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1、电火花线切割加工工艺参数选择与优化试验摘要阐述了电火花线切割加工设备的组成局部、功能、工作原理与操作方法。论述了电火花线切割 加工的基本原理，通过对制作电极，准备实验设备，对不同材料进行一系列的电火花线切割加 工试验，对电参数进行在线测试，对加工件进行检测，对结果进行分析比较，优选参数，进行 比照工艺试验，得到最正确试验结果，以研究电火花线切割加工各种孔径小孔与三维型面的工艺 特性，即脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流等加工电参数对加工精度、外表粗糙度与效率的影响 规律，再进行分析、总结，形成可指导实际加工的工艺文件。关键词：电火花加工 线切割加工 参数优化 工艺1）开发和完善开放式的数控系统。目前
2、高速走丝电火花线切割机所用的数控软件 是在DOS基础上开发的，有很大的局限性，难于进一步扩充其功能。现在应加速向 以pc机为基础的开放式、多任务管理与控制系统开展，以便充分开发PC机的资源， 扩充数控系统功能。2）继续完善数控电火花线切割加工的计算机绘图、自动编程、加工规机控制与其 缩放等功能，扩充自动定位、自动找中心、低速走丝与自动穿丝、高速走丝与自动 紧缩等功能，提高电火花线切割加工的自动化程度。3）研究放电间隙状态数值检测技术，建立伺服控制模型，开发加工过程伺服进给 自适应控制系统。为了提高加工精度，还应对传动系统的丝距误差与传动间隙进行 精确检测，并利用PC机进行自动补偿。4）开发和完
3、善数值脉冲电源，并在工艺试验基础上建立工艺数据库，开发加工参 数优化选取系统，以帮助操作者根据不同的加工条件和要求合理选用加工参数，充 分发挥机床潜力。5）深入研究电火花线切割加工工艺规律，建立加工参数的控制模型，开发加工参 数自适应控制系统，提高加工稳 定性。6）进一步开发有自主的电火花线切割一和人工智能软件。积极采用现代技术，促进电火花线切割技术开展今后的电火花线切割技术开发研究 将会涉与到：用激光测量技术来分析研究机床零部件的制造质量；用有限元技术来 分析机床结构的力学性能和热稳定性；用瓷等新材料来制造机床的关键零部件与其 工夹具；用模糊控制技术来开发伺服进给和加工参数控制系统；用人工神
4、经网络技 术来研究各种复杂系统的输入量与输出量之间的关系.并建立相关的神经网络模 型；用数值模拟（计算机仿真）技术；上过程的各种疑难问题，并预测其结果；用 专家系统或人工智能系统来控制加工过程等。图1T为电火花线切割加工机床1 一贮丝筒 2一走丝溜板3一丝架4 一上滑板5 一下滑板 6一床身电源 7电源、控制柜图1-2往复高速走丝线切割加工设备组成第二章 电火花线切割加工的机理与应用2. 1电火花线切割加工基本原理电火花线切割加工时，在电极丝和工件之间进行脉冲放电。如下图，一般电极 丝接脉冲电源的负极，工件接脉冲电源的正极。当一个脉冲发生时，在电极丝和 工件之间产生一次火花放电，在放电通道的中
5、心温度瞬间可以到达10000以上, 高温使得放电附近的金属瞬间熔化甚至汽化，高温也使得电极丝和工件之间的工 作液产生局部汽化，这些汽化后的工作液和金属蒸汽瞬间迅速膨胀，并具有爆炸 特性。这种热膨胀和局部爆炸作用，使得金属材料以熔化和汽化的方式抛出，实 现对工件材料进行电蚀切割加工。为了确保每一个脉冲放电时电极丝与工件之间产生火花放电而不是电弧放电，必 须要使两个脉冲之间有足够的间隔时间，以使间隙中的电离充分消除或转移，并 且恢复本次放电通道处间隙中介质的绝缘强度，以免在同一点上发生接连放电而 产生的电弧放电现象。一般电火花线切割加工的脉冲停歇时间以脉冲宽度的4倍 以上（比电火花成形要长一些）。
