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1、第7章 数控电火花线切割编程与操作,7.1 数控电火花加工,7.1.1 产生和发展,电火花加工(Electrical Discharge Machining 简称EDM)是利用正负电极间脉冲放电时的电腐蚀现象对材料进行加工的，又称为放电加工、电蚀加工、电脉冲加工等。是一种利用电、热能量进行加工的方法，是在20世纪40年代开始研究和逐步应用到生产中的。 早在20世纪初，前苏联科学家B.P拉扎连发现，插头或电器开关触点在闭合或断开时，会发生电火花烧蚀现象，经过反复试验，他终于发明了电火花技术，将电火花烧蚀转化成一种有益的全新加工方法。首次将电腐蚀原理运用到生产制造领域。电器触点电腐蚀后的形貌是随机
2、的，没有确定的尺寸和公差。要使电腐蚀原理运用尺寸加工，必须解决如下的几个问题： 1. 适当的加工间隙，即保持工具电极和工件电极之间的合适距离，以便能产生持续的火花放电，以及有利于电蚀产物的排除。对放电间隙的有效控制，是电火花加工的一个重要方面。 2. 保证脉冲型放电，使放电在极短的时间内完成，以避免弧光放电。为此，加工电源输出的是脉冲电压。放电时间短的另一个优点是，放电热量的作用范围小，使工件热影响层较浅。 3. 提供足够高的放电能量，使被加工材料能局部熔化或汽化，从而达到加工目的。火花放电信道的电流密度很高，可达105106A/cm2。所以，必须具有足够大的峰值电流，才能维持放电通道。,4.
3、 电蚀产物能及时从加工点排除，使后续放电能够顺利进行。在电火花放电时，强大的爆炸力和介质的气化，有利于电蚀产物的排除；合适的加工间隙和辅助工艺措施，也有利于电蚀产物的排除。 5. 脉冲放电需重复多次进行，连续的多次放电不能集中在同一区域，即脉冲放电在时间上和空间上需是分散的，从而避免发生弧光放电，避免造成烧伤工件或电极。 6. 在两电极之间，常充有工作介质，以起到压缩放电通道、消电离、冷却等作用。对于不同的电火花加工，采用不同的工作介质。 解决上述问题的方法是：使用脉冲电源和放电间隙自动进给控制系统，在具有一定绝缘强度和一定粘度的电介质中进行放电加工。,7.1 数控电火花加工,7.1 数控电火
4、花加工,7.1.2 电火花加工的特点,正常电火花加工过程中，工具电极与工件并不直接接触，工件材料靠放电产生的瞬时高温蚀除，工件的加工性能主要取决于其材料的导电性及热学特性(如熔点、沸点、比热容及电阻率等)，而与工件材料的力学特性(硬度、强度等)几乎无关。因此，对于常规机械加工十分困难的超硬材料(如聚晶金刚石、立方氮化硼及硬质合金等)采用电火花加工工艺，具有很大的技术优势。 1. 适用高温合金、钛合金、硬质合金及聚金金刚石等导电，难加工的材料。由于电火花加工是靠脉冲放电的热能去除材料，材料的可加工性主要取决于材料的热学特性，如熔点、沸点、比热容、导热系数等，而几乎与其力学性能(硬度、强度等)无关
5、，这样就能以柔克刚，可以实现用软的工具加工硬韧的工件。尤其是IC行业，近年来使用的多工位硬质合金精密跳步冲裁模具与封装模具等，电火花加工已经成为此类精密模具的主要加工手段。 2. 适于无法采用刀具切削或切削加工十分困难的场合。由于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，因此适宜加工薄壁工件的复杂外形，异形孔以及形状复杂的型腔模具、弯曲孔等。其最小内凹圆角半径可达到电火花加工能得到的最小放电间隙(通常为0.020.3mm)。 3. 脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在同一台机床上连续进行粗、半及精工。精加工时精度一般为0.01mm，表面粗糙度为Ra0.631.25m；微细加工
6、时精度可达0.0020.004mm，表面粗糙度为Ra0.040.16m。,7.1 数控电火花加工,4. 直接利用电能进行加工，加工时几乎没有大的作用力，便于实现自动化或无人化操作。 5. 由于电火花放电时，工件与电极均会被蚀除，因此电极的损耗对加工形状及尺寸精度的影响比切削对刀具的影响大。 现代制造业中，电火花加工工艺是切削加工工艺的补充手段之一。由于电火花加工时工件材料是靠火花放电予以蚀除，加工速度相对切削加工而言是很低的，所以，为了提高生产率，降低生产成本，能够采用切削加工时，就尽可能不要用电火花加工工艺。,7.1 数控电火花加工,7.1.3 电火花加工的分类,根据电火花加工过程中工具电极
