用电火花加工过程中的各种效应包括极性效应、吸附效应、传热效应等。5）极性效应在加工过程中，两极（工件和电极）都要受到电腐蚀，但其蚀除速度不同（即使是相同材料制成的两极），这种两极蚀除速度不同的现象称为极性效应。当正极蚀除速度大于负极时，通常把工件接脉冲电源的正极（与此同时工具电极接脉冲电源负极），称作“正极性”加工；反之，把工件接脉冲电源的负极（与此同时工具电极接脉冲电源正极），称为“负极性”加工。产生极性效应的原因是：在通道中电离放电时，由于电子的质量较小，在电场力的作用下容易在短时间内获得较大的运动速度；而正离子质量较大，起动较慢，在相同的时间内所获得的速度远小于电子。所以在脉冲放电的前阶段，电子对正极的轰击多于正离子对负极的轰击，即正极获得的能量多于负极。当采用窄脉冲进行加工时，由于脉冲时间短，电子运动的速度又快于正离子，正极的蚀除速度将大于负极，此时要保证工件的蚀除速度大于电极，工件应接正极，工具电极接负极，即形成“正极性加工”。当采用宽脉冲加工时，正离子可以有足够的时间加速，获得较大的运动速度，并有足够的时间到达负极表面。由于正离子的质量大，因而正离子对负极的轰击作用远大于电子对正极的轰击，负极的蚀除量则大于正极。这种情况下加工时，工件应接负极，工具电极应接正极，形成“负极性加工”。一般认为极性效应越显著越好。因为极性效应较显著的加工，可以使工具电极损耗较小，同时加工生产效率较高。影响极性效应的主要因素有脉冲宽度、脉冲能量及电极材料。脉冲宽度影响极性效应的程度及"正、负极性"的选择；脉冲能量（放电量）的大小影响极性效应的程度，能量越大，极性效应就越明显。电极材料的热学性能与极性效应的程度密切相关，熔点、沸点越高，导热系数、熔解热、汽化热越大的电极材料（如石墨、钨），其极性效应越显著。2．影响工件质量的主要因素前面我们讨论了电火花加工的主要工艺因素，下面来综合讨论这些工艺因素对工件质量的影响。工件的质量包括加工精度和表面粗糙度、表面机械性能等。1）影响加工精度的因素和通常的机械加工一样，机床本身的各种误差，工件、电极的定位、安装误差都会影响到工件的加工精度，这里主要讨论影响与电火花加工工艺有关的因素。影响工件加工精度的主要因素归纳如下：放电间隙的大小；放电间隙的均匀性；工具电极的形状；工具电极的损耗及稳定性；“二次放电”的影响；电火花加工热升温导致机床部件的热变形。下面，我们来分析一下工具电极的形状对加工精度存在的影响。例如工具的尖角或凹角就很难精确地复制到工件上。这是因为当工具为凹角时，工件上对应的尖角处放电蚀除的机率大，容易遭受腐蚀而成为圆角，如图5-6a所示。当工具为尖角时，一则由于放电间隙的等距性，工件上只能加工出以尖角顶点为圆心，放电间隙S为半径的圆弧；二则工具上的尖角本身因尖端放电蚀除的机率大而损耗成圆角，如图5-6b所示。采用高频窄脉宽精加工，放电间隙小，圆角半径可以明显减小，因而提高了仿形精度,可以获得圆角半径小于0.01mm的尖棱，这对于加工精密小模数齿轮等冲模是很重要的。图5-6工具电极的尖角效应1—工件2—工具电极目前,电火花加工的精度可达0.01~0.05mm左右。另外，电火花加工特别是粗加工时，工作液的温度会有一定程度的升高，从而造成工作台基座上下温度差，使工作台产生扭曲或翘曲变形，如图5-7示。工作台的这种热变形会使立柱后仰，并使工具电极端部产生位移（由A移至A′），电极的这种位移会导致加工精度的降低。因此，要保证加工精度，必须尽可能地减少加工时的温升。图5-7电火花加工机床热变2）影响表面粗糙度的因素表面粗糙度和脉冲能量之间的关系，可用下面的实验公式表达：Rmax=KRte0.3ie0.4式中Rmax—实测的表面粗糙度（μm）；KR—常数,铜加工钢时常取2.3；te一单个脉冲放电时间（μs）；ie一峰值电流(A)。从上面的表达式可以看出，影响表面粗糙度的因素主要是脉宽te与峰值电流ie的乘积，亦即单个脉冲能量的大小。但实践中发现，即使单脉冲域很小，但在电极面积较大时，Rmax也很难低于2μm，也就是说，加工面积越大，可达到的最佳表面粗糙度越差。工件材料对加工表面粗糙度也有影响，熔点高的材料（如硬质合金），在相同能量下加工的表面粗糙度要比熔点低的材料（如钢）好。当然，加工速度会相应下降。精加工时，工具电极的表面粗糙度也将影响到加工粗糙度。由于石墨电极很难加工到非常光滑的表面，因此用石墨电极的加工表面粗糙度较差。电火花加工的表面粗糙度和加工速度之间存在着很大的矛盾,例如从Ra2.5μm提高到Ra1.25μm，加工速度要下降十多倍。按目前的工艺水平，较大面积的电火花成形加工要达到优于Ra0.32μm是比较困难的，但是采用平动或摇动加工工艺，可以大为改善。值得一提的是，电火花加工后形成的表面和机械加工后形成的表面粗糙度的性质是不同的，它是由无方向性的无数小坑和硬凸边所组成，特别有利于保存润滑油；而机械加工表面则存在着切削或磨削刀痕，具有方向性。两者相比，在相同的表面粗糙度和有润滑油的情况下，电火花加工表面的润滑性能和耐磨损性能均比机械加工表面好。3）对工件表面结构和机械性能的影响经电火花加工后的工件表面将产生包括凝固层和热影响层等表面变化层，如图5-8所示，其化学、物理及金相组织性能均有所变化。凝固层是由未被抛出的残留熔融部分金属再凝固后形成的，其晶粒结构非常细小，其化学成分因工作介质和石墨电极的碳元素渗入工件表面而发生变化，其表面上留有许多微细裂纹。热影响层位于凝固层和工件基体材料之间，该层金属受到放电高温影响，使材料的金相组织发生了变化。一般热影响层硬度达60HRC以上，而凝固层的硬度更高。图5-8表面变化层剖面示意表面变化层的厚度与工件材料的种类、加工电规准参数有关。