电火花线切割加工工艺设计及试验毕业设计说明书.docx

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电火花线切割加工工艺设计及试验毕业设计说明书

电火花线切割加工工艺设计及试验

摘要

阐述了电火花线切割加工设备的组成部分、功能、工作原理及操作方法。

论述了电火花线切割加工的基本原理。

通过工厂电火花线切割加工试验，熟悉其加工特性，掌握线切割加工工艺。

研究开发了能实现复杂曲面零件电火花线切割加工的加工工艺。

阐明了其加工原理、特点、组成及运动规律,并对各种主要硬件装置进行阐述和开发.从而拓宽了电火花线切割加工的工艺范围，从根本上解决了复杂曲面零件的加工难题，具有很强的应用和推广价值。

关键词：

电火花加工，线切割加工，加工工艺，复杂型面

Abstract

Thispaperexpoundstheparts,functions,workingprincipleandoperationmethodoftheelectricaldischargemachiningequipment.. ThebasicprincipleofEDMwirecuttingisdescribed.. Throughthefactoryelectricaldischargemachiningexperiment,familiarwiththemachiningcharacteristics,cuttingprocesstechnology. TheresearchanddevelopmentofthemachiningprocessoftheEDMwireforcomplexcurvedsurfacepartsisdeveloped.. Toclarifythemachiningprinciple,characteristics,compositionandthelawofmotionofthe,andthemainhardwaredevicecarriesontheelaborationanddevelopment.Soastobroadentheelectricsparkwirecuttingmachiningrangeof,fundamentallysolvestheproblemofmachiningcomplexcurvedsurfaceparts,hasstrongapplicationandpopularizationvalue.

Keywords:

EDM,wirecutting,machiningprocess,complexsurface

第一章引言

1.1特种加工技术的概念及其意义

特种加工是一种利用化学能、电能、声能、机械能以及光能和热对金属或非金属材料进行加工的方法。

它具有传统加工无法比拟的优点:

1）能量密度高,能加工常规切削方法难以加工的材料;2）作用时间短,热影响小,工件不易变形;3）可进行细小精密零件加工;4）无切屑或者粉末状切屑,易于自动处理;5）加工过程易于自动化。

随着科学技术迅猛地发展,新型材料不断地涌现出来,而有些材料对工件制造的精度要求越来越高,因而对切削加工提出了新的要求。

由于受刀具材料性能、结构、设备加工能力的限制,使用传统的切削方法难以完成对高强度、高韧性、高硬度、高脆性、耐高温和磁性等新材料,以及精密复杂或难以处理的形状的加工。

为了解决这些加工的难题,目前国内外正在不断开发研究或采用的特种加工技术和方法,并已攻克和解决了一些难以加工的技术关键问题,推动了科技进步,提高了生产效率和产品质量,在工作上发挥了较好的作用。

1.2特种加工技术的类别及其应用范围

1.2.1机械特种加工

机械特种加工不同于传统的切削加工方法,而是用机械能或者间接用声能、热能进行加工。

可分磨料流动加工、磨料喷射加工、液力加工、低应力磨削、热辅助加工、超声波加工、全成型加工、喷水加工等8种方法。

它适用于切割、穿孔、研磨、抛光、去毛刺、蚀刻、磨削、拉削、镗削和套料等加工范畴。

1.2.2电气特种加工

电气特种加工是将被加工的金属工件置于直流电场和电解液中产生阴极溶解的电化学反应而对金属材料进行加工的一种方法。

通常称为电化学加工（电解加工）。

它有电解液冲刷加工、成型管电解加工、电化学削平加工、电化学珩磨加工、电化学车削加工、电化学去毛刺加工、电化学放电磨削加工、电化学加工、电化学抛光加工等10种方法。

它适用于磨削、成型、去毛刺、车削、珩磨、抛光等加工范畴。

1.2.3热特种加工

热特种加工是用电子束、激光束、等离子束、电火花放电产生热量来熔蚀金属而达到加工目的。

它有电子束加工、电火花磨削、电火花成型加工、电火花切割、电火花线切割、激光加工、等离子束加工等8种方法。

它适用于钻孔、成型、磨削、车削、切割、开割、划线等加工范畴。

1.2.4化学特种加工

化学特种加工是用热化学方法、化学腐蚀方法进行加工的。

它有化学加工、光化学加工、热化学加工、电抛光等4种方法。

它适用于削平、抛光、腐蚀、去毛刺和飞边等加工范畴。

1.3特种加工技术现状及实际应用

1.3.1机械特种加工

在一般采用金属切削刀具难以加工的场合,采用机械特种加工。

它是借助于水、磨料、超声波、热能等,实施对工件进行的精密加工。

1.3.2电气特种加工

电气特种加工又称为电解加工。

它是特种加工技术中重要的方法之一,是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解来将工件加工成形的。

