高速走丝气中电火花线切割精加工编程设计方案.docx

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高速走丝气中电火花线切割精加工编程设计方案

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

高速走丝气中电火花线切割精加工编程设计

摘要

最近几年来，随着模具的飞速发展，对模具加工表面质量要求不断提高，电火花线切割表面加工技术因此备受关注。

这就要求电火花线切割要提高加工面的机械性能，降低表面粗糙度，从而达到提高模具使用寿命的目的。

本文介绍电火花线切割加工的加工原理以及工作介质的应用。

对传统电火花线切割加工基本原理和基本规律进行了探索和介绍。

叙述了电火花线切割新方法的发展，它在合适条件下加工可提高加工精度。

在高速走丝电火花线切割中由于加工反作用力是微小的，线电极振动也小。

另外，因在一定条件下放电间隙也可以比传统电火花线切割窄，所以试件腐蚀也可以较小。

高精度的精加工在高速走丝电火花线切割中可以实现。

本文介绍了电火花线切割加工过程中发生的现象和相关的解释并结合MastercamX2软件对线切割实例进行编程设计。

关键词电火花线切割；精加工；MastercamX2软件

ProgrammingdesignofMechanismofHigh-SpeedWireElectricalDischargeFinishing

Abstract

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofthemold,theWEDMsurfaceprocessingtechnologycausesomuchattentionbecauseofthemoldsurfacequalityrequirescontinuousimprovement.ThisrequiresimprovingmechanicalpropertiesofWEDMmachiningsurface,andreducingthesurfaceroughness,soastoachievethepurposeofimprovingthemoldlife.

ThisarticledescribestheapplicationoftheWEDMprocessingprincipleandmedia.ExploresandintroducestraditionalEDMwirecuttingbasicprinciplesandlaws.DescribesthedevelopmentoftheWEDMnewmethod,itcanimprovetheprecisionundertheproperenvironment.SincetheprocessingreactionforceissmallintheWireElectricalDischargeFinishing,wireelectrodevibration.Inaddition,thedischargegapundercertainconditionsisnarrowerthantraditionalEDMwirecutting,sothespecimencorrosioncanalsobesmaller.High-precisionfinishingcanbeachievedinthehigh-speedWEDM.

ThisarticledescribesWEDMphenomenonoccurredintheprocessingandinterpretationofwirecutinstanceofprogrammingdesigncombinedwithMastercamX2software.