单个脉冲能量越大，表面变化层就越厚。由于凝固层和热影响层的高硬度特性，使得加工后的工件耐磨性和使用寿命都大大提高，但给后续加工工序（研磨、抛光等）增加了困难。另外，由于表面变化层金相组织的变化，使得工件抗疲劳强度下降，并造成表面裂纹。采用回火处理、喷丸处理等，有助于降低残余应力，或使残余拉应力转变为压应力，从而提高其耐疲劳性能。电火花加工表面存在着由于瞬时先热后冷作用而形成的残余应力，而且大部分表现为拉应力。残余应力的大小和分布，主要和材料在加工前的热处理状态及加工时的脉冲能量有关。因此，对表面层要求质量较高的工件，应尽量避免使用较大的加工规准。三、电火花加工设备简介1．电火花加工机床电火花成形机床一般由机床主体、脉冲电源、工作液系统、自动控制系统组成。如图5-9所示。机床主体包括床身、主轴头、工作台和工作液槽等。电极被安装在主轴头上，由自动控制系统控制主轴头进行上、下运动。工件被安装在位于工作液槽内的工作台上，随工作台前后、左右移动。图5-9电火花成形加工机床1—床身2—液压油箱3—工作液槽4—主轴头5—立柱6—工作液箱7—电源箱主轴头是电火花穿孔成形加工机床的一个关键部件，它的结构是由伺服进给机构、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成。其中伺服进给机构保证电极不断地、及时地进给，以维持所需的放电间隙。常用的伺服进给运动的实现方式有喷嘴—档板式电液自动进给系统、直流伺服系统、步进电机伺服系统等。平动头是成形电火花加工机床最重要的主轴头附件，也是实现单电极型腔电火花加工所必备的工艺装备。在加工大间隙冷冲模和零件上的异形孔等方面，平动头也经常得到应用。我们知道，电火花加工时粗加工的火花间隙比中加工的要大，而中加工的火花间隙比精加工的又要大一些。当用一个电极进行粗加工，将工件的大部分余量蚀除掉后，其底面和侧壁四周的表面粗糙度很差，为了将其修光，就得转换规准逐档进行修整，如图5-10所示。由于后档规准的放电间隙比前一档小，对工件底面可通过主轴进给进行修光，而四周侧壁就无法修光了。而平动头就是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的。图5-10普通加工与平动加工的比较（a）单电极粗加工表面粗糙度很差（b）用粗加工电极采用精规准已无法加工（c）更换一个精加工电极并采用精规准（d）、（e）用同粗加工电极采用精规准平动加工平动头是一个使装在其上的电极能产生向外机械补偿动作的工艺附件。它在电火花成形加工采用单电极加工型腔时，可以补偿上一个加工规准和下一个加工规准之间的放电间隙差和表面不平粗糙度之差。平动头的动作原理是：利用偏心机构将伺服电机的旋转运动通过平动轨迹保持机构，转化成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在水平面内作平面小圆周运动，许多小圆的外包络线就形成加工表面，如图5-11所示。其运动半径Δ通过调节可由零逐步扩大，以补偿粗、中、精加工的火花放电间隙δ之差，从而达到修光型腔的目的。其中每个质点运动轨迹半径就称为平动量。油杯是实现工作液冲油或抽油强迫循环的一个主要附件。工件置于其上并一起置于工作液槽中。油杯侧壁和底边上开有冲油和抽油孔，如图5-12所示。在放电电极间隙冲油或抽油，可使电蚀产物及时排出。因此油杯的结构好坏，对加工效果有很大影响。图5-11平动头运动轨图5-12典型油杯结构1—工件2—油杯盖3—管接头4—抽油抽气管5—底版6—油塞7—油杯体 电火花加工是在液体介质中进行的，工作液循环系统是电火花加工机床不可缺少的部分。工作液通过工作液循环系统能保持工作液的清洁和良好的绝缘性，使每个脉冲放电结束后迅速消除电离，恢复绝缘状态，避免电弧现象的发生。并且能够根据加工的需要，采用适当的强迫循环方式（冲油或抽油），及时带走电蚀产物及加工热量，保证加工的顺利进行。2．主要技术参数电火花成形加工机床的主要技术参数通常包括工作台纵横行程、主轴伺服行程、最大工件质量、最大电极质量、X和Y坐标读数精度、最大加工电流、最大电源功率、最大生产率、最小电极损耗和所能达到的表面粗糙度等。现列举几例如表5-1所示，其它规格的机床可查相关手册或产品样本。机床型号工作台纵、横行程mm×mm主轴伺服行程mm最大工件质量kg最大电极质量kgX、Y坐标读数精度mm最大加工电流A最大电源功率KW最大生产率mm3/min最小电极损耗％表面粗糙度RaμmDM7140300×200250600100±0.011008850＜11.25DM71801000×7003001000300±0.01200102000＜0.30.63表5-1电火花成形加工设备四、电极的设计与制造电火花成形加工属于仿形加工，工具电极尺寸、形状精度和表面粗糙度与工件型孔或型腔的尺寸、形状精度和表面粗糙度有着直接的关系。工具电极的设计、制造必须符合工件的要求。电极的设计与制造是电火花加工的一个重要环节，内容包括电极材料的选择、结构形状的确定、纵横截面尺寸与公差的确定以及制造工艺，下面逐项展开讨论。1．对电极的技术要求1）电极的几何形状要和模具型孔或型腔的几何形状完全相同，其尺寸大小根据模具型孔或型腔的尺寸及公差、放电间隙的大小、凸、凹模配合间隙来决定。2）电极的尺寸精度应比凹模高一级，一般电极的尺寸精度不低于IT7。3）电极的表面粗糙度Ra应在0.63～1.25μm以上，如果采用铸铁或铸铜时，表面不能有砂眼。4）各表面的平行度，在l00mm长度内不能大于0.01～0.02mm。5）电极加工成形后变形小,具有一定强度。2．