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特种加工论文 院系：机电工程学院 数控快走丝电火花线切割加工工艺分析摘要：电火花线切割加工是一种能加工复杂截面的技术，只有工艺合理，才能高效率地加工精密模具零件，文章主要叙述了电火花线切割加工的步骤和特点，最后重点提出在加工过程中遇到的常见问题的处理方法。关键词：电火花线切割、加工原理、加工工艺、常见问题处理电火花线切割加工（Wire Cut EDM,简称WEDM）是在电火花加工基础上于2050年代末最早在前苏联发展起来的一中新的工艺方式，是用线状电极（钼丝或铜丝）靠火花放电对工件进行切割，故成为电火花线切割，有时简称线切割。它在对一些难切削的材料、特殊及复杂形状的零件的加工上较传统的切削加工方法具有明显的优势，因此被广泛应用于模具、工具、航空航天等制造加工领域。目前国内外的线切割机已占电加工机床的60%以上。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工具电极（钼丝）和工件两极之间脉冲放电时产生的电腐蚀现象对工件进行脉冲火花放电、切割成形。如图为快走丝电火花线切割工艺及装置的示意图。利用细钼丝(电镀丝)作工具电极进行切割，贮丝筒使钼丝作正反向交替移动，加工能源由脉冲电源供给。在电极丝和工件之间浇注工作液介质，工作台在水平面两个坐标方向各自按预定的控制程序，根据火花间隙状态作伺服进给移动，从而合成各种曲线轨迹，把工件切割成形。二、电火花线切割加工的特点电火花线切割加工过程的工艺，与其它的特种加工方法比较，有共性也有自己的特性。1、工具电极为顺电极走丝轴线方向移动着的线状电极。2、工具与工件在两个水平方向同时有相对伺服进给运动。3、直接利用线状的电极丝作电极，不需要制作成形的工具电极，大大降低了成形工具电极的设计和制造费用。4、可加工形状复杂的和难加工的工件，也可加工贵重金属。5、利用电蚀加工原理，电极丝与工件不直接接触，两者之间的作用很小，故而电极丝、夹具不需要太高的强度。6、电极丝材料不必比工件材料硬，可以节约辅助时间和刀具费用。7、直接利用电、热能进行加工，可以方便的对加工参数进行调整，有利于加工精度的提高，便于实现加工过程的自动化。8、工作液一般采用水基乳化液或纯水，不会引燃起火，容易实现安全无人运转。9、工具损耗率较小（可补偿）。三、数控电火花线切割加工的应用电火花线切割是一种应用机械能以外的能量形式特种加工方式。它可加工任何导电的金属材料，如硬质合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、钛合金等。但主要适用于切割各种冲模、塑料模、粉末冶金模等二维及三维直纹面组成的模具及零件，可直接切割各种样板、磁钢、硅钢片冲片，也常用于钼、钨、半导体材料或贵重金属的切割。高速走丝线切割机床适用于加工各种复杂形状的冲模及单件齿轮、花键、尖角窄缝类零件，也由于它将新的能量形式直接作用于材料，使得加工产生了诸多特点，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。主要有以下几个方面。1、模具加工：适用于加工各种形状的冲模。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。快走丝电火花线切割机的模具配合间隙、加工精度通常都能达到0.010.02mm的要求。此外，还可加工挤压模、粉末冶金模、弯曲模、塑压模等通常带锥度的模具。2、新产品试件的加工：以往试制新产品的关键零部件时，必须先设计、制造相应的刀、夹、量具和模具，以及二次工装，现在采用数控电火花线切割，可以直接加工出各种标准的和非标准的直齿轮（包括非圆齿轮、非渐开线齿轮），微型电动机定子、转子硅钢片，各种变压器铁心，各种特殊、复杂的二次曲面体零件。