KeyWords：

WEDM;finishing;MastercamX2software

目录

摘要

Abstract

第一章绪论-1-

1.1电火花加工来源和电火花线切割综述-1-

1.2本题的背景-1-

1.3课题探讨内容-1-

第二章电火花加工基本原理-3-

2.1气体的放电特性-3-

2.2电火花加工的机理-3-

2.2.1介质间的电离、击穿，形成放电通道-4-

2.2.2介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀-5-

2.2.3电极材料的抛出-5-

2.2.4极间介质的消电离-6-

2.3电火花加工的基本规律-6-

2.3.1金属材料热物理常数对电蚀量的影响-6-

2.3.2能量和脉冲频率对电蚀量的影响-7-

2.3.3极性效应和脉冲宽度对电蚀量的影响-7-

2.4加工分类-8-

2.5本章小结-8-

第三章电火花线切割加工基本规律-9-

3.1电火花线切割加工分类和特点-9-

3.1.1电火花线切割分类-9-

3.1.2线切割加工特点-10-

3.2电火花线切割加工的应用范围-10-

3.2.1加工模具-10-

3.2.2加工电火花成形加工用的电极-10-

3.2.3加工零件-10-

3.3影响线切割工艺指标的因素-10-

3.3.1线切割加工工艺指标-10-

3.3.2电参数的影响-11-

3.3.3非电参数的影响-12-

3.3.4工件产生腰鼓形的原因与改善措施-13-

3.5LS-WEDM各次切割的关系-13-

3.6本章小结-14-

第四章数控电火花加工实验设备-15-

4.1数控电火花线切割加工概述-15-

4.1.1数控线切割加工机床简介-15-

4.1.2数控线切割加工特点-15-

4.2数控线切割加工工艺指标及工艺参数-15-

4.2.1线切割加工的主要工艺指标-15-

4.2.2影响工艺指标的主要因素-15-

4.3电火花数控加工机床-16-

4.3.1机床参数-16-

4.3.2机床结构-17-

4.3.3机床的控制系统-17-

4.4实验操作-17-

4.4.1机床解锁-17-

4.4.2装夹工件-18-

4.4.3对丝-18-

4.4.4加工液-18-

4.5本章小结-19-

第五章数控电火花线切割加工编程设计-20-

5.1MastercamWireX2线切割设计-20-

5.1.1MastercamWireX2软件简介-20-

5.2WireX2线切割编程设计实例-20-

5.2.3数控NC程序代码-23-

5.3本章小结-23-

总结-24-

参考文献-25-

致谢-26-

插图清单

图2-1气体放电特性…………………………………………………………………………-3-

图2-2击穿放电………………………………………………………………………………-4-

图2-3气化膨胀………………………………………………………………………………-5-

图2-4电极料抛出……………………………………………………………………………-5-

图2-5极间恢复绝缘…………………………………………………………………………-6-

图3-1低速走丝线切割原理…………………………………………………………………-9-

图3-2高速走丝线切割原理…………………………………………………………………-9-

图3-3电火花加工表面硬度…………………………………………………………………-11-

图3-4线切割加工表面硬度…………………………………………………………………-11-

图3-5腰鼓型…………………………………………………………………………………-13-

图3-6二次切割示意图………………………………………………………………………-14-

图4-1机床结构示意图………………………………………………………………………-16-

图4-2机床控制系统图………………………………………………………………………-18-

图4-3试验部件尺寸图………………………………………………………………………-18-

图5-1设置多边形参数………………………………………………………………………-20-

图5-2产生多边形……………………………………………………………………………-20-

图5-3产生连续线……………………………………………………………………………-21-

图5-4删除后结果……………………………………………………………………………-21-

图5-5分割结果………………………………………………………………………………-21-

图5-6设置参数菜单…………………………………………………………………………-21-

图5-7保存菜单………………………………………………………………………………-22-

图5-8电极丝切割参数设置菜单……………………………………………………………-22-

图5-9工件参数设置菜单……………………………………………………………………-23-

图5-10切割轨迹模拟图………………………………………………………………………-23-

图5-11实体切割模拟图………………………………………………………………………-23-

第一章绪论

1.1电火花加工来源和电火花线切割综述

电火花线切割加工方法是机械制造领域中一种重要的加工技术，它通过两极间脉冲放电的电蚀现象进行各种轮廓和形状的零件加工。

这种方法不是靠机械能来对材料进行去除，而是利用电热能、电化学能等特殊的能量形式来实现材料去除。

线切割加工无切削力，工件材料硬度对可加工性影响不大，基于这种特点，适合加工各种特殊性能的材料和各种复杂表面及微细、精密、薄壁以及低刚性零件，因而广泛应用于航空、电子、电器、汽车、家电、轻工等领域。

