电火花线切割加工技术详解文档格式.docx
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如何通过线切割加工的方式来实现此批零件的加工?
图2-1-1异形型腔的加工示意图
任务分析
许多类型的工件(如高精度要求的花键孔、特殊的异形刀具、航空航天所用的试制零件等)由于生产批量小、硬度高,过去采用机械加工,通常用特制的拉刀在拉床上加工而成,而拉刀成本非常高,因此对于高硬度、带有斜度的工件很难适用。
在这种情况下采用慢速走丝线切割进行加工,可以极为方便地满足加工要求。
知识准备
一、电火花线切割加工的原理、特点及应用
随着电火花加工技术的发展,在成形加工方面逐步形成两种主要加工方式:
电火花成形加工和电火花线切割加工。
电火花线切割加工(wirecutEDM,简称WEDM)自20世纪50年代末产生以来,获得了极其迅速的发展,已逐步成为一种高精度和高自动化的加工方法,在模具制造、成形刀具加工、难加工材料和精密复杂零件的加工等方面获得了广泛应用。
目前电火花线切割机床已占电加工机床的60%以上。
1.电火花线切割加工的发展
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,且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。
尤其是进入20世纪90年代后,随着信息技术、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。
我国上海仪表工程师于20世纪60年代独创的特种快速走丝电火花加工机床,经过30多年的发展和完善,现已成为模具加工不可缺少的装备,也是中国模具生产企业装备数量最多的电火花加工机床。
自20世纪80年代起,由于采用了微机控制方式,高速走丝线切割机床的功能及可靠性获得了飞速的发展。
2.电火花线切割加工的原理
电火花线切割加工的加工原理与电火花成形加工基本相同,但加工方式不同。
电火花线切割加工采用连续移动的细金属丝(钼丝或铜丝)作电极,利用线电极与工件之间产生的脉冲火花放电来腐蚀工件,如图2-1-2所示。
工件6接脉冲电源的正极,钼丝4接负极,由脉冲电源5供给加工能量后,在工件与电极丝之间产生很强的脉冲电场,使其间的介质被电离击穿,产生脉冲放电而蚀除材料。
在机床数控系统的控制下,工作台带动工件在XY平面内按预定的轨迹运动,从而切割出需要的工件形状。
电极丝在储丝筒1的作用下进行正反向交替(或单向)移动,在电极丝和工件之间浇注工作液介质。
3.电火花线切割加工的特点
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同之处,又有不同之处。
1)电火花线切割加工与电火花成形加工的共同点
(1)电火花线切割加工的电压、电流波形与电火花成形加工的基本相似。
单个脉冲也有多种形式的放电状态,如断路、正常火花放电、短路等。
(2)电火花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成形加工基本相似,可以加工硬质合金等一切导电材料。
2)电火花线切割加工与电火花成形加工的不同点
(1)电火花线切割加工是以很细的金属丝为工具电极,可加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件。
电火花线切割的缺点是不能加工盲孔。
(2)电火花线切割加工不需要制造特定形状的电极,大大降低了工具电极的设计和制造费用,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,这不仅对新产品的试制很有意义,也增加了大批量生产的快速性和柔性。
(3)电火花线切割加工由于采用移动的长电极丝(快速走丝时)或一次性电极丝(慢速走丝时)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小。
但是另一方面,也正是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,属于中、精正极性电火花加工,工件常接脉冲电源正极。
(4)电火花线切割加工进行轮廓加工时所需加工的余量小,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。
由于切口很窄,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,这对节约贵重金属有着重要意义。
(5)电火花线切割加工是采用乳化液或去离子水的工作液,不易引燃起火,可实现安全无人运转。
由于工作液的电阻率远比煤油小,因而在断路状态下,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。
(6)电火花线切割加工的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(如8~10μm)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。
(7)电火花线切割加工依靠数控系统的线径偏移补偿功能,使冲模加工的凹凸模间隙,可以任意调节。
利用四轴联动,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。
(8)电火花线切割加工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、断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“微断路”、“微短路”现象。
(9)电火花线切割加工时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。