电极材料的选择电极材料必须是导电材料，但在选用时应从电极材料的放电加工工艺特性、电极材料的加工特性以及电极本身要求的尺寸精度等方面予以考虑。电极材料的放电加工工艺特性是指电极损耗、加工稳定性、加工效率以及被加工表面所能达到的表面粗糙度等。电极材料的加工特性是指机械加工性能、材料来源是否丰富和价格是否合理等。常用的电极材料有紫铜、石墨、铜钨合金，其次是铸铁、钢、黄铜等。其性能见表5-2所示。表5-2常用电极材料性能电极材料电火花加工性能机械磨削加工性能说明加工稳定性电极损耗钢较差中等好常用的电极材料，选择规准时应注意加工稳定性铸铁一般中等好常用的电极材料石墨尚好较小尚好常用的电极材料，但机械强度差，易崩角黄铜好大尚好电极损耗太大紫铜好较小较差常用的电极材料，磨削困难铜钨合金好小尚好价贵，多用于深孔、直壁孔、硬质合金的穿孔银钨合金好小尚好价格昂贵，多用于精密冲模或有特殊要求的加工3．电极设计1）电极结构形式根据型孔或型腔的尺寸大小、复杂程度以及电极加工工艺性的不同，电极的结构形式分为整体式、组合式和镶拼式等。整体式电极就是用一整块电极材料加工出完整的电极。这种电极为了加工方便，其上下端截面尺寸可以完全一致，如图5-13a所示。为便于装夹，在端面要攻有M6～M10的螺纹孔，以紧固在机床上的十字夹头上。在加工型孔面积较大的凹模时，为了减轻电极的重量，可将电极制成空心结构，其壁厚一般为2～3mm，如图5-13b所示。有时为了提高生产率和加工精度，降低表面粗糙度，也采用阶梯式电极结构。如图5-13c所示。图5-13整体式电极 在模具零件的加工中，常常遇到在同一个零件板上同时加工几个型孔的情况，如连续模的凹模孔。对于这样的凹模，可以用单个电极分别加工各孔，也可以采用组合电极加工，即把多个电极装夹在一起，如图5-14所示。在采用组合电极时，一定要注意各电极之间的相互位置精度，并保证各电极中心线之间的相互平行，平行度允差不超过0.01～0.02mm图5-14组合式电极1、2—电极3—电极固定板镶拼式电极如图5-15所示。这种电极由几块形状不同的拼块，经单个加工后用紧固件或焊接的方法拼装在一起，组成整体式电极结构。其优点是简化了加工难度和加工成本。图5-15镶拼式电极1—电极拼块2—紧固螺钉 2）电极尺寸的确定电极截面尺寸的确定电极截面尺寸与电火花放电间隙、电极损耗、平动量等有关，一般根据被加工模具型腔截面积来决定尺寸修整量。当直壁型腔需采用粗加工后再用精加工平动方式进行修整时，其电极尺寸可按下式计算：a=A±KδS式中a—电极尺寸 A—型腔尺寸 K—与型腔尺寸标注方法有关的系数δS—电极单面修整量式中“＋”、“－”按下述原则决定：凡型腔内的凸起部分，在电极的相应部位是凹下的，此时尺寸应放大，用“＋”；凡型腔凹入部分即电极的凸起部分，尺寸应缩小，用“－”。K值的选取，当型腔尺寸标注在两边界限上时，K=2；当一端为中心线或非边界线时，K=1；中心线之间的尺寸，K=0。举例说明如下，参见图5-16所示。其中，实线为工件尺寸，虚线为电极尺寸。根据上述原则，电极各部分尺寸计算如下：图5-16电极尺寸计算示例根据电火花成形机床提供的工艺参数，一般中、小型腔的电极单面修正量δs如表5-3所示：表5-3电极单面修正量电极截面积cm2单面电极修正量mm粗加工精加工4.50～6.00０.40～０.500.153.00～4.000.30～0.350.100.50～1.500.20～0.300.10＜0.500.150.07电极长度尺寸的确定电极长度是根据装夹部分尺寸、加工深度、型腔复杂程度、同一电极使用次数、电极材料以及加工工艺参数来确定。一般电极的有效长度（总长度减去不起加工作用的长度）应大于型腔深度。对于型孔，电极有效长度一般取型孔深度的2.5～3.5倍。阶梯电极尺寸的确定在电火花穿孔加工中，有时为了提高生产率和加工精度，常把电极制造成阶梯形状，如图5-17所示。阶梯电极中原有电极的截面尺寸d1和长度尺寸L1按前面所述方法确定。阶梯部分的截面尺寸按下式计算：d2=d1－2f式中d2—阶梯部分横截面直径d1—原有电极横截面直径f—阶梯部分单面缩小量，通常取0.08～0.15mm。阶梯部分长度按下式计算：L2=τh式中L2—阶梯部分长度h—型孔厚度τ—电极长度损耗系数。当电极材料为铸铁和纯铜时，τ取1.1～1.5；当电极材料为钢和黄铜时，τ取1.2～1.6；对形状简单的电极，τ值可取小些，当加工硬质合金模具时τ值取大些。图5-17阶梯电极尺寸确定3）电极冲油孔的设计型腔的加工属于盲孔加工，电蚀物的排除将直接影响到加工的稳定性和表面质量。电蚀物的排除方法除了利用机床本身的抬刀功能外，还可以利用工作液系统使工作液强迫循环，将电蚀物随同工作液一起从放电间隙中排除。按照工作液强制循环的方向不同，分为冲油和抽油两种方式，如图5-18所示。这便涉及到电极的冲、抽油孔的设计问题。当电极截面积较大时，在电极上设置的冲油孔的位置应保证电蚀物排除顺畅，冲油孔的直径应为电极平动量的二倍，若孔太大，则会在型腔底部上产生中间柱现象。图5-19a表示冲油孔位置和大小合理的情形；图5-19b表示冲油孔的孔径过大，位置不便于排屑，产生图5-19c所示的中间柱。a）b）图5-18型腔加工时冲抽油方式a）上冲油方式b）上抽油方式a）b）c）图5-19电极冲油孔设计a）合理b）不合理c）中间柱的产生4）电极的制造工艺几何形状比较简单的电极，如圆形电极可直接在车床上一次加工成形；矩形电极可在刨床加工后再由平面磨床进行磨削加工（指铸铁、钢而言），经钳工修整后即可使用。而形状比较复杂的电极，往往需要经很多工序才能加工成形，达到图样的要求。纯铜、黄铜电极，由于其不能进行成形磨削加工，均可由仿形刨床(刨模机)加工成形，并经钳工锉削进行最后修整。