3电火花线切割加工0806.docx
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3电火花线切割加工0806
3电火花线切割加工
电火花线切割加工(WireCutElectricalDischargeMachining,WireCutEDM,简称WEDM)是在电火花加工基础上于20世纪50年代末发展起来的一种新工艺,是用线状电极(钼丝或铜丝)靠火花放电对工件进行切割,故称电火花线切割,有时简称线切割。
它已获得广泛的应用,目前国内外的线切割机床已占电加工机床的60%以上[1,2,3]。
3.1电火花线切割加工原理、特点、分类及应用
一、线切割加工的原理
电火花线切割加工的基本原理是利用移动的细金属丝(钼丝或铜丝)作电极对工件进行脉冲火花放电、切割成形。
如图3-1为高速走丝电火花线切割原理示意图。
利用细钼丝或铜丝6作工具电极进行切割,贮丝筒9使钼丝做正反向交替移动,加工能源由脉冲电源4供给。
在电极丝和工件3之间浇注工作液介质,工作台在水平面两个坐标方向按预定的控制程序,根据火花间隙放电状态作伺服进给移动,从而合成各种曲线轨迹,把工件切割成型。
图3-1电火花线切割加工原理示意图
1—坐标工作台2—夹具3—工件4—脉冲电源5—导轮
6电极丝7—丝架8—工作液箱9—贮丝筒
二、线切割加工的主要特点
分析电火花线切割加工与电火花成型加工,其加工机理、生产效率、表面粗糙度等工艺规律基本相同。
但与电火花线成型加工相比,电火花线切割加工具有以下特点:
1.不需要制造复杂的成型电极,大大降低了成型工具的设计和制造费用,缩短了生产准备时间,加工周期短,成本低;
2.由于采用移动的长电极丝进行加工,单位长度电极丝的损耗较少,从而电极损耗对加工精度影响较小;
3.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;
4.由于电极丝与工件之间始终有相对运动,线切割加工中一般没有稳定电弧放电状态;
5.由于电极丝比较细,能够方便快捷地加工异型孔、窄槽、薄壁等复杂形状零件,还可以进行套料加工,节省工件材料;
6.一般采用精规准一次成形加工,加工过程中一般不需要加工规准转换;
7.自动化程度高,操作方便,劳动强度低;
三、电火花线切割的分类[4,5]
电火花线切割机床按控制方式分有:
靠模仿形控制、光电跟踪控制、数字程序控制和微机控制等,其中前两种方法现已很少采用。
电火花线切割机床按照加工尺寸范围分:
大型机床、中型机床、小型和微型机床。
按照加工特点分可以分为:
普通直壁加工型、带锥度加工型和带回转坐标型等。
按照脉冲电源形式分:
RC电源、晶体管电源、分组脉冲电源、高低压复合脉冲电源、自适应控制电源等。
按照走丝速度分:
低速走丝方式(慢走丝电火花线切割)和高速走丝方式(快走丝电火花线切割)两类。
电极丝走丝速度>7米/秒的是高速走丝,低于0.2米/秒的是低速走丝[4]。
以前我国生产和使用的主要是高速走丝线切割,今年来我国也开始生产和使用慢走丝线切割。
四、电火花线切割的应用
线切割加工为新产品试制、精密零件加工、模具和工具的制造开辟了一条新的工艺途径。
1.模具加工适用于各种形状的冲模,如图3-2所示。
也可以加工挤压模、粉末冶金模、塑料模等,并可以加工带锥度的模具。
2.加工电火花成型加工用的电极,成形工具、样板等。
3.特殊形状零件的加工,二维直纹曲面加工(图3-3)和三维直纹曲面加工(图3-4)。
4.高硬度材料零件加工以及稀有贵金属的切割等。
3.2电火花线切割加工机床
3.2.1电火花线切割加工机床型号及主要技术参数
我国高速走丝电火花线切割加工机床的型号编制是根据《金属切削机床型号编制方法》(GB/T15375-94)来编制的,机床型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。