7、与工件相对运动方式和主要加工用途的不同，加工工艺大致可以分成：电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花高速小孔加工、电火花表面加工以及电火花复合加工等六类(图1所示)。而就应用的广泛性而言，电火花成形加工和电火花线切割加工约占电火花加工的90%左右。,7.1 数控电火花加工,7.1.4 电火花加工的应用前景,伴随现代制造技术的发展，传统切削加工工艺也有了长足进步，机床的精度与刚度也大大提高，再配上精密超硬材料刀具，切削加工的加工范围，加工速度与精度均有了大幅提高。这种变化，对电火花加工技术造成了很大压力，只有将这种压力转化为发展电火花加工技术的动力，才能不断地发展，在激烈地市场
8、竞争中占有一定地市场份额。 面对现代制造业地快速发展，电火花加工技术不应该与切削加工去争夺市场，而是扬长避短，应抓住切削工具难以加工的超硬材料工艺研究，例如硬质合金、聚晶金刚石以及其它新研制的难切削材料的电火花加工工艺研究，在这一领域，切削加工难以涉足，是电加工的最佳研究开发领域。另外一个应用方面是精密模具及精密微细加工。如IC整体硬质合金凹模，切削加工几乎难以进行，只有采用分体拼镶方式，但却难以满足工件需要，用精密线切割加工正好发挥电加工的优势；对于精密模具与零件，大面积，大余量部位的材料去除是切削加工的强项，待其将大部分余量去除后，采用电火花加工作为其补充手段，由于此时加工余量小，切削刀具
9、又难以满足工件加工要求，有的部分甚至无法使用刀具加工，采用电火花加工工艺对工件的边边角角要求精密的部位进行补充加工，可获得较高的经济效益。微精加工是切削加工的一大难题，而电火花加工由于作用力小，对加工微细零件非常有利。 随着计算技术的快速发展，我们将以往的成功工艺经验进行归纳总结，建立数据库，开发出专家系统，使电火花成形加工及线切割的控制水平及自动化，智能化程度大大提高。新型脉冲电源的不断研究开发。使电极损耗大幅降低，再辅以低耗新型电极材料的,研究开发，有望将电火花成形加工的成形精度及线切割加工的尺寸精度再提高一个数量级，达到亚微米级，则电火花加工技术在精密微细加工领域可进一步扩大其应用范围。
10、,7.1 数控电火花加工,7.2 数控线切割加工,7.2.1 概述,电火花线切割加工是指在工具电极(电极丝)和工件间施加脉冲电压，使电压击穿间隙产生火花放电的一种加工方式。电火花线切割机床加工是在电火花成形加工的基础上发展起来的，最初的名称为线状电极电火花切割机床加工(图a)，是与片状电极电火花切割机床加工(图b)，带状电极电火花切割机床加工(图c)和盘状电极电火花切割机床加工(图d)并列相称的。是一种不用事先制备专用工具电极而采用通用电极的电火花加工方法。但后来电火花线切割加工机床以其特有的生命力迅速在全世界得到应用和普及，成为全世界拥有量最多的电加工机床。,7.2 数控线切割加工,电火花线
11、切割机床的基本组成如图2所示。,7.2 数控线切割加工,7.2.2 电火花线切割加工方法的特点,若能利用线状工具对材料进行去除加工，则因为线状工具转折非常灵活，以只要操作(或控制)得法，就可以得到直线，圆弧等各种曲线形状。把这一原理应用于电火花加工，就得到了线电极(金属电极丝)切割方式，只要有效地控制电极丝相对于工件地运动轨迹和速度，就能切割出一定形状和尺寸地工件。这种加工方法具有一系列优点： 1. 工具电极简单，与电火花成形加工相比，它不需制造特定形状的电极，省去了成形电极的设计和制造，缩短了生产准备时间，加工周期短。 2. 结合数控技术，可以加工出形状复杂的零件，加上锥度功能，可得到上下异
12、形的工件。 3. 由于采用的是电蚀加工原理，故对诸如淬火钢、硬质合金，以及非金属结构陶瓷等难切削材料进行加工。 4. 电火花线切割加工是用电极丝作为工具电极与工件之间产生火花放电对工件进行切割加工，由于电极丝的直径比较小，在加工过程中总的材料蚀除量比较小，所以使用电火花线切割加工比较节省材料，特别在加工贵重材料时，能有效地节约贵重的材料，提高材料的利用率。 5. 电火花线切割在加工过程中的工作液一般为水基液或去离子水，因此不必担心发生火灾，可以实现安全无人加工。 6. 现在电火花线切割机床一般都是依靠微型计算器来控制电极丝的轨迹和间隙补偿功能，所以在加工凸模时，它们的配合间隙可任意调节。,7.