正是由于电火花线切割加工具有许多突出的优点,因而在国内外发展都较快,已获得了广泛的应用。
4.电火花线切割加工的分类
1)按控制方式分类
电火花线切割加工按控制方式有靠模仿形控制、光电跟踪控制、数字程序控制及微机控制等,但是前两种方法已很少采用。
2)按脉冲电源形式分类
电火花线切割加工按脉冲电源形式有RC脉冲电源、晶体管脉冲电源、分组脉冲电源及自适应控制电源等,RC脉冲电源现已不用。
3)按加工特点分类
电火花线切割加工按加工特点有大型、中型、小型,以及普通直壁切割型与锥度切割型等。
4)按走丝速度分类
电火花线切割加工按走丝速度有慢速走丝方式和高速走丝方式。
我国广泛采用高速走丝线切割机床,国外则采用慢速走丝线切割机床,慢速走丝线切割机床价格贵但切割精度较高。
5.电火花线切割加工的应用范围
电火花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工艺途径,主要应用于以下几个方面。
1)加工特殊材料
切割某些高硬度、高熔点的金属时,使用机械加工的方法几乎是不可能的,而采用线切割加工方法既经济又能保证精度。
电火花成形加工用的电极、一般穿孔加工用的电极、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。
2)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动机硅钢片定转子铁芯,由于不需另行制造模具,可大大缩短制造周期、降低成本。
又如在冲压生产且未制造落料模时,先用线切割加工的试样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,材料试验件,各种型孔、型面、特殊齿轮、凸轮、样板、成形刀具。
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、异形槽和标准缺陷的加工等。
3)加工模具
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,也可加工带锥度的模具。
调整不同的间隙补偿量,只需一次编程就可以切割凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等。
模具配合间隙、加工精度通常都能达到0.01~0.02mm(双向高速走丝线切割机)和0.002~0.005mm(单向慢速走丝线切割机)的要求。
电火花线切割加工的应用领域见表2-1-1。
表2-1-1电火花线切割加工的应用领域
加工类型
应用领域
平面形状的金属模加工
冲模、粉末冶金模、拉拔模、挤压模的加工
立体形状的金属模加工
冲模用凹模的退刀槽加工、塑料用金属压模、塑料模等分离面加工
电火花成形加工用电极制作
形状复杂的微细电极的加工、一般穿孔用电极的加工、带锥度型模电极的加工
试制品及零件加工
试制零件的直接加工、批量小品种多的零件加工、特殊材料的零件加工、材料试件的加工
轮廓量规的加工
各种卡板量具的加工、凸轮及模板的加工、成形车刀的成形加工
微细加工
化纤喷嘴加工、异形槽和窄槽加工
二、电火花线切割加工机床
1.电火花线切割加工机床的分类与型号
1)电火花线切割加工机床分类
电火花线切割加工机床可按多种方法进行分类,通常按电极丝的走丝速度分成快速走丝(或称高速走丝)线切割机床(WEDM-HS)与慢速走丝(或称为低速走丝)线切割机床(WEDM-LS)。
(1)慢速走丝数控电火花线切割机床。
慢速走丝电火花线切割机床走丝速度低于0.2m/s,是国外生产和使用的主要机种。
常用黄铜丝(有时也采用纯铜、钨、钼和各种合金的涂覆线)作为电极丝。
工作时,电极丝仅从一个方向通过加工间隙,不重复使用,避免了因电极丝的损耗而降低加工精度。
同时由于其电极丝张力调节机构,使电极丝在运行过程中,走丝速度慢,机床及电极丝的振动小。
因此,加工过程平稳、均匀、抖动小,保证了慢速走丝电火花线切割加工的高精度。
慢速走丝电火花线切割机床属于精密加工机床,为了达到高精度加工的要求,常进行多次切割,一般为2~4次。
慢速走丝电火花线切割机床的工作液一般采用去离子水、煤油等,生产率较高,没有引起火灾的危险。
慢速走丝线切割加工机床由于解决了自动卸除加工废料、自动搬运工件、自动穿电极丝和自适应控制技术的应用,因而已能实现无人操作的加工,但慢速走丝电火花线切割加工机床在目前的造价以及加工成本均要比快速走丝数控电火花线切割机床高得多。
(2)快速走丝电火花线切割机床。
快速走丝电火花线切割机床的电极丝做高速往复运动,一般走丝速度为8~10m/s,是我国独创的电火花线切割加工模式。
快速走丝线电火花切割机床的电极丝运行速度快,而且是双向往返循环运行,即成千上万次的反复通过加工间隙,直至断丝为止。
线电极材料常用直径为0.10~0.30mm的钼丝(有时也用钨丝或钨钼丝)。
工作液通常采用乳化液。
由于电极丝的快速运动能将工作液带进狭窄的加工间隙,以保持加工间隙的“清洁”状态,有利于切割速度的提高。
相对来说,快速走丝电火花线切割机床结构简单、价格便宜、生产率高,但由于运行速度快,工作时机床振动较大,导丝和导向轮的损耗快,给提高加工精度带来较大的困难。
另外电极丝在加工反复运行中的放电损耗也是不能忽视的,因而快速走丝线切割机床的加工精度和表面粗糙度就不如慢速走丝线切割机床,其加工精度一般为0.01~0.02mm,表面粗糙度为1.25~2.5μm。
相对于慢速走丝电火花线切割机床而言,快速走丝电火花线切割机床结构简单,价格低廉,且加工生产率较高,精度能满足一般要求,目前在我国生产、使用较为广泛。
快、慢速走丝电火花线切割机床的加工特点比较见表2-1-2。
表2-1-2快、慢速走丝电火花线切割机床的加工特点比较
项目
类型
快速走丝
慢速走丝
走丝速度
2~12m/s
1~8m/min
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