这样可以省去设计和制造相应的刀、夹、量具、模具及二次工具，大大缩短了试制周期。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。3、难加工零件的加工：加工用的工具硬度不必大于被加工材料的硬度，这就使得高硬度、高强度、高韧性等难加工材料的加工变得容易，大大提高了材料的可加工性。而材料的可加工性也不再与硬度、强度、韧性、脆性等成直接、正比关系。4、贵重金属的下料：在加工过程中，由于电极丝比较细，切缝很窄，且工具和工件之间不存在显著的机械切削力，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，所以适合用于切割贵重金属。四、数控电火花线切割的加工工艺1、工件材料的选择：对不经锻打、不淬火材料，在线切割加工前最好采用低温回火消除内应力，因为如果工件的内应力没有得到消除，在切割时，有的工件会开裂，把钼丝碰断；有的会使间隙变形，把钼丝夹断或弹断。如淬火后T8钢在线切割加工中及易引起断丝尽量少用。切割厚铝材料时，由于排屑困难，导电块磨损较大，注意及时更换。2、切割路线的选择（多次切割）：为了获得较高的加工精度，可以考虑在快走丝线切割机床采用多次切割工艺。采用多次切割工艺时，第一次切割主要进行高速稳定切割，因此可选用高峰值电流；第二次切割的主要任务是修光。应选择较小的脉冲电流和脉冲宽度。3、穿丝孔和电极丝切入位置的选择：对于不同的工件，加工穿丝孔的位置不同。在切割中、小孔形凹形类工件时，穿丝孔应位于凹形的中心位置，既便于穿丝孔加工位置准确，又便于控制坐标轨迹的计算；在切割凸形或大孔形凹形类工件时，穿丝孔应设置在加工起点附近，以缩短无用切割行程，同时应便于简化有关轨迹控制的计算。穿孔丝也可选在距离型孔边缘25mm处,如图所示。加工凸模时，为减小变形，电极丝切割时的运动轨迹与运动边缘的距离应大于5mm。4、电参数的选择：对加工质量具有明显影响的电参数主要包括脉冲电流、脉冲宽度、脉冲间隔、运丝速度等，通常需要在保证表面质量、尺寸精度的前提下，尽量提高加工效率。脉冲电源是影响加工表面质量的重要因素。减小单个脉冲能量可以改善表面粗糙度。决定单个脉冲能量的因素主要是脉冲宽度和脉冲电流。因此采用小的脉冲宽度和脉冲电流可获得良好的表面粗糙度。但是单个脉冲能量越小，切割速度越慢，如果脉冲电流太小，将不能产生放电火化，不能正常切割。一般来讲，精加工时，脉冲宽度可在20s内选择；中加工时，可在20s60s内选择。脉冲间隔对切割速度影响较大，而对表面粗糙度影响较小。脉冲间隔越小，单位时间放电加工的次数越多，因而切割速度也越高。实际上，脉冲间隔不能太小，否则放电产物来不及被冲刷掉，放电间隙不能充分消电离，加工不稳定，容易烧伤工件或断丝。对于厚度较大的工件，应适当加大脉冲间隔，以充分消除放电产物，形成稳定切割。一般脉冲间隔在10s250s范围内基本上能适应各种加工条件，进行稳定加工。5、其它非电参数的选择：对于快走丝线切割，广泛采用直径为0.060.20mm的钼丝，因它耐耗损、抗拉强度高、丝质不易变脆且较少断丝。提高电极丝的张力可减轻丝振的影响，从而提高精度和切割速度。采用恒张力装置可以在一定程度上改善张力的波动。电极丝的直径决定了切缝宽度和允许的峰值电流，最高切割速度一般都是用较粗的丝实现的。随着走丝速度的提高，在一定范围内，加工速度也在提高。提高走丝速度有利于电极丝把工作液带入较厚的工件放电间隙中，有利于电蚀物的排除和放电加工的稳定。但走丝速度过高，将加大机械振动、降低精度和切割速度，表面粗糙度也恶化，并容易造成断丝，所以一般以小于10m/s为宜。五、常见问题的处理数控电火花线切割加工中，电极丝的损耗或断丝严重影响其连续自动操作的进行。尤其是在高速走丝的线切割机床，它的电极丝主要是采用钼丝，电极丝运动速度快，通常为81m/s，而且是双向往返循环运行。