线切割加工技术

3 电火花线切割加工技术
3.1 电火花线切割加工原理、特点
一、原理
电火花线切割加工是用连续移动的电极丝作为工具电极与工件之间产生火花放电腐蚀工件，进行切割加工。

在火花放电时，金属材料被蚀除下来，这一微观的物理过程也就是电火花加工的物理本质，从大量实验资料来看，每次电火花腐蚀的微观过程都是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。

在加上高频脉冲电源后，工件（接高频脉冲电源的正极）与电极丝（接高频脉冲电源的负极）之间产生很强的脉冲电场，使极间的介质的被电离击穿，形成放电通道，产生脉冲放电；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。

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达到很高的温度。

高温将工作液介质气化，进而热裂分解气化，如水基工作液热分解为氢气和氧气甚至原子等。

正负极表面的高温除使工作液气化、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，在放电间隙内成为气泡，迅速热膨胀并产生爆炸。

观察电火花线切割加工过程可以看到气泡冒出，同时有黑色的工作液流出，并可听到轻微而清脆的爆炸声。

电火花线切割加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、气化了的金属材料抛出蚀除。

二、加工特点
电火花线切割加工除具有电火花加工的基本特点外，还有一些其他特点：
1、不需要制造形状复杂的工具电极，就能加工出以直线为母线的任何二维曲面。

2、能切割0.05毫米左右的窄缝。

3、加工中并不把全部多余材料加工成为废屑，提高了能量和材料的利用率。

4、在电极丝不循环使用的低速走丝电火花线切割加工中，由于电极丝不断更新，有利于提高加工精度和减少表面粗糙度
5、电火花线切割能达到的切割效率一般为20～60毫米2/分，最高可达300毫米2/分；加工精度一般为±0.01～±0.02毫米，最高可达±0.004毫米；表面粗糙
度一般为Rα2.5～1.25微米,最高可达Rα0.63微米；切割厚度一般为40～60毫米，最厚可达600毫米。

电火花线切割加工主要用于模具制造，在样板、凸轮、成形刀具、精密细小零件和特殊材料的加工中也得到日益广泛的应用。

此外，在试制电机、电器等产品时，可直接用线切割加工某些零件，省去制造冲压模具的时间，缩短试制周期。

3.2 电火花线切割加工设备
各种线切割机床的结构大同小异，出了两种线切割机床的外观，可分为主机、脉冲电源和数控装置三大部分。

坐标工作台
坐标工作台用以装夹工件，如图 6-4 所示。

下拖板通常与床身固定联接；中拖板置于下拖板之上，可沿横向导轨作 X 坐标方向往复移动；上拖板（工作台）则置于中拖板之上，可沿纵向导轨作 Y 坐标方向往复移动。

线切割加工时通过控制系统发出进给信号，控制两个驱动电机带动拖板沿两个坐标方向各自移动，合成各种平面图形曲线轨迹，进行加工。

工作台的移动精度直接影响工件的加工质量，因此各拖板均采用滚珠丝杠传动副和滚动导轨，便于实现精确和微量移动，且运动灵活、平稳。

与其它数控机床一致，线切割机床的坐标系符合国家标准，以右手直角笛卡儿坐标系为基础，参考电极丝相对静止工件的运动方向来决定：面向机床正面，横向为 X 方向，且丝向右运行为 X+ 方向，向左运行为 X- 方向；纵向为 Y 方向，且丝向外运行为 Y+ 方向，向内运行为 Y- 方向。

走丝机构
走丝机构使电极丝以一定的速度连续不断进入和离开放电区域，是线切割机床区别于普通机床的主要标志。

一、快走丝机构
快走丝机构的电极丝材料一般采用钼丝，细而长的钼丝以一定张力平整地卷绕在储丝筒上，储丝筒通过弹性联轴器与驱动电机相连，作旋转运动，同时沿轴向移动，走丝速度等于储丝筒周边的线速度。

为重复使用该段钼丝，储丝筒下方的走丝溜扳上置有左、右行程撞块，当储丝筒轴向运动到钼丝供丝端终端时，行程撞块碰到行程开关，立即控制储丝筒反转，使供丝端成为收丝端，钼丝反向移动，如此循环交替运转，实现钼丝的往复运动。

在运动过程中，钼丝由丝架支撑，并依靠上、下导轮形成锯弓状。

二、慢走丝机构
慢走丝机构主要包括供丝绕线轴、伺服电机恒张力控制装置、电极丝导向器和电极丝自动卷绕机构。

电极丝材料一般采用成卷的黄铜丝，可达数千米长、数十公斤重，预装在供丝绕线轴上，为防止电极丝散乱，轴上装有力矩很小的预张力电机。

切割时电极丝的走行路径为：整卷的电极丝由供丝绕线轴送出，经一系列轮组、恒张力控制装置、上部导向器引至工作台处，再经下部导向器和导轮走向自动卷绕机构，被拉丝卷筒和压紧卷筒夹住，靠拉丝卷筒的等速回转使电极丝缓慢移动。