工具电极的制造一般可按下述工艺进行：a）刨(或铣)按图样要求，将模坯刨或铣成所要求的形状，并留有1mm左右的加工余量。b）平磨在平面磨床上磨六面（铜及石墨电极，应在小台钳上，用刮研的方法刮平或磨平)。c）划线按图样要求在划线平台上划线。d）刨或铣按划线线条及轮廓，在刨床或铣床上加工成形，并留有0.2mm左右的精加工余量。e）钳工钻、攻装夹螺孔。f）热处理指采用钢电极时，按图样要求淬火。g）胶合指采用铸铁电极时，与凸模胶合或焊接在一起。h）成形磨削或仿形刨加工对于铸铁或钢制电极，在有条件的情况下，可用成形磨削加工成形；而对于铜电极，不能用成形磨削加工，可将其夹在仿形刨机床的工作台上进行仿刨成形。i）化学腐蚀或电镀指电极与凸模联合加工时，对小间隙模具采用化学腐蚀，对大间隙模具采用电镀。j）钳工修整指对电极的精修成型。在制造一些比较大的电极时，假如用铸铁或铸铜作为材料，可以采用用铸造法铸造成形后，再经精加工或钳工修整。有时，对于形状复杂的电极(如具有复杂形状的窄槽及深孔)无法采用机械加工时，也可以利用粉末冶金压制成形。但这样制造成本会很高。五、电火花穿孔成型加工电火花穿孔成型加工是利用火花放电腐蚀金属的原理，用工具电极对工件进行复制加工的方法。电火花穿孔加工用电火花加工通孔的方法称为电火花穿孔加工。穿孔加工的特点是：能加工型孔复杂的整体式凹模；可直接利用其斜度加工凹模的斜度；加工的冲裁模间隙均匀，刃口平直耐磨，寿命长。但对小的棱边及尖角处的加工比较困难。1）一般加工方法常用的电火花穿孔加工方法有直接配合法、间接配合法、二次电极法和阶梯工具电极加工法等。直接配合法这种方法是直接利用适当加长的凸模非刃口端作为电极对凹模进行加工，加工后将损耗的加长部分切除。加工时将凹模刃口端朝下，电火花加工完毕后会形成向上的“喇叭口”，如图5-20所示。实际使用时，作为电极的凸模应反过来安装使刃口向下，同时凹模也反过来安装使刃口向上，电火花加工时形成的“喇叭口”正好有利于冲模落料。由于凸凹模电火花加工时的安装方向与它们工作时的方向都相反，因此，这种加工方法也称为“反打正用法”。图5-20电火花穿孔直接配合法 用此法可以获得均匀的凸、凹模配合间隙，且能节省制造电极的费用和时间。但其加工速度低，易形成不稳定的二次放电。如果采用将凸模的加长部分改为粘结或焊上电加工性能好的电极材料，一道用成型磨削磨出后作为电极，则可以克服上述缺点。用直接配合法加工出的凸、凹模，其配合间隙的大小可利用改变电规准参数来调节。间接配合法将凸模和工具电极分别制造，但凸模留有一定修配余量，用制好的工具电极加工出凹模后，在按凹模的实测尺寸钳工修配凸模，以达到所要求的配合间隙。间接配合法的优点是：可直接使用电极材料进行加工获得比较好的加工性能；加工间隙不受配合间隙的限制，配合间隙可由修配凸模来保证。其缺点是需要两次加工，增加了加工工作量；分别制作工具电极与凸模难以保证形状完全相同；用凹模尺寸修配凸模时难以保证间隙的均匀一致性。因而这种方法只能加工形状较简单的冲模。二次电极法这种方法是用“一次电极”制造“二次电极”，并由此加工出凹模和凸模，并保证凸、凹模配合间隙的一种工艺方法。根据凸模或凹模加工的难易程度分二种情况：当凸模加工较困难时，采用“一次电极”为凸型。其加工过程如图5-21所示。先制作一形状尺寸与凸模相同的凸型电极，即一次电极，加工出凹模（见图5-21a），得到一次加工间隙δ1；再用该一次电极加工另一个凹型电极（与凹模形状尺寸完全相同），此凹型电极称为二次电极（见图5-21b），得到二次加工间隙δ2；用二次电极对凸模再进行反拷贝加工（见图5-21c），得到加工间隙δ3。最后，用一次电极加工出的凹模与用二次电极加工出的凸模相配合（见图5-21d），其配合间隙为δ1－δ2＋δ3。图5-21电火花穿孔二次电极法 当凸模加工较困难时，采用“一次电极”为凹型。即用凹型的一次电极加工出两个凸型件，其中一个为凸模，另一个作为二次电极。再用二次电极反拷贝加工出凹模。二次电极法比较复杂，在普通冲裁模的型孔加工中使用较少，通常用于精密冲裁的模具加工。阶梯工具电极加工法这种方法在电火花穿孔加工中应用比较普遍。通常将工具电极分成两段，即截面尺寸较小的、采用较大电规准参数的粗加工段和截面尺寸较大的、用于保证加工精度的精加工段，如图5-22所示。其中粗加工段主要用于在极短时间内去除大部分加工余量，因而所要求的是加工速度，采用的是大的电规准参数。有时根据模具的结构和尺寸特点，还会采用多阶梯的电极工具。对于阶梯电极的加工，首先用直接成型法对整个电极进行加工，然后在电极端部一定长度范围内用化学腐蚀法均匀腐蚀掉一定的厚度。较常用的腐蚀方法是酸洗法，如草酸、硫酸、硝酸等，具体配方及适用材料可参见有关手册。图5-22电火花穿孔阶梯电极法 2）一般加工工艺过程电火花穿孔加工的一般工艺过程是：选择加工方法上面介绍了电火花穿孔加工的四种方法，可根据加工条件和加工要求酌情选用。选择电极材料根据待加工模具的硬度、金相组织、型腔的结构、待加工零件的精度要求等确定电极材料。如钢、铸铁、铜、石墨等。设计、制造电极根据模具的间隙、形状、刃口的有效长度、斜度、电极损耗和放电间隙等确定电极的截面形状、尺寸、精度、长度尺寸和表面硬度等，并采用一般切削加工、成形磨削、仿形刨、线切割等方法把它加工制造出来。准备穿孔零件毛坯完成电火花加工前的全部机械加工；穿孔部位留有适当且均匀的电加工余量；热处理达到其硬度要求；磨出上、下平面，去磁去锈；在刃口反面划出孔轮廓线。在机床上装夹校正电极对于简单结构的电极，可直接装夹于机床主轴头上；对于组合电极或镶拼式电极，应先将多个电极或多个电极拼块按工艺要求用通用或专用工具装夹成一体，然后安装在机床主轴头上。