例如数控电火花线切割机床型号为DK7725A的含义如下:
工程设计人员在设计高速走丝电火花线切割机床时,应按照国家标准《电火花线切割机床参数》(GB7925-87)来进行设计,参见表3-1。
表3-1电火花线切割加工机床主要参数标准(GB5290-85)单位:
mm
工作台
横向行程
100
125
160
200
250
320
400
500
630
纵向行程
125
160
160
200
200
250
250
320
320
400
400
500
500
630
630
800
800
1000
最大承载重量/kg
10
15
20
25
40
50
60
80
120
160
200
250
320
400
500
630
960
1200
工件尺寸
最大宽度
125
160
200
250
320
400
500
630
800
最大长度
200
250
250
320
320
400
400
500
500
630
630
800
800
1000
1000
1250
1250
1600
最大切割厚度
40,60,80,100,120,180,200,250,300,350,400,450,500,550,600
最大切割锥度
0°、3°、6°、9°、12°、15°、18°(18°以上,每档间隔6°)
3.2.2电火花线切割机床组成
电火花线切割加工设备主要由机械部分(床身、坐标工作台、走丝机构)、电气部分(脉冲电源、控制系统)、工作液循环系统和机床附件(锥度切割装置、夹具等)四部分组成。
图3-5和图3-6分别为高速和低速走丝线切割加工设备组成示意图。
图3-5高速走丝线切割加工设备组成
图3-6低速走丝线切割加工设备组成
1—脉冲电源2—工件3—工作液箱4—去离子水5—泵6—放丝筒
7—工作台8—x轴电机9—数控装置10—Y轴电机11收丝筒
一、机械部分
机械部分由床身、坐标工作台、运丝机构、丝架、工作液循环系统等几部分组成。
1.床身
床身是坐标工作台、运丝机构、丝架的支撑和固定基础,应有足够的刚度和强度,一般采用箱体式结构。
床身的结构形式一般分为三种:
矩形结构、T型结构和分体式结构。
中小型电火花线切割机床一般采用矩形床身,坐标工作台为串联式,即X、Y工作台上下叠在一起,工作台可以伸出床身,这种形式特点是结构简单、体积小、承重轻、精度高。
中型电火花线切割机床一般采用T型结构,坐标工作台也为串联式,但工作台不能伸出床身,这种形式特点是承重大、精度高。
大型电火花线切割采用分体式结构,X、Y工作台为并联式,分别安装在两个相互垂直的床身上,其特点是承重大,制造简单,安装运输方便。
目前,北京科技大学提出了固定工作台式大型电火花线切割机床结构,其原理是利用丝架移动代替工作台移动。
这种结构特点是运动惯性小,运动精度高。
2.坐标工作台
工作台由工作台面、上滑板和下滑板组成,如图3-7所示。
坐标工作台的上滑板和下滑板中拖板和下拖板是沿着导轨往复移动的,对导轨的精度、刚度、耐磨性有较高的要求。
图3-7坐标工作台
3.走丝机构
在电火花线切割加工时,电极丝是不断往复移动的,这个运动是由运丝机构完成的。
走丝系统使电极丝以一定速度运动并保持一定的张力。
在高速走丝机床上,一定长度的电极丝平整地卷绕在贮丝筒上,参看图3-5。
丝张力与排绕时的拉紧力有关,为提高加工精度,防止断丝,近年来研制出了恒张力装置,如图3-8所示。
贮丝筒通过联轴器与驱动电极相连。
为了重复使用电极丝,电动机由专门的换向装置控制作正反向交替运动。
走丝速度等于贮丝筒周边的线速度,通常为7~10米/秒。
在运动过程中,电极丝由丝架支撑,并依靠导轮保持电极丝与工作台垂直或保持一定的几何角度。
图3-8自动张紧式线切割走丝机构
低速走丝系统如图3-6所示。
自未使用的金属丝筒6,靠卷丝轮11使金属丝以较低的速度(<0.2米/秒)移动。