关于电蚀现象的最早报道是十七世纪六十年代开始的。

首先是利用电蚀现象来制取金属粉末的胶体溶液，至于电蚀现象用于金属加工则较晚。

1878年美国用电笔刻字取得专利权，1935年至1937年美国人斯廷纳（A·P·Steiner）和英国人鲁道夫先后取得交流放电切割和直流放电切割的专利权。

1943年几乎同时由前苏联人古雪夫发明了阳极机械加工（anodemachining）和拉扎连科夫妇发明的电蚀加工，或叫电火花加工。

1946年拉扎连科夫妇为此获得斯大林奖金。

1947年美国人帕特斯（C·G·peters）发表了非金属（金刚石）的电火花加工方法。

1948年在前苏联又发展了一种电接触加工，前苏联人毕尔林将此法用于磨刀，而高夫曼则用其来加工滚珠。

1951年至1955年前苏联人又在电火花加工的基础上发展了电脉冲加工（electro-impulsemachining）。

从此，一种新的加工方法即电蚀加工就逐步发展起来了。

1.2本题的背景

电火花加工是用高密度能量的脉冲放电来去除材料的加工方法，它适用于普通机械加工方法难以加工或无法加工的特殊材料或具有复杂形状的工件，因而获得了广泛的应用。

生产实践的需要及相关科学技术进步，推动着电火花加工技术不向前发展，20世纪70年代以后其发展速度呈现出明显加快的趋势。

我国机械程学会电加工分会赵万升教授等，于1999年曾撰文就国外电火花加工技术的最新发展进行了较为详尽的阐述。

其中首先介绍了微细电火花加工的进展：

日本东京大学增泽隆久等1984年开发出线电极电火花磨削技术，解决了微细电极的制作与安装问题，并加工出微米极微细轴与孔；1997年该大学的余祖元博士等提出了电极等损耗概念，在其加工中由于电极的损耗只发生电极底面，通过加工路径合理规划，电极端部处于等损耗状态，因此损耗补偿策略变得极为简单，使微三维轮廓的精密电火花加工成为可能。

1.3课题探讨内容

本课题从探讨电火花线切割精加工的方法和手段入手，以提高加工精度，加工表面质量，加工效率为目的。

着力于探讨电火花线切割精加工的影响因素和编程设计。

着重以下几方面问题的探讨：

1.高速走丝电火花线切割精加工的加工规律探讨，包括放电间隙、表面粗糙度、直线度及加工速度；

2.寻求高速走丝电火花线切割精加工的合理加工参数；

3.高速走丝电火花线切割多次加工实验探讨。

4.应用软件对电火花线切割进行了实例编程设计。

第二章电火花加工基本原理

2.1气体的放电特性

放电时指电流通过绝缘介质（气、液或固）的一种现象，放电是一种极为复杂的过程，对于电火花加工条件下微小电极间隙内的放电现象，目前探讨的还不深入，通常引用大间隙条件下的气体放电过程来说明。

这种放电的伏安特性随时间变化关系如图2-1所示。

当置于气体中的两金属电极上的电压逐渐升高时，由于外界的高能粒子能使介质电离，形成了很小的电离电流，即0-a段对于液体，因为会产生气体，也存在电离电流，电压继续提高会使绝缘部分破坏，造成电晕放电，即a-b段，这是一种不稳定的放电状态，带电粒子不能自行增殖，只能在某些局部产生和消灭，保持平衡的放电。

若继续提高电压，带电粒子的速度增加，能事被碰撞的分子、原子电离，造成带电粒子不断增殖，向全路绝缘破坏转移，电流急剧增大，成为不稳定的放电，电弧放电，即d-e段，这种放电在时间上连续在空间上集中，放电加工中如出现这一种情况常引起电极和工件的烧伤。

但电弧放电在工业上可用作光源、热源、焊接等用处。

靠外界因素激发才能维持的放电称为非自持放电；靠本身带电粒子增殖就能的放电称为自持放电，两种放电之间的转折点，即自持放电的初始阶段，称为介质击穿。

从介质击穿到电弧放电之间的过渡形式称为脉冲放电（即为广义火花放电）。

这种放电在时间上断续、在空间上分散，是电火花加工所采用的放电形式。

脉冲放电又可分为火花放电和过渡电弧放电，前者的特点是放电电流密度和伏安特性有急剧的变化（b-c）段，后者的特点是放电电流密度随时间而下降，放电电压随电流的增加而降低（c-d）段。

图2-1气体放电特性

2.2电火花加工的机理

电火花放电时，电极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下来的，这一微观的物理过程也就是电火花加工的物理本质，或称机理。

了解这一微观过程，有助于掌握电火花加工工艺的基本规律，对脉冲电源、进给装置、机床设备等提出合理的要求。

从大量实验资料来看，每次电火花腐蚀的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程[1]。

这一过程大致可分为以下四个连续阶段：

极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离。

2.2.1介质间的电离、击穿，形成放电通道

当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一个电场。

电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。

由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。

液体介质中不可避免地含有某种杂质（如金属微粒、碳粒子、胶体粒子等），也有一些自由电子，使介质呈现一定的电导率。

在电场作用下，这些杂质将使极间电场更不均匀，当阴极表面某处的电场强度增加到105V/mm（100V/μm）左右时，就会产生场致电子发射，由阴极表面向阳极逸出电子。

在电场作用下电子高速向阳极运动，并撞击工作液介质中的分子或中性原子（在化学，物理中任何分子都是由一种或多种元素的原子组成的。

任何原子都是由带正电荷的原子核和围绕原子核高速运动着的带负电荷的电子所组成，不同元素的原子有不同的电子数，但整个原子的正负电荷都相等．因而是中性的），产生碰撞电离。