在加工过程中随着电极丝损耗的增加，切缝越来越窄，不仅会使加工面的尺寸误差增大，而且很容易发生断丝。如果在切割工件过程中多次断丝，不仅会造成一定的经济损失，而且会带来重新绕丝的麻烦；不仅耽误时间，而且会在工件上产生断丝痕迹，影响精度和加工表面的质量，严重的会造成工件报废。造成电极丝折断的原因包括：电极丝损耗过度；运丝丝杠螺母副间隙太大；工件端面切割条件恶劣；工作液选用不当或者太脏；选择脉冲电流、脉冲宽度过大；电极丝老化，抗拉力不够；导轮或导轮轴承磨损；进给速度过大；工件变形导致切缝变窄等。因此，为了防止出现断丝故障，需要选择合适的电参数、定期更换工作液、定期更换导轮、定期更换电极丝、稳定装夹工件并选择合理的切割路线等。1、 电极丝的损耗：线切割加工中，在工件材料被蚀除、切割成型的同时，电极丝也会被放电腐蚀，即电极丝发生损耗。电极丝使用的时间较长时，丝径变细且布满显微放电凹坑、抗拉强度下降，最终发生断裂。一般来说，为避免损耗过度导致断裂，在测量丝径比新丝减少0.03O.05mm时，应及时更换新丝。2、 钼丝的松紧程度：如果钼丝安装太松，则钼丝抖动厉害，不仅会造成断丝，而且由于钼丝的抖动直接影响工件表面粗糙度。但钼丝也不能安装得太紧，太紧内应力增大，也会造成断丝，因此钼丝在切割过程中，其松紧程度要适当，新安装的钼丝，要先紧丝再加工，紧丝时用力不要太大。钼丝在加工一段时间后，由于自身的拉伸而变松。当伸长量较大时，会加剧钼丝振动或出现钼丝在贮丝筒上重叠。使走丝不稳而引起断丝。应经常检查钼丝的松紧程度，如果存在松弛现象，要及时拉紧。3、 钼丝安装：钼丝要按规定的走向绕在贮丝筒上，同时固定两端。绕丝时，一般贮丝筒两端各留10mm，中间绕满不重叠，宽度不少于贮丝筒长度的一半，以免电机换向频繁而使机件加速损坏，也防止钼丝频繁参与切割而断丝。机床上钼丝引出处有挡丝棒，挡丝棒是由两根红宝石制成的导向立柱，挡丝棒不像导轮那样作滚动运动，它们直接与钼丝接触，作滑动摩擦。因此磨损很快，使用不久柱体与钼丝接触的地方就会形成深沟，必须及时检查并进行翻转和更换，否则会出现叠丝断丝。4、 运丝机构：线切割机的运丝机构主要是由贮丝筒、线架和导轮组成。当运丝机构的精度下降时（主要是传动轴承），会引起贮丝筒的径向跳动和轴向窜动。贮丝筒的径向跳动会使电极丝的张力减小，造成丝松，严重时会使钼丝从导轮槽中脱出拉断。贮丝筒的轴向窜动会使排丝不匀，产生叠丝现象。贮丝筒的轴和轴承等零件常因磨损而产生间隙，也容易引起丝抖动而断丝，因此必须及时更换磨损的轴和轴承等零件。贮丝筒换向时，如没有切断高频电源，会导致钼丝在短时间内温度过高而烧断钼丝，因此必须检查贮丝筒后端的行程开关是否失灵。要保持贮丝筒、导轮转动灵活，否则在往返运动时会引起运丝系统振动而断丝。绕丝后空载走丝检验钼丝是否抖动。贮丝筒后端的限位挡块必须调整好，避免贮丝筒冲出限位行程而断丝。挡丝装置中挡块与快速运动的钼丝接触、摩擦，易产生沟槽并造成夹丝拉断，因此也需及时更换。导轮轴承的磨损将直接影响导丝精度，此外，当导轮的V型槽、宝石限位块、导电块磨损后产生的沟槽，也会使电极丝的摩擦力过大，易将钼丝拉断。这种现象一般发生在机床使用时间较长、加工工件较厚、运丝机构不易清理的情况下。因此在机床使用中应定期检查运丝机构的精度，及时更换易磨损件。5、 工件装夹：虽然线切割加工过程中工件受力极小，但仍需牢固夹紧工件，防止加工过程中因工件位置变动造成断丝。同时要避免由于工件的自重和工件材料的弹性变形造成的断丝。在加工厚重工件时，可在加工快要结束时，用磁铁吸住将要下落的工件，或者人工保护下落的工件，使其平行缓慢下落从而防止断丝。结论本文对快走丝电火花线切割加工的原理、特点、应用、工艺等做了详细的介绍，并结合电极丝的损耗及断裂等常见的问题作出分析，对电火花线切割加工工艺的理解有一定的帮助。参考文献1刘晋春、赵家齐、赵万生.特种加工（第4版），机