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1、 1 第五章电火花线切割加工 教学提示 本章在前一章的基础上 介绍了电火花线切割加工的基本原理 特点及其应用范围 重点对电火花线切割加工的设备 线切割控制系统和编程技术进行了分析介绍 另外 对电火花线切割加工的工艺及其应用进行了描述 教学要求 本章要求学生熟练掌握电火花线切割加工的基本原理 特点 能够进行线切割编程 掌握影响线切割工艺指标的因素和线切割加工设备及其技术的应用 2 5 1概述 5 1 1电火花线切割加工及其发展历程电火花线切割加工 wirecutEDM 简称WEDM 是在电火花加工基础上发展起来的一种新的工艺形式 是用线状电极 钼丝或铜丝等 靠火花放电对工件进行切割加工 故称为电
2、火花线切割 有时简称线切割 线切割加工技术已经得到了迅速发展 逐步成为一种高精度和高自动化的加工方法 在模具 各种难加工材料 成形刀具和复杂表面零件的加工等方面得到了广泛应用 20世纪中期 苏联拉扎林科夫妇发明了电火花加工方法 开创了制造技术的新局面 随后苏联又于 年制成了电火花线切割机床 瑞士于 年制成了 方式的电火花线切割机床 电火花线切割加工历经半个多世纪的发展 已经成为先进制造技术领域的重要组成部分 电火花线切割加工不需要制作成形电极 能方便地加工形状复杂 大厚度的工件 工件材料的预加工量少 因此在模具制造 新产品试制和零件加工中得到了广泛应用 尤其是进人20世纪90年代后 随着信息技
3、术 网络技术 航空和航天技术 材料科学技术等高新技术的发展 电火花线切割加工技术也朝着更深层次 更高水平的方向发展 3 我国是国际上开展电火花加工技术研究较早的国家之一 在到 世纪 年代后期先后研制了电火花穿孔机床和线切割机床 线切割加工机床经历了靠模仿形 光电跟踪 简易数控等发展阶段 在上海张维良高级技师发明了世界独创的快速走丝线切割技术后 出现了众多形式的数控线切割机床 线切割加工技术突飞猛进 全国的线切割机床拥有量突破了万台大关 为我国国民经济 特别是模具工业的发展作出了巨大的贡献 随着精密模具需求的增加 对线切割加工的精度要求愈来愈高 快速走丝线切割机床目前的结构与其配置已无法满足生产
4、的精密要求 在大量引进国外慢走丝精密线切割机床的同时 也开始了国产慢走丝机床的研制工作 至今已有多种国产慢走丝线切割机床问世 我国的线切割加工技术的发展要高于电火花成形加工技术 如在国际市场上除高速走丝技术外 我国还陆续推出了大厚度 及超大厚度 线切割机床 在大型模具与工件的线切割加工方面 发挥了巨大的作用 拓宽了线切割工艺的应用范围 在国际上处于先进水平 4 5 1 电火花线切割加工的特点 电火花线切割加工归纳起来有以下一些特点 电火花线切割加工过程的工艺和机理 与电火花穿孔成形加工既有共性 又有特性 1 电火花线切割加工与电火花成形加工的共性表现 1 线切割加工的电压 电流波形与电火花加工
5、的基本相似 单个脉冲也有多种形式的放电状态 如开路 正常火花放电 短路等 2 线切割加工的加工机理 生产率 表面粗糙度等工艺规律 材料的可加工性等也都与电火花加工的基本相似 可以加工硬质合金等一切导电材料 2 线切割加工相比于电火花加工的不同特点表现 它以 的金属丝作为电极工具 不需要制造特定形状的电极 省掉了成形的工具电极 大大降低了成形工具电极的设计和制造费用 用简单的工具电极 靠数控技术实现复杂的切割轨迹 缩短了生产准备时间 加工周期短 这不光对新产品的试制很有意义 对大批生产也增加了快速性和柔性 5 虽然加工的对象主要是平面形状 但是除了有金属丝直径决定的内侧脚步的最小直径 金属线半径