把最外层轨道上的负电子撞离出去，形成带负电的粒子（主要是电子）和带正电的粒子（子核和轨道剩余的电子构成的正离子）。

导致带电粒子雪崩式增多，使介质击穿而电阻率迅速降低，形成放电通道，如图2-2所示。

这种由于电场强度增高引起电子发射形成的间隙击穿称为场致发射击穿。

另有一种由于阴极表面温度高，局部过热而引起大量电子发射形成的间隙击穿称为热击穿[2]。

电火花加工中，热击穿过多，易引起放电点集中而不分散，导致积碳而转为电弧放电。

从雪崩电离开始到建立放电通道的过程非常迅速，理论上仅需10-7s～10-8s（0.1～0.01μs），间隙电阻从绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值（几安到几百安）。

由于通道直径很小，所以通道中的电流密度可高达105～106A/cm2。

间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般约为20～30V），电流则由零上升到某一峰值电流。

间隙电路中导线有了电感，或脉冲电源开关元件频率响应低，则上升下降的都会不陡。

放电通道是由数量大体相等的带正电（正离子）和带负电粒子（电子）以及中性粒子（原子或分子）组成的等离子体。

正负带电粒子相反方向高速运动相互碰撞。

产生大量的热，使通道温度相当高。

但分布是不均匀的，从通道中心向边缘逐渐降低。

图2-2击穿放电

2.2.2介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀

极间介质一旦被电离、击穿、形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。

电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。

于是在通道内正极和负极表面分别为瞬时热源，达到很高的温度。

通道高温将工作液介质气化，进而热烈分解气化，如煤油等碳氢化合物工作液，高温后裂解成氢气、乙炔、甲烷、乙烯、游离碳黑等；水基工作液则热分解成氢气、氧气的分子甚至原子等。

正负极表面的高温除使工作液汽化、热分解气化外，也使金属材料熔化甚至沸腾气化。

这些气化后的工作液和金属蒸气，瞬间体积猛增，在放电间隙内形成气泡，迅速热膨胀。

就象火药、爆竹点燃后具有爆炸性，如图2-3所示。

电火花加工过程中，可看到放电间隙冒出气泡，工作液逐渐变黑，听到轻微的清脆爆炸声。

电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、气化了的电极材料抛出蚀除。

图2-3气化膨胀

2.2.3电极材料的抛出

通道和正负极表面放电瞬时高温使工作液气和金属材料熔化、气化，热膨胀产生很高的瞬时压力。

通道中心压力最高，使气化了的气体体积不断向外膨胀，形成一个扩张的“气泡”。

气泡上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的熔融金属液体和蒸气，就被排挤、抛出而进入工作液中，如图2-4所示。

由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料具有最小表面积，冷凝时形成细小的圆球颗粒（直径约0.1～300μm随脉冲能量而异）。

实际上熔化和气化了的金属抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中收缩小颗粒外，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面电极表面上。

这种互相飞溅、镀覆、吸附的现象，在某种条件下可用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。

半裸在空气中的电火花加工时，可看见到桔红色甚至蓝白色的火花四溅，它们就是被瞬时局部高压微爆炸抛出的金属高温熔滴和小屑，与磨削时看到的火花类似。

观察铜打钢电火花加工后的电极表面，可看到钢上粘有铜、铜上粘有钢的痕迹。

进一步分析电加工后的产物，在显微镜下可看到除了游离的碳粒、大小不等的铜和钢的球状颗粒之外，还有一些钢包铜、铜包钢、互相飞溅包容的颗粒。

图2-4电极料抛出

2.2.4极间介质的消电离

随着脉冲电压的结束，脉冲电流迅速降为零，但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，如图2-5所示。

从而保证在别处按两极相对最近处或电阻率最小处形成下一击穿放电通道。

在加工过程中产生的电蚀产物（如金属微粒、碳粒子、气泡等）如果来不及排除、扩散出去，就会改变隙介质的成分，并降低绝缘强度。

脉冲火火花放电时产生的热量不及时传出，带电粒子的自由能不易降低，将大大减少复合的几率，使消电离过程不充分，结果将使下一个脉冲放电通道始终集中在某一部位，使介质和金属表面局部过热而破坏消电离过程。