电解加工成功应用于锻模、齿轮、花键、高温合金叶片等机械零件成型加工,采用电解液冲刷加工和成型管电解加工可以加工孔径0.2mm～5mm,也可以加工异型孔的小深孔机械零件。

1.3.3热特种加工

电子束、激光束、等离子束、电火花放电加工等热特种加工,是特种加工应用较为普通的一种技术,电火花放电加工更为成熟更为普及,也是机械加工不可缺少的一项技术。

1.3.4化学特种加工

化学特种加工是一种使用面较窄的特种加工技术,它是在工件表面产生化学反应,使用金属腐蚀溶解而改变工件尺寸和形状,具有加工周期短、变换产品快、工艺性能好等特点,它主要用于印刷线路板制造,这种使用场合称为化学铣切。

另一种化学加工方法是把工件暴露在高温、腐蚀性气体中来切除材料。

1.4电火花线切割加工的发展及现状

电火花线切割加工（WireCutElectro-dischargeMachine,，简称WEDM）是在电火花加工基础上于20世纪50年代末最早在前苏联发展起来的一种工艺形式，是用线状电极（钼丝或铜丝）靠火花放电对工件进行切割，故称为电火花线切割，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。

1.4.1电火花线切割加工技术的发展趋势与工艺进展

目前电火花线切割加工技术的研究与发展趋势主要表现在以下几个方面:

（1）在稳定发展高速走丝机的同时，重视低速走丝电火花线切割的开发和发展

1）高速走丝机仍然稳步发展　高速走丝电火花线切割机是我国的发明创造。

由于高速走丝有利于改善排屑条件，适合于大厚度和大电流高速切割，加工性能价格比优异，是我国电加工行业的主要发展机型。

2）重视低速走丝电火花线切割的开发和发展低速走丝电火花线切割机由于电极丝移动平稳，易获得较高精度和表面粗糙度看，适于精密模具和高精度零件加工。

现在需要加强对低速走丝机的深入研究，开发新的规格品种，为市场提供更多的国产低速走丝电火花线切割机。

于此同时，还要在大量实验研究的基础上，建立完整的工艺数据库，完善其CAD/CAM软件。

（2）完善机床设计，改进走丝机构

1）为使机床结构更加合理，必须用先进的技术手段对机床总体结构进行分析。

应用陷阱的计算机有限元分析模拟软件对机床的结构进行力学和热稳定性分析。

还应注重造型设计，在保证机床技术性能和清洁加工的前提下，使机床结构合理，操作方便，外形新颖。

由于电火花加工中工具电极与工件之间没有宏观作用力,因此,将电火花加工装置、尤其是电极驱动机构进行微小型化,使电极进给驱动系统的惯性得以大幅度减小,必将更好地发挥电火花加工技术的工艺特点。

2）机床上的坐标工作台大多采用十字滑板结构，为了提高它的精度，除考虑热变形及先进的导向结构外，还应采用丝距误差补偿和间隙补偿技术，以提高机床的运动精度。

对于大型线切割机来说，采用十字滑板工作台结构就不够合理，而南昌江南电子仪器厂开发的DK77100型龙门式机床则值得研究。

龙门式机床的工作台只作Y方向运动，X方向运动在龙门架上完成，上下导轮座挂于横架上，可以分别控制。

这不仅增加了丝架的刚性，而且工作台只作Y方向运动，省去了X方向滑板，有助于提高工作台的承重能力，降低整机总重量。

3）高速走丝电火花线切割机的走丝机构，是影响其加工质量及加工稳定性的关键部件，目前存在的问题较多。

目前巳开发的恒张力装置及可调速的走丝系统，应在进一步完善的基础上推广应用。

（3）推广多次切割工艺，提高综合工艺水平

切割速度与加工表面质量是一种矛盾，欲想在一次切割过程既获得很高的切割速度，又要获得很好的加工质量是困难的。

提高电火花线切割的综合工艺水平，采用多次切割是一种有效方法，即用较大的电规准进行第一次切割，以获得较高的切割速度，然后依次减小电规准，进行第二次、第三次切割，逐步修光，以获得满意的加工表面粗糙度和加工精度。