在运行过程中，电极丝由丝架支撑，通过电极丝自动卷绕机构中两个卷筒的夹送作用，确保电极丝以一定的速度运行；并依靠伺服电机恒张力控制装置，在一定范围内调整张力，使电极丝保持一定的直线度，稳定地运行。

电极丝经放电后就成为废弃物，不再使用，被送到专门的收集器中或被再卷绕至收丝卷筒上回收。

工作液循环过滤系统
线切割加工时由于切缝很窄，顺利排除电蚀产物是极为重要的问题，因此工作液循环过滤系统是机床不可缺少的组成部分。

其作用是充分地、连续地向放电区域供给清洁的工作液，及时排除其间的电蚀产物，冷却电极丝和工件，以保持脉冲放电过程持续稳定地进行。

一、快走丝工作液循环过滤系统
快走丝线切割时采用的工作液一般是 5 ％～ 15 ％浓度的油酸钾皂乳化液，液压泵抽出储液箱里的工作液，流经上、下供液管被压送到加工区域，随后经坐标工作台中的回液管流回储液箱，经过滤复原后，继续使用，如图 6-9 所示。

二、慢走丝工作液循环过滤系统
慢走丝线切割时一般采用去离子水做工作液，即将自来水通过离子交换树脂净化器去除水中的离子后供使用，图 6-10 所示为工作液循环过滤系统原理图。

泵 P 2 抽出清液槽里的工作液，流经工作液温度控制装置被压送到加工区域，随后经加工槽中的回流孔及管道流回污液槽；再由泵 P 1 抽出污液槽里的污液，经过滤器过滤后，一部分直接流入清液槽，另一部分通过离子交换树脂净化器后流入清液槽。

泵 P 2 抽出的工作液由电阻率控制装置通过测量水的微弱电流值而测定电阻率，利用电磁阀的开关调整通过离子交换树脂净化器的水量，保持恒定的电阻率。

在用慢走丝电火花线切割机床进行特殊精加工时，也可采用绝缘性能较高的煤油作工作液。

脉冲电源
电火花线切割用的脉冲电源的作用是把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给火花放电间隙所需要的能量来蚀除金属。

脉冲电源对线切割加工的生产率、表面质量、加工速度、加工过程的稳定性和电极丝损耗等技术经济指标有很大的影响，应给予足够的重视
3.3 电火花工艺基础
一、线切割的主要工艺指标和影响因素
影响线切割加工的加工速度、加工精度和表面粗糙度等工艺指标的因素较多，其中最主要的是机床精度、电源参数、工作液、操作技术等。

加工速度即生产率与高频脉冲电源的波形和电参数有直接关系，增加单个脉冲能量和提高脉冲频率能提高加工速度，但也受到一定的制约。

此外，工作液的种类、浓度、脏污程度和喷流情况；电极丝的材料、直径、走丝速度和抖动情况；工件材料和厚度；加工进给速度稳定性和机构传动精度等也影响加工速度。

二、切割工艺
1．间隙补偿方法
电极丝与被加工材料之间有一定的放电间隙（0.01㎜）。

因此，实际加工的凸模尺寸比图纸要求尺寸小。

凹模尺寸比图纸要求尺寸大。

电极丝偏移方向选择如图3.35所示：
图3.35 电极丝偏移方向
1）基准件补偿值的确定
基准件：按图纸要求加工，符合图纸尺寸要求的零件。

基准件补偿值＝实际电极丝半径＋单边放电间隙。

编程时按电极丝中心运动轨迹线尺寸来编程。

编制如图3.36（a）所示的凸模程序：先画出电极丝偏移后的切割轨迹线，如图3.36（b）所示虚线，并计算出切割轨迹线的尺寸；最后按照偏移后的电极丝切割轨迹线尺寸编程。

（a）零件图（b）轨迹图2）配合件补偿值确定：
配合件：与基准件按一定的间隙配合的零件。

配合件补偿值＝基准件补偿值－单边配合间隙
2．正确选取引入、引出线位置和切割方向
1）．起始切割点（引入线的终点）的确定
起始切割点的选择原则如下：
（1）当切割工件各表面粗糙度要求不一致时，应在较粗糙的面上选择起始切割点。

（2）当切割工件各表面粗糙度要求相同时，首选图样上直线与直线的交点，其次是选择直线与圆弧的交点和圆弧与圆弧的交点。

（3）当工件各面粗糙度相同时，又没有相交面，起始切割点应选择在钳工容易修复的凸出部位。

（4）避免将起始切割点选择在应力集中的夹角处，以防止造成断丝、短路等故障。

2）引入、引出线位置与切割路线的确定
一般原则是使工件与其夹持部位分离的切割段安排在总的切割程序末端。

以尽量减少或防止工件变形。

例如：切割图3.37所示凸模零件，b图合理。

引出线一般与引入线重合。

（a）图（b）图。