这样脉冲火花放电将恶性循环，转变为有害的稳定电弧放电。

同时工作液局部高温分解后可能结碳，在该处聚成焦粒而在两极间搭桥，使加工无法进行下去，并烧伤电极和工件。

由此可见，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般要有足够的脉冲间隔时间to，这一脉冲间隔时间的选择，不仅要考虑介质本身消电离所需的时间（与脉冲能量有关。

但总的来说，消电离时间较快，只需5～50μs），还要考虑电蚀产物排离放电区域的难易程度（与脉冲爆炸力大小、放电间隙大小、抬刀及加工面积有关）。

此外还应留有余地，使击穿、放电点分散、转移，否则若在一点附近放电，易形成电弧。

到目前为止，人们对于电火花加工的微观过程的了解还是很不够，诸如工作液成分作用间隙介质的击穿，放电间隙内的状况，正负电极间能量的转换与分配，材料的抛出，电火花加工中热场、流场、力场的变化，通道结构及其振荡，以及煤油工作液的热分解、裂变、带电碳微粒在正电极上的吸附等胶体化学现象等等，都还需要进一步探讨。

图2-5极间恢复绝缘

2.3电火花加工的基本规律

2.3.1金属材料热物理常数对电蚀量的影响

所谓热物理常数是指熔点、沸点（气化点）、导热系数、比热（热容）、溶解热、气化热等，其中前三个热物理常数对电蚀量影响较大。

每次脉冲放电时，通道内及正、负极放电点瞬时分别获得大量热能。

正、负电极放电点的热能中，除一部分由于热传导散失到电极、工件和工作液外，另一部分依次消耗在以下几方面：

1）金属材料的局部表面温度升高，直至达到熔点，每克金属升高1℃所需热量（cal），称为该金属的比热（热容）；

2）处于熔点的固体金属熔化成液体，每熔化一克固体金属所需的热量，称为该金属的熔化潜热；

3）熔化的金属液体继续升温至沸点，每克金属液体升高1℃所需热量，称为该熔液的热容；

4）使处于沸点的熔液蒸发成金属蒸汽，每蒸发一克液体金属所需的热量称为气化热；

5）金属蒸汽继续加热成过蒸汽，每克金属蒸汽升高1℃所需的热量称为该蒸汽的热容。

2.3.2能量和脉冲频率对电蚀量的影响

实践表明，无论正极或负极，都存在单个脉冲的蚀除量Vwe与单个脉冲的能量We成正比的关系。

而总的蚀除量等于总的有效脉冲蚀除量的总和，至于正极或负极的加工速度Vw即单位时间内的蚀除量）基本上与单个脉冲能量和脉冲频率成正比。

由于火花放电间隙的负阻特性，击穿后的火花维持电压20～25V左右的常值，而与空载电压击穿电压的关系不大。

脉冲频率fp为脉冲周期tp的倒数，而脉冲周期又为脉冲宽度ti与脉冲间隔to之和。

但实际加工中，存在着开路（未击穿）、正常电火花放电、不稳定电弧、稳定电弧和短路等。

除正常火花放电外，其它几种放电状态都不利于加工，因此实际有效放电频率fe低于电源脉冲频率fp。

即脉冲利用率λ小于1。

提高电蚀量和切割速度的途径，在于提高脉冲频率fe增加单个脉冲能量We或提高脉冲利用率λ。

当然实际生产时要考虑到这些因素之间的相互制约关系和对其工艺指标的影响。

例如频率过高，脉冲间隔过小，将产生电弧放电；单个脉冲能量大，表面粗糙。

2.3.3极性效应和脉冲宽度对电蚀量的影响

实验证明，即使所有的加工参数相同，电火花线切割加工时工件接正极或负极，其蚀除量或切割速度也是不一样，这种由于正、负极性接法不同而蚀除量不一样的现象叫做“极性效应”。

产生极性效应的基本原因如下：

在火花放电过程中，正、负电极表面分别受到负电子和正离子的轰击和瞬时热源作用，在两极表面所分配的能量不一样，因而熔化、气化和抛出的金属