要校正工具电极与工作台面的垂直度，其要求应在全长内不大于0.01mm。装夹校正被加工毛坯将被加工工件刃口面向下放在工作台面上，找准凹模90°基面与机床导轨的平行度，全长内不大于0.01mm。调准后把工件压紧固定。调整机床主轴上、下位置使电极下端面与工件加工面保持合适的距离。加工准备选择加工极性，调整伺服机构，把工作液槽上升，使工件全部侵入介质并低于液面60~80mm。调整冲(抽)油压力，调整加工深度指示器，选好合适的电规准：先用最弱电规准进行加工，观察接触面四周是否能产生电火花放电；若不放电，应继续调整，直到四周全产生电火花放电为止。调整合适后，紧固各调整螺钉，并用选定的电规准加工。开机加工根据加工深度及稳定性，调整进给速度，保持适当的加工电流。加工中随时检查加工深度、电极损耗、加工面情况等。发现问题随时调整。规准转换与中间检查加工至一定深度后，根据要求的间隙，刃口高度、斜度及电极损耗等情况，转换电规准。并随时检查及调整加工深度。零件检查工件在加工完后，应主要检查放电间隙、刃口长度、斜度及表面粗糙度等指标是否符合图样要求。型腔的电火花加工电火花用于加工型腔要比用于加工通孔困难得多。型腔是盲孔，其加工余量大（电蚀量大），排气、排屑、工作液循环等条件差；工具电极损耗后无法靠加长电极及进给补偿。型腔的加工面积大，加工过程中要求电规准的调节范围也大。型腔形状复杂，使电极损耗不均匀。但利用电火花加工型腔，提高了模具的加工精度，减少了一些不必要的镶块，简化了模具结构，增强了耐用度，缩短了模具制造周期，减少了手工操作及劳动强度，降低了模具成本。利用电火花加工出的型腔，其表面粗糙度Ra可达3.6~0.8μm。因此，对型腔加工主要要求是电蚀量大，电极损耗低，保证其加工精度和表面粗糙度要求。1）一般加工方法利用电火花加工型腔的方法，主要有单电极平动法、单极—修正—平动法、多电极加工法等。单电极平动法前面介绍平动头时已经涉及到单电极平动法，是指用一只电极由粗至精直接加工出所需要型腔的工艺方法。使用这种方法加工大中型模具时，由于电极在粗加工时表面有剥落，精加工时电极损耗较大，致使行腔表面容易产生裂纹，从而会影响到模具的表面质量和加工精度。单电极平动法的加工特点是自始至终用一个电极加工，通过调节平动头的偏心量来补偿电极损耗。对电极的精度要求是与型腔的精度要求相应的。电极装夹在平动头上，无需重复定位。采用晶体管、可控硅电源。单电极平动法属于常用加工方法，加工100mm深的型腔时，精度可达0.1mm。单极—修正—平动法这种方法和单电极平动加工法基本相同，只是先用一只电极进行粗、中加工，然后卸下修整，再装夹后进行精加工。这种方法主要适用于表面粗糙度要求较高的型腔零件加工。粗、中加工时，需要电极精度较低，而精加工时，经修整的电极应与要求的精度相适应。在加工过程中，由于进行一次修整拆装，为了保证精度，需要加装一套重复定位装置。多电极加工法这种方法是指用两只或两只以上电极加工同一副型腔的方法，如图5-23所示。使用的电极尺寸，有相同的，也有不同的。主要是在加工过程中，根据电极损耗，随时进行更换。多个电极设计和制造时，要保证各电极之间的相对精度，按不同规准的放电间隙制造不同尺寸的电极。这类电极如果机械加工方法较麻烦，可采用电铸、振动加压等方法。由于存在电极更换，电极安装时需要有定位基准，以保证电极之间的重复定位精度。多电极加工法的加工特点是仿形精度高，加工后型腔尖角、棱角较清晰，表面粗糙度较低。主要用于型腔加工精度要求较高、无平动头等侧面修整装置的情形。图5-23多电极加工法示意图 2）一般加工工艺过程分析加工对象根据型腔的形状、尺寸，有无直壁侧面等情况可分成以下五种型腔：a．大型型腔：如大型锻模、汽车覆盖件模具等的型腔。b．中大型型腔：如电视机外壳、较大型家电塑料模具等的型腔。ｃ．中小型型腔：如弧齿锥齿轮模具、电风扇及一般玩具模具等的型腔。ｄ．窄槽型腔：这是指加工宽度在2mm以下而深宽比又较大的窄槽型腔。ｅ．文字图案：如工艺美术饰品模具、商标文字图案等精细浅型腔。选择加工方法前面介绍了型腔加工的几种方法，应根据加工对象、精度及粗糙度等要求选择加工方法。选择加工设备根据加工对象和加工方法选择加工设备。如设备的大小、定位精度、自动化程度、电源形式和功率。是否配有平动头或侧向加工装置等。选择电规准根据加工的表面粗糙度及精度要求确定电规准方案，各档规准加工量，如何控制电极损耗等。选择电极材料根据加工对象选择电极材料。大中型腔多采用石墨材料电极，中小型腔，窄槽、花纹等多采用纯铜电极等。设计电极按图样要求，并根据加工方法和电规准等设计电极横纵截面尺寸及公差。分低损耗加工的电极和有损耗加工的电极。制造电极根据电极的材料、电极的制造精度、尺寸大小、加工批量、生产周期等选择电极制造方法。如机械切削加工、压力振动加工、电铸加工、液压放电成形加工、成形烧结加工等。电加工前的准备对工件进行电火花加工前的金属切削加工和钻孔、攻螺纹加工、磨平面、去磁、去锈等。当需要对工件型腔进行预加工时，最好能为电火花加工留有均匀又不致太小的加工余量，并且对于损耗特别大的地方要多去掉一些，才会使电加工后不留有明显的损耗痕迹。热处理安排对需要淬火处理的型腔，根据精度要求安排热处理工序。如型腔精度要求不高、或淬火变形影响较小，可将热处理安排在电加工之后；如型腔要求精度高、变形小，可将热处理安排在电火花粗加工之后和电火花精加工之前，但工件需要三次定位。也有将热处理安排在电加工之前的，但会使工件其他加工困难,型腔表面硬度较低。装夹与定位根据工件的尺寸和外形选择或制造工件的定位基准；准备电极装夹夹具；对电极进行装夹和校正；调整电极的角度和轴心线；然后，对工件进行定位和夹紧。