6、 放电间隙 这样的限制外 任何复杂的形状都可以加工 无论被加工工件的硬度如何 只要是导体或半导体的材料都能实现加工 轮廓加工所需加工的余量少 能有效地节约贵重的材料 由于电极丝比较细 可以加工微细异形孔 窄缝和复杂形状的工件 由于切缝很窄 且只对工件材料进行 套料 加工 实际金属去除量很少 材料的利用率很高 这对加工 节约贵重金属有着重要意义 可无视电极丝损耗 高速走丝线切割采用低损耗脉冲电源 慢速走丝线切割采用单向连续供丝 在加工区总是保持新电极丝加工 加工精度高 由于采用移动的长电极丝进行加工 使单位长度电极丝的损耗较少 从而对加工精度的影响比较小 特别在低速走丝线切割加工时 电极丝一次性
7、使用 电极丝损耗对加工精度的影响更小 正是电火花线切割加工有许多突出的长处 因而在国内外发展都较快 已获得了广泛的应用 6 电极与工件之间存在着 疏松接触 式轻压放电现象 近年来的研究结果表明 当柔性电极丝与工件接近到通常认为的放电间隙 例如8 10 m 时 并不发生火花放电 甚至当电极丝已接触到工件 从显微镜中已看不到间隙时 也常常看不到火花 只有当工件将电极丝顶弯 偏移一定距离 几微米到几十微米 时 才发生正常的火花放电 亦即每进给1 m 放电间隙并不减小1 m 而是钼丝增加一点张力 向工件增加一点侧向压力 只有电极丝和工件之间保持一定的轻微接触压力 才形成火花放电 可以认为 在电极丝和工
8、件之间存在着某种电化学产生的绝缘薄膜介质 当电极丝被顶弯所造成的压力和电极丝相对工件的移动摩擦使这种介质减薄到可被击穿的程度 才发生火花放电 放电发生之后产生的爆炸力可能使电极丝局部振动而脱离接触 但宏观上仍是轻压放电 采用乳化液或去离子水的工作液 不必担心发生火灾 可以昼夜无人连续加工 采用水或水基工作液 不会引燃起火 容易实现安全无人运转 但由于工作液的电阻率远比煤油小 因而在开路状态下 仍有明显的电解电流 电解效应稍有益于改善加工表面粗糙度 7 一般没有稳定电弧放电状态 因为电极丝与工件始终有相对运动 尤其是快速走丝电火花线切割加工 因此 线切割加工的间隙状态可以认为是由正常火花放电 开
9、路和短路这三种状态组成 但往往在单个脉冲内有多种放电状态 有 微开路 微短路 现象 任何复杂形状的零件 只要能编制加工程序就可以进行加工 因而很适合小批量零件和试制品的生产加工 加工周期短 应用灵活 依靠微型计算机控制电极丝轨迹和间隙补偿功能 同时加工凹凸两种模具时 间隙可任意调节 采用四轴联动 可加工上 下面异形体 形状扭曲曲面体 变锥度和球形体等零件 10 由于电极工具是直径较小的细丝 故脉冲宽度 平均电流等不能太大 加工工艺参数的范围较小 属中 精正极性电火花加工 工件常接脉冲电源正极 8 5 1 电火花线切割加工的应用范围 线切割加工为新产品试制 精密零件加工及模具制造等开辟了一条新的
10、工艺途径 主要应用于以下几个方面 试制新产品及零件加工在新产品开发过程中需要单件的样品 使用线切割直接切割出零件 例如试制切割特殊微电机硅钢片定转子铁心 由于不需另行制造模具 可大大缩短制造周期 降低成本 又如在冲压生产时 未开出落料模时 先用线切割加工的样板进行成形等后续加工 得到验证后再制造落料模 另外修改设计 变更加工程序比较方便 加工薄件时还可多片叠在一起加工 在零件制造方面 可用于加工品种多 数量少的零件 特殊难加工材料的零件 材料试验样件 各种型孔 型面 特殊齿轮 凸轮 样板 成型刀具 有些具有锥度切割的线切割机床 可以加工出 天圆地方 等上下异形面的零件 同时还可进行微细加工 异
11、形槽和标准缺陷的加工等 9 加工特殊材料切割某些高硬度 高熔点的金属时 使用机加工的方法几乎是不可能的 而采用线切割加工既经济又能保证精度 加工电火花成形加工用的电极一般穿孔加工用的电极以及带锥度型腔加工用的电极 以及铜钨 银钨合金之类的电极材料 用线切割加工特别经济 同时也适用于加工微细复杂形状的电极 加工模具零件电火花线切割加工主要应用于冲模 挤压模 塑料模 电火花型腔模的电极加工等 由于电火花线切割加工机床加工速度和精度的迅速提高 目前已达到可与坐标磨床相竞争的程度 例如 中小型冲模 材料为模具钢 过去用分开模和曲线磨削的方法加工 现在改用电火花线切割整体加工的方法 制造周期可缩短 成本