6、另外，为了确保电极丝不被瞬时的局部高温烧断， 必须向放电间隙中注入大量的工作液，这些工作液不仅可以使电极丝得到充分的 冷却，还可以起到消除电离和排屑与清洗的作用。脉冲电源 晚丝脉冲电源 晚丝图2.1电火花线切割加工原理示意图2. 1. 1低速走丝线切割加工基本原理低速走丝电火花线切割机床的电极丝作低冲单向运动，一般走丝速度为0. 2 15m/mino低速走丝电火花线切割加的电极丝为黄铜丝、镀锌黄铜丝或者监目丝，电 极丝直径一般为0. 100. 35mmo图所示为低速走丝电火花线切割工艺装置示意图。 电极丝的路径是从储丝筒6出来，经过上导轮后穿过要切割的工件，再经过下导轮, 被收丝筒11没收或排
7、出不再重复使用。被切割的工件2固定在工作台7上，被切 割面水平放置。在切割过程中，工件在工作台上受电动机8、9的拖动，在水平方 向按照预置的XY轨迹伺服运动，电极丝除了由上至下不停运转外，还可以下导轮 为轴心，上导轮在上拖板的拖动下按预置轨迹作方向的运行，这些运动的合成可以 切割出不同曲面与锥面的工件。脉冲电源1的正、负极性通过进电块分别加在工件 和电极丝上，为放电加工提供脉冲能量。低速走丝的加工方式一般为浸液式，工作 液为去离子水，与高速走丝线切割相比，低速走丝对工作液的要求比较高，工作液 的电阻率、离子数量、杂质含量都要严格控制在允许围。由于低速走丝的电极丝力 可以得到很好的控制，电极丝的
8、振幅影响比较小，在加上工作液的电阻率也比高速 走丝的电阻率高许多，因此低速走丝线切割加工时，间隙电压以与伺服跟踪速度与 电火花成形加工相似。1 一脉冲电源2工件3工作液箱4一去离子水5一泵6储丝筒7一工作台 8X轴电动机9 一数控装置10Y轴电动机11 一收丝筒12电极丝13一进电块图2. 2低速走丝电火花线切割工艺装置示意图2. 1.2高速走丝线切割加工基本原理高速走丝电火花线切割机床的主要特点是电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为7 11m/s,电极丝的直径为为0. 120. 22mm,电极丝的材料为监目丝。图所示为高 速走丝电火花线切割工艺装置示意图。它是利用电极丝4作为工具电极进行切害
9、的， 电极丝穿过工件上预钻好的小孔，经导轮3由储丝筒2带动电极丝作正反向交替运 转。加工能量由脉冲电源8供给，靠进电块分别加在电极丝与工件两端。工件安装 在工作台上，由数控装置1按加工要求发出指令，控制执行电动机11带开工作台 在水平X、Y两个坐标方向移动，加工出的零件截面形状与设计轨迹完全一样。如 果机床带有锥度切割装置，上下导轮受步进电动机驱动的十字托板控制，使电极丝 与中心线偏移角度，并与X、Y轴的运动轨迹合成来实现锥度加工，从而可以实现 各种变截面零件加工。在加工时，由喷嘴6将工作液以一定的压力喷向加工区。 高速走丝线切割加工因为电极丝往复运动后容易松丝，力不好控制，电极丝振动明 显，
10、极间短路是不可防止的。为了抑制电极丝的振幅，一般都采用过跟踪方法控制 切割的进给速度，换句话说就是加工过程中，间隙电压偏短路。为了防止由于频繁 短路造成烧丝现象发生，利用提高电极丝的运转速度，靠高速运转的电极丝向放电 间隙带人的工作液的速度加快，冲液量加大，蚀除物更有效地排出，同时有助于断 弧和消除电离，这也是高速 走丝线切割的电极丝运行速度相对较高的原因之一。1 一数控装置2储丝筒3一导轮4一电极丝 5工件6一喷嘴7绝缘板8脉冲电源9 一液压泵10工作液箱11执行电动机图2. 3高速走丝电火花线切割工艺装置示意图2. 2电火花线切割加工物理过程电火花线切割加工的物理过程是非常短暂而复杂的，根
11、据大量实验资料的分析来 看，每次电火花腐蚀的微观过程是电动力、电磁力、热动力以与流体动力等综合作 用的过程，并可大致分为介质击穿和通道形成、能量转换和传递、电极 材料的抛 出、极间介质消电离等几个阶段。电火花线切割加工实际上是一个重复脉冲放电过程，前一个脉冲放电所形成的电蚀 产物与放电凹坑必定会影响后一个脉冲的放电过程，因而实际加工时的放电过程会 比单个脉冲放电过程复杂得多。但单个脉冲放电毕竟是研究电火花线 切割加工机 理的基础。为有助于掌握电火花线切割加工的基本规律，并对电火花线切割设备提 出合理的要求，仍有必要进一步了解单个脉冲放电的微观过程。1.单个脉冲瞬时击穿放电过程电火花线切割加工一