13、2 数控线切割加工,7. 可方便地直接对电参数进行检测、利用，以实现对加工过程地自动化控制。 现在有的电火花线切割机床具有四轴联动功能，可以加工上、下面导体形体、变锥度和球形等零件。,7.2 数控线切割加工,7.2.3 电火花线切割加工的分类,7.2.3.1 快走丝线切割机床,高速走丝切割机床，也就是快速走丝切割加工，是我国独创的数控机床，在模具制造业中发挥着重要的作用，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。高速走丝线切割机的电极丝通常采用0.100。28mm的钼丝，其它电极丝还有钨钼丝等，其走丝速度一般为713m/s，运丝电动机的额定转速通常不变的。
14、 而随着技术的发展和加工的需要，快走丝数控线切割机床的工艺水平日趋提升，锥度切削范围超过60，最大切割速度达到100150mm2/min，加工精度控制在0.010.02mm范围内，加工零件的表面粗糙度Ra1.25m。,7.2.3.2 慢走丝线切割机床,一般把走丝速度低于15m/min(0.25m/s)的线切割加工称为低走丝线切割加工，也叫慢走丝线切割加工。实现这种加工的机床就是低走丝线切割机床，低速走丝线切割机床的电极丝作单向运动，常用的电极丝有 0.020.36mm的黄铜或渗锌铜丝、合金丝等，有多种规格的电极丝以备灵活选用。 国内的慢走丝线切割机床99%以上是进口设备，大多数为瑞士和日本公司
15、的产品，这些慢走丝线切割机床在生产中承担着精密模具凹凸模具及一些精密零件的加工任务。其最佳加工精度可稳定达到+/-2um，在特定的条件下甚至可以加工出+/-1um精度的模具。,7.2 数控线切割加工,慢走丝线切割机床的开发和发展，走丝线切割机床由于电极丝移动平稳，易获得较高加工精度和较低的表面粗糙度，适合于精密模具和高精度零件加工。 数控快、慢走丝线切割机床在机床方面和加工工艺水平方面的主要区别见表1，表2。,表1 数控快、慢走丝切割机床的主要区别,7.2 数控线切割加工,表2 数控快、慢走丝线切割机床的加工工艺水平比较,7.2.4 电火花线切割加工原理,7.2 数控线切割加工,7.2.4.1
16、 慢走丝电火花线切割加工的加工原理,电火花线切割机床加工是从电火花成形机床加工的基础上发展起来的，其加工原理也是基于电火花成形加工的原理，即严格意义上的绝缘介质、相对稳定的极间距离、两极间电场强度最强处火花击穿放电、爆炸抛出、脉冲间歇消电离、电蚀产物的排出等。因慢走丝电火花线切割机床国产的不多，不作重点讲述。,7.2.4.2 快走丝电火花线切割加工的加工原理,快走丝电火花线切割加工机床是我国工程技术人员的创造发明，是在参考了慢走丝电火花切割加工技术和阳极机械切割技术的基础上，经过多年试验研究发明的。利用放电加工的凸凹不光洁表面造成的接触电阻进一步引导放电，电极丝与镜面金属不同间隙距离时的试验结果表明：电极丝对工件存在亚微米级的过接触而产生一定接触压力时，两极间放电率可以达到95%以上，而存在微米级间隙距离时放电率很低，甚至趋于零。下图说明了上述情况：,