开机加工选择加工极性，调整机床，保持适当液面高度，调节电规准，保持适当电流，调节进给速度、冲油压力等。随时检查工作稳定情况。加工结束进行清理并检查零件是否符合加工要求。第二节电火花线切割加工一、线切割加工的原理、特点、分类及应用1．线切割加工原理图5-24线切割机工作原理图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。图5-24是线切割机床加工的工作原理图。从图中可以看出，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、脉冲电源等部件构成。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。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。从上面的加工原理可以看出，电火花线切割加工，必须具备三个条件：（1）合适的电规准参数；（2）一定绝缘性能的工作液；（3）满足要求的运动：电极丝作走丝运动，工作台作进给运动。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。（2）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。（3）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。（4）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。（5）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。（6）脉冲电源提供一定脉宽的一系列矩形脉冲。2．线切割加工特点与电火花成形加工相比，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。（2）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。（3）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。（4）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。（5）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。（6）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。（7）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。3．线切割加工的分类根据工作台纵横向运动的控制方式不同，线切割加工机床分为靠模仿形加工、光电跟踪加工、数字控制加工等三种方式。（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。这种加工方式的自动化程度较高，预制的靠模可以长期保存重复使用。当靠模的工作面具有较高的精度和较低的表面粗糙度，并在加工时选择合理的电规准参数、电极丝材料及直径、合适工作液的条件下，可切割加工出具有较高精度和较低表面粗糙度的工件。（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。实际上，光电跟踪加工方式也是一种仿形加工，但是与靠模仿形不同的是，用图样取代了精密的靠模，这不仅省略了由于制造精密靠模的一系列麻烦，而且通过大比例图样还可以加工一些形状复杂、要求精密的微小型的模具零件。（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。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：（1）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。（2）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。4．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、固定板及拼块等，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。二、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（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）。（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。（3）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。（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。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。2．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。在实际加工过程中，脉冲宽度Ti与加工表面粗糙度Ra的关系见表5-4表5-4脉冲宽度与表面粗糙度的关系Ra/μm2.03.53.24.0Ti/μs481632从上表可以看出，Ti加大时能提高加工速度，但同时会加大表面粗糙度。