为了实现断丝时能自动停车并报警,走丝系统中通常装有断丝检测微动开关。
为了减轻电极丝的振动,应使丝架跨度尽可能小(按加工工件厚度调整),通常在工件的上下采用蓝宝石V形导向器或圆孔金刚石导向器,其附近装有引电部分,工作液一般通过引电区和导向器在进入加工区,这样可使全部电极丝的通电部分都能冷却。
4.工作液循环系统
在电火花线切割加工过程中,工作液对加工工艺指标的影响很大,如对切割速度、表面粗糙度、加工精度等都有影响。
工作液的种类很多,有煤油、乳化液、去离子水、蒸馏水、洗涤液、酒精等。
低速走丝线切割机床大多采用去离子水作为工作液,只有在特殊精加工时才采用绝缘性能较高的煤油。
高速走丝线切割机床使用的工作液一般是专业乳化液。
由于线切割切缝很窄,及时排除电蚀产物是极为重要的问题,因此工作液的循环与过滤装置是线切割加工不可缺少的部分。
其作用就是充分地、连续地向加工区提供足够、合适的工作液,及时从加工区排除电蚀产物,对电极丝和工件进行冷却,以保持脉冲放电过程能稳定而顺利地进行。
工作液循环系统一般由工作液泵2、液箱1、过滤器9、管道10、流量控制阀4等组成,如图3-9所示。
对高速走丝机床,通常采用浇注式供液方式,而对低速走丝机床,近年来有些采用浸泡式供液方式。
图3-9电火花线切割工作液循环系统组成
1—工作液箱2—工作液泵3—下流道4流量控制阀5—上流道
6—电极丝7工件8—工作台9—过滤器10—管道
5.锥度切割装置
为了切割有某些有锥度(斜度)的内外表面,有些线切割机床具有锥度切割功能。
实现锥度切割的装置主要有两类:
偏移式丝架和双坐标联动装置。
偏移式丝架主要用在高速走丝线切割机床上实现锥度切割。
其工作原理如图3-10所示。
在低速走丝线切割机床上广泛采用双坐标联动装置,其原理是主要依靠上导向器亦能作纵横两轴(U、V)驱动,与工作台的(X、Y)轴一起构成数控四轴同时控制,如图3-11所示。
图3-10偏移式丝架实现锥度加工的方法
图3-11四轴联动式锥度加工装置[2]
二、电气部分
电火花线切割机床的电气部分由脉冲电源和数字程序控制系统组成。
1.脉冲电源
电火花线切割机床的脉冲电源通常又叫高频电源,是数控电火花线切割机床的主要组成部分,也是影响线切割加工工艺指标的主要因素之一。
电火花线切割脉冲电源的原理与电火花成型加工脉冲电源是一样的,只是由于加工条件和加工要求不同,对其又有特殊的要求。
电火花线切割加工属于中、精加工,往往采用某一规准将工件一次加工成型。
因此,对加工精度、表面粗糙度和切割速度等工艺指标都有较高要求。
受电极丝直径的限制(一般在0.08~0.02mm),脉冲电源的脉冲峰值电流不能太大。
与此相反,由于工件具有一定的厚度,欲维持加工稳定,放电峰值电流又不能太小,否则加工将不稳定或者无法加工,放电峰值电流一般在5~25A范围内变化。
为获得较高的加工精度和较小的表面粗糙度值,应控制单个脉冲放电能量,尽量减小脉冲宽度,一般在0.5~64μs。
所以,线切割加工总是采用正极性加工方式。
线切割脉冲电源是由脉冲发生器、推动极、功放及直流电源四部分组成。
脉冲电源的形式和品种很多,主要有晶体管脉冲电源、高频分组脉冲电源、并联电容型脉冲电源等。
目前电火花线切割机床使用的高频脉冲电源,主要是晶体管脉冲电源。
2.控制系统
数字程序控制系统是线切割机床的重要组成部分,是机床工作的指挥中心。
控制系统的技术水平、稳定性、控制精度等将直接影响工件的加工工艺指标。
控制系统的功能是在电火花线切割加工过程中,根据工件的形状和尺寸要求,自动控制电极丝相对于工件的运动轨迹和进给速度,实现对工件的形状和尺寸加工。
电火花线切割加工机床控制系统的主要功能包括:
(1)轨迹控制精确控制电极丝相对于工件的运动轨迹,加工出需要的工件形状和尺寸。
(2)加工控
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