12、般都是在水基工作液（去离子水 和皂化油的乳化液，也有用煤油的）中进行的。当脉冲电压施加在电极丝与工件之 间时，极间电场将会因电极外表的微观不平而变得极不均匀，极间介电液中的杂质 以与弱电解质的极性分子都会在极间电场的作用下向电场较强的方向聚集、结链， 进一步引起极间电场的畸变。当极间距离逐步缩小或是脉冲电压不断升高时，极 间某处的电场强度将会超过极间介电液的介电强度，使介电液发生雪崩式的碰撞电 离，并形成极间放电通道。此刻，极间电阻将在很短时间从绝缘状态急速下降到数 欧姆以下，而电流随即上升，极间电压相应下降到火花维持电压，如图2.4所示。 极间放电通道实际上是高温、高压的电离气体，其初始压力
13、可达数百甚至数千个大 气压。这个部高压将极力使通道与其周围瞬时形成的分子团（以后开展成气泡）急 速扩展，并产生强烈的冲击波向外传播。在放电的初始阶段，气泡和放电通道之间 并没有明显的界面，但因放电通道除受到周围液体介质惯性的压缩作用外，还受 到它自身电磁场箍束 效应作用，因而气泡会在放电过程中与放电通道界面别离并 继续扩展，放电通道那么被约束成一个细小的通道，其截面甚小，致使通道中的电流 密度高达IO,1。64/。而放电通道是由数量大体相等的带正电和带负电离子以与中 性离子组成的等离子体。通道中的正负带电离子在极间电场作用下高速运动时， 将发生剧烈碰撞，并产生大量的热量，使通道温度升高到10
14、000义以上。与此同 时，阳极外表和阴极外表分别受到电子流和离子流的高速轰击，也将产生大量热量。这样，在两极之间将沿放电通道形成一个瞬时高温热源。图2. 4矩形脉冲道放电电压与放电电流波形2）幻电火花放电时的能量转换极间介质一旦被击穿放电，脉冲电源就将通过放电 通道瞬时释放能量，并把电能转换为热能、动能、磁能、光能、声能以与电磁波辐 射能等：其局部转换成热能，用于加热两极放电点与极间放电通道，使两极放电点 的金属局部熔化或汽化。热能与电火花线切割加工密切相关，传递（或称分配）给电极外表的主要有以下几 种形式：在电场作用下，带电粒子（电子和正离子）对电极外表的轰击；电极 材料汽化喷爆时所形成的蒸
15、气炬对相对的电极外表的冲击：放电通 道的热辐射; 放电通道中高温气体质点对电极外表的热冲击。在上述四种传递形式中，带电粒子对电极外表高速轰击是主要的。由于负电子的质 量和体积都相当小，在电场作用下能获得很高的加速度和速度，所以在脉冲放电的 最初阶段就会有大量的高速电子轰击阳极外表；而正离子那么因质量惯性大，加速度 小，在短时间无法获得很高的速度，所以，采用高频窄脉冲电源的电火花线切割加 工，都应选用正极性加工，即工件接电源正极，以充分利用电子的轰击作用来提高 切割速度。3）电极外表被蚀材料的抛出传递给电极外表的能量转化成热能，并在电极外表放电点附近形成一瞬时高温热 源。这个热源的中心处温度最高
16、，并向工件材料部传导，形成一个温度梯度场，即 离放电点中心愈远愈低。据工件材料的熔点和汽化点不同，使受热材料形成余金属 汽化、金属熔融、金属固态受热三种情况。由于电极材料的熔化和汽化过程十分短 促，有爆炸特性。爆炸力将把熔化和汽化的金喝材料抛巧电极外表，而在电极外表 留下一个小凹坑，如图3. 14所示。L放电柱无变化区图2. 5放电凹坑形成研究发现，在高速走丝电火花线切割加工情况下，脉冲放电时所形成的电极外表 高温热源，不可以简化成一个固定 的点热源，而只能简化成快速移动的点热源。 这种热源所形 成的放电凹坑不是半球形，而是鸭蛋形。移动速度愈快，以 与脉冲 放电持续时间愈长，其凹坑的长度将愈长。4）消电离和极间介电性能的恢复