一般Ti=2~60μs范围内，当Ti>40μs后，加工速度提高不多，但电极丝损耗却在增大。（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。在实际加工过程中，被加工工件厚度与脉冲间隔的关系见表5-5。表5-5脉冲间隔T0与加工厚度H的关系H/㎜10~40506070≥80T0/μs5791115从表中可以看出，脉冲间隔与被加工工件的厚度成正比。脉冲间隔的选择开关最小时为1，最大时为15。（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。（4）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。图5-25开路电压波形（5）放电波形脉冲放电波形的前沿和后沿以陡些为好。如图5-25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。（6）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。（7）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。（8）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。低速走丝线切割机床一般用黄铜丝作电极丝。电极丝作单向低速运行，用一次就弃掉，因此不必用高强度的钼丝。为了提高切割性能，国内外都研制线切割机床专用的铜电极丝，有的是内为黄铜丝，外镀熔点较低的锌或锌合金，在火花放电时有较大的气化爆炸力，使切割速度较高，规格为φ0.10~φ0.30㎜。同样切割细微缝槽或要求圆角较小时采用钨丝或钼丝，最小直径可为φ0.03~φ0.06mm。表5-6给出了常用电极丝材料的性能指标。表5-6常用电极丝材料的性能材料适用温度（°C）伸长率（％）抗张力（MPa）熔点（°C）电阻率（Ω·㎝）备注长期短期钨W2000250001200~140034000.0612较脆钼MO200023003070026000.0472较韧钨钼W50MO20002400151000~110030000.0532脆韧适中（9）工件厚度及材质工件材料薄，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，放电脉冲率和切割效率偏低，且电极丝易产生抖动，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。图5-26给出了工件厚度与切割速度的关系。图5-26工件厚度h对切割速度的影响加工条件：工件材料为T10淬火钢，钼丝直径为0.22㎜，走丝速度为7m/s，采用浓度为10％的乳化液，脉冲宽度为30μs，脉冲间隔为50μs，放电峰值电流为30A。（10）工作液在电火花线切割加工中，工作液是脉冲放电介质，对加工工艺指标的影响很大，对切割速度、表面粗糙度、加工精度也有影响。常用的工作液有煤油、乳化液、去离子水、蒸馏水、洗涤剂、酒精溶液等。这些工作液通常具有这样的性质：（a）一定的绝缘性能；（b）较好的洗涤性能；（c）较好的冷却性能；（d）对环境无污染。采用快速走丝方式、矩形波脉冲电源时，具有下面的结论：自来水、蒸馏水、去离子水等水类工作液，对放电间隙冷却效果较好，特别是在工件较厚的情况下，冷却效果更好。然而采用水类工作液时，切割速度低，易断丝。这是因为水的冷却能力强，电极丝在冷热变化频繁时，丝易变脆，容易断丝。此外，水类工作液洗涤性能差，对放电产物排除不利，放电间隙状态差，故表面黑脏，加工速度低。煤油工作液切割速度低，但不易断丝。因为煤油介电强度高，间隙消耗放电能量多，分配到两极的能量少；同时，同样电压下放电间隙小，排屑困难，导致切割速度低。但煤油受冷热变化影响小，且润滑性能好，电极丝运动磨损小，因此不易断丝。水中加入少量洗涤剂、皂片等，切割速度就可能成倍增长。这是因为水中加入洗涤剂或皂片后，工作液洗涤性能变好,有利于排屑，改善了间隙状态。乳化型工作液比非乳化型工作液的切割速度高。因为乳化液的介电强度比水高，比煤油低，冷却能力比水弱，比煤油好，洗涤性比水和煤油都好，故切割速度高。总之，工艺条件相同时，改变工作液的种类或浓度，就会对加工效果发生较大影响。三、数控线切割机床的型号及主要技术参数1．数控线切割机床的型号我国机床型号的编制是根据GB/T16768-1997《金属切削机床型号编制方法》的规定进行的，机床型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，分别表示机床的类别、组别、结构特性和基本参数。数控电火花线切割机床的型号的含义如下：常见数控电火花线切割机床的型号及技术规格如表5-7所示。表5-7数控线切割机床的型号及技术规格规格型号工作台横向行程/㎜工作台纵向行程/㎜切割工件最大厚度/㎜切割工件总重量/㎏DK7728DK7732DK7735DK7745DK7750DK7763DK7780DK7732EDK7735EDK7740EDK7745EDK7750-ⅠEDK7750-ⅡEDK7763EDK7780ESCX-ⅠDK7255HX-A28032035045053063080032035040045050050063080015025032034042045055063083010503504005005006308008001000150320350300340340430500600790280480480480480500500500751202801202504004505009601800175230320400500630960120040125752．