12、降低 配合精度高 不需要熟练的操作工人 因此 一些工业发达国家的精密冲模的磨削等工序 已被电火花和电火花线切割加工所代替 10 表5 电火花线切割加工的应用领域 11 5 1 电火花线切割技术的应用现状及发展趋势 随着模具等制造业的快速发展 近年来我国电火花线切割机床的生产和技术得到了飞速发展 同时也对电火花线切割机床提出了更高的要求 促使我国电火花线切割生产企业积极采用现代研究手段和先进技术深入开发研究 向信息化 智能化和绿色化方向不断发展 以满足市场的需要 未来的发展 将主要表现在以下几个方面 稳步发展高速走丝线切割机床的同时 重视低速走丝电火花线切割机床的开发和发展 高速走丝机床依然稳步
13、发展 高速走丝电火花线切割机床是我国发明创造的 由于高速走丝有利于改善排屑条件 适合大厚度和大电流高速切割 加工性能价格比优异 深受广大用户欢迎 因而在未来较长的一段时间内 高速走丝电火花线切割机床仍是我国电加工行业的主要发展机型 目前的发展重点是提高高速走丝电火花线切割机床的质量和加工稳定性 使其满足那些量大面宽的普遍模具及一般精度要求的零件加工要求 根据市场的发展需要 高速走丝电火花线切割机床的工艺水平必须相应提高 其最大切割速度应稳定在 以上 而加工尺寸精度控制在 范围内 加工表面粗糙度达到 这就需要在机床结构 加工工艺 高频电流及控制系统等方面加以改善 积极采用各种先进技术 重视窄脉宽
14、 高峰值电流的高频电源的开发及应用 12 重视低速走丝电火花线切割机床的开发和发展低速走丝电火花线切割机床由于电极丝移动平稳 易获得较高加工精度和表面粗糙度 适于精密模具和高精度零件的加工 我国在引进 消化 吸收的基础上 也开发并批量生产了低速走丝电火花线切割机床 满足了国内市场的部分需要 现在必须加强对低速走丝机床的深入研究 开发新的规格品种 为市场提供更多的国产低速走丝电火花线切割机床 与此同时 还应该在大量实验研究的基础上 建立完整的工艺数据库 完善 软件 使自主版权的 软件商品化 进一步完善机床结构设计 改进走丝机构 为使机床结构更加合理 必须用先进的技术手段对机床总体结构进行分析 这
15、方面的研究将涉及到运用先进的计算机有限元模拟软件对机床的结构进行力学和热稳定性的分析 为了更好地参与国际市场竞争 还应该注意造型设计 在保证机床技术性能和清洁加工的前提下 使机床结构合理 操作方便 外形新颖 13 为了提高坐标工作台精度 除考虑热变形及先进的导向结构外 还应采用丝距误差补偿和间隙补偿技术 以提高机床的运动精度 龙门式机床的工作台只作 方向运动 方向运动在龙门架上完成 上下导轮座挂于横架上 可以分别控制 这不仅增加了丝杠的刚性 而且工作台只作 方向运行 省去了 方向的滑板 有助于提高工作台的承重能力 降低整机总重量 高速走丝电火花线切割机床的走丝机构 是影响其加工质量及加工稳定性
16、的关键部件 目前存在的问题较多 必须认真加以改进 目前已开发的恒张力装置及可调速的走丝系统 应在进一步完善的基础上推广应用 支持新机型的开发研究 目前新开发的自旋式电火花线切割机床 高低双速电火花线切割机床 走丝速度连续可调的电火花线切割机床 在机床结构和走丝方式上都有创新 尽管它们还不够完善 但这类的开发研究工作都有助于促进电火花线切割技术的发展 必须积极支持 并帮助完善 积极推广多次切割工艺 提高综合工艺水平根据放电腐蚀原理及电火花线切割工艺规律可知 切割速度和加工表面质量是一种矛盾 要想在一次切割过程中既获得很高的切割速度 又要获得很好的加工质量是很困难的 提高电火花线切割的综合工艺水平 采用多次切割是一种有效方法 多次切割工艺在低速走丝电火花线切割机床上早已推广应用 并获得了尚佳的工艺效果 当前的任务是通过大量的工艺实验来完善各种机型的各种工艺数据库 并培训广大操作人员合理掌握工艺参数的优化选取 以提高其综合工艺效果 在此基础上 可以开发多次切割的工艺软件 帮助操作人员合理掌握多次切割工艺 14 发展 机控制系统 扩充线切割机床的控制功能随着计算机技术的发展 机的性能和稳定性都