数控线切割机床的主要技术参数数控电火花线切割机床的主要技术参数包括：工作台行程(纵向行程×横向行程)、最大切割厚度、加工表面粗糙度、加工精度、切割速度以及数控系统的控制功能等。表5-8为国家已颁布的《电火花线切割机床参数》（GB/T7925-1987）标准。工作台工作台横向行程100125160200250320400500630纵向行程1251601602002002502503203204004005005006306308008001000最大承载重量/㎏10152025405060801201602002503205005006309601200工件尺寸最大宽度125160200250320400500630800最大长度20025025032032040040050050063063080080010001000125012501600最大切割厚度40、60、80、100、120、180、200、250、300、350、400、450、500、550、600最大切割锥度0°、3°、6°、9°、12°、15°、18°（18°以上，每档间隔增加6°）表5-8电火花线切割机床参数（GB/T7925-1987）四、数控线切割机床数控系统（CNC系统）数控线切割机床控制系统主要具备轨迹控制和加工控制两大功能。轨迹控制是指数控系统根据指令要求反复作插补运算，不断地生成纵横向工作台的运动指令，精确地控制工件相对于电极丝的运动轨迹，以获得工件的形状和尺寸。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等。其中伺服进给速度的控制实际上是控制线电极与工件之间的平均火花放电间隙，使之稳定在某一个常数，即使电极的进给速度与工件材料的火花蚀除速度相平衡。数控线切割机床数控系统的工作流程可用图5-27表示。图5-27CNC系统对线切割程序的处理流程为了简化计算，通常是按照工件的轮廓形状和尺寸进行编程，但实际上数控系统控制的是工作台相对于电极丝中心的轨迹。从工件的轮廓到电极丝中心，有两个尺寸需要补偿：电极丝与工件之间的放电间隙及电极丝半径。用3B格式编程时，是进行人工换算的，计算工作量非常大，而自动编程时，将工件的轮廓转换成电极丝中心轨迹的过程全部由计算机完成。这个过程称为数据处理，也就是数据的补偿，分为直线部分补偿和圆弧部分补偿。零件程序经过数据处理后，接着就是插补运算和位置控制，其中插补运算是数控系统的主要任务之一，用于控制执行机构按预定的轨迹运动。数控电火花线切割机床X、Y坐标工作台只能在X或Y坐标轴方向作直线进给，但线切割加工的大部分图形都可分解成由斜线或圆弧组合而成。因此为了加工斜线或圆弧，就把X或Y工作台每走一步的距离(即脉冲当量)取得很小，只有0.00lmm。依斜线斜率或圆弧半径不同，X或Y两个坐标方向进给步数的互相配合，使钼丝的轨迹尽量逼近所要加工的斜线或圆弧。这样，钼丝中心的轨迹并不是斜线或圆弧，而是由逼近所加工的斜线或圆弧的很多长度甚小的折线所组成，也就是由这些小折线交替“插补”实现进给加工轨迹。五、数控线切割机床的编程数控线切割机床的控制系统是按照人的“指令”亦即程序去控制机床加工的。因此，必须事先把要切割的图形，用机器所能接受的“语言”编排好“指令”。这项工作叫做数控线切割编程，简称编程。编程方法分手工编程和自动编程。手工编程是线切割工作者的基本功，它能使你比较清楚地了解编程过程并读懂线切割程序。但手工编程的计算工作比较复杂。线切割程序格式有3B、4B、5B、ISO（国际标准化组织）和EIA（美国电子工业协会）等。目前高速走丝线切割机床一般采用3B格式，慢走丝多采用4B格式、ISO和EIA格式，本节将主要介绍3B、4B和ISO格式的编程方法。1．3B格式编程（1）3B格式编程的几个概念数控线切割机床的3B格式编程中，有这样几个概念需要理解清楚：（a）计算坐标系与切割坐标系计算坐标系是针对工件整个几何图形建立的坐标系，通常选工件的对称轴为计算坐标轴，确定工件几何图形上的拐点、直线或圆弧的起点与终点、圆弧与圆弧或直线与圆弧的切点、圆弧中心等在计算坐标系中的坐标值。如图5-28所建立的坐标系即为计算坐标系，它是以工件的对称轴作为X轴，以圆弧的直径作为Y轴。在该坐标系中可以计算出各特殊点的坐标值。切割坐标系是针对单个的直线或圆弧建立的坐标系。对于直线而言，是将切割坐标系的坐标原点取在直线的切割起点上，坐标轴的方向通常与计算坐标轴平行而建立坐标系；对于圆弧，将切割坐标系的原点取在圆弧的圆心上，坐标轴的方向与计算坐标轴平行而建立坐标系。3B格式编程时，通常是针对单段的直线或曲线编程，亦即是在各曲线的切割坐标系中编程，因此，通常需要将计算坐标中各点的坐标值转换成各曲线相应的切割坐标系中的坐标值。如图5-28中的直线AB，假设切割起点是A，则以A为坐标原点，平行于原计算坐标系而建立切割坐标系。图5-28凸模计算坐标系的建立（b）计数方向的确定数控线切割加工是基于逐点比较法的原理进行的，如图5-29所示。逐点比较法就是在加工过程中，工作台每进给一步，都要比较一下加工点位置与规定图形的位置（实际上是将加工点的坐标值与规定图形的方程进行比较），一步一步的逼近加工图形，以达到加工要求的一种加工控制方法。图5-29逐点比较法加工原理图a）加工斜线b）加工圆弧从上述加工斜线或圆孤的步进图形可以看出，步进拖板每走一步都要完成下面四个工作节拍，如图5-30所示：图5-30工作节拍框图偏差判别判别加工点与规定图形的位置，如判别圆孤加工点是在圆内还是圆外，以决定工作台是向X方