高速走丝电火花线线切割机采用多次切割工艺不仅是必要的，而且是可行的。

（4）发展PC机控制系统，扩充线切割机的控制功能

目前国内已有的基于PC机电火花线切割机数控系统主要用于加工轨迹的编程和控制，PC机的资源并没有得到充分开发利用，今后的趋势是将在以下几个方面进行深人开发研究：

1）开发和完善开放式的数控系统。

目前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发展，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、加工规机控制及其缩放等功能，扩充自动定位、自动找中心、低速走丝及自动穿丝、高速走丝及自动紧缩等功能，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及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）深人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）进一步开发有自主版权的电火花线切割—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发展今后的电火花线切割技术开发研究将会涉及到：

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；用陶瓷等新材料来制造机床的关键零部件及其工夹具；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。

1.4本章小节

本章节主要是对电火花线切割的发展介绍，了解电火花线切割的未来发展和目前电火花线切割加工技术的研究与发展趋势。

了解电火花线切割机床的分类以及加工环境，为以后的加工提供理论的支持。

图1-1为电火花线切割加工机床

1一贮丝筒2—走丝溜板3—丝架4一上滑板

5一下滑板6—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及应用

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。

如图所示，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，在放电通道的中心温度瞬间可以达到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部分汽化，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）。

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及清洗的作用。

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/min。

低速走丝电火花线切割加的电极丝为黄铜丝、镀锌黄铜丝或者钼丝，电极丝直径一般为0.10～0.35mm。

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及锥面的工件。

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范围内。

由于低速走丝的电极丝张力可以得到很好的控制，电极丝的振幅影响比较小，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，间隙电压以及伺服跟踪速度与电火花成形加工相似。

1—脉冲电源2—工件3—工作液箱4一去离子水5—泵6—储丝筒7—工作台

8—X轴电动机9一数控装置10—Y轴电动机11一收丝筒12—电极丝13—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0.12～0.22mm，电极丝的材料为钼丝。

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割的，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及工件两端。

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带动工作台在水平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相同。

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，张力不好控制，电极丝振动明显，极间短路是不可避免的。

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。

为了避免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内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—导轮4一电极丝5—工件6—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、热动力以及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及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表面的微观不平而变得极不均匀，极间介电液中的杂质以及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内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，其初始压力可达数百甚至数千个大气压。

这个内部高压将极力使通道及其周围瞬时形成的分子团（以后发展成气泡）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分离并继续扩展，放电通道则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105～106A/cm2.放电通道是由数量大体相等的带正电和带负电离子以及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10000℃义以上。

与此同时，阳极表面和阴极表面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--个瞬时高温热源。

图2-4矩形脉冲道放电电压及放电电流波形

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、声能以及电磁波辐射能等：

其中大部分转换成热能，用于加热两极放电点及极间放电通道，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）给电极表面的主要有下列几种形式：

①在电场作用下，带电粒子（电子和正离子）对电极表面的轰击；②电极材料汽化喷爆时所形成的蒸气炬对相对的电极表面的冲击：

③放电通道的热辐射；④放电通道中高温气体质点对电极表面的热冲击。

在上述四种传递形式中，带电粒子对电极表面高速轰击是主要的。

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表面；而正离子则因质量惯性大，加速度小，在短时间内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）电极表面被蚀材料的抛出

传递给电极表面的能量转化成热能，并在电极表面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，并向工件材料内部传导，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矚材料抛巧电极表面，而在电极表面留下一个小凹坑，如图3.14所示。

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表面高温热源，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，以及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一个脉冲放电结束之后，极间电场急速减小到零，碰撞电离也随之停止，而且放电通道会因消电离过程（即通道中的正负带电粒子复合成中性粒子过程）而使通道中的带电粒子急速减少，并逐渐恢复极间介电液的介电性能。

必须指出，正负带电粒子的复合速度是比较快的，极间电导将在很短的时间内减少。

但是，正负带电粒子的复合和极间电导的减少，并不等于极间介电性能的恢复。

因为放电后的电蚀产物（含有微粒、气泡给余热等）在短时间内还来不及扩散，介电液的高温及大量的电蚀产物都会降低其介电性能。

因此，在电火花线切割加工中，为了保证加工的正常进行，在先后二次脉冲放电之间都应有足够的停歇时间。

其最小脉冲停歇时间的选择，不仅要考虑极间介电液的消电离汽化的金矚材料抛巧电极表面，而在电极表面留下一个小凹坑，如图2.5所示。

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表面高温热源，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，以及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一个脉冲放电结束之后，极间电场急速减小到零，碰撞电离也随之停止，而且放电通道会因消电离过程（即通道中的正负带电粒子复合成中性粒子过程）而使通道中的带电粒子急速减少，并逐渐恢复极间介电液的介电性能。

必须指出，正负带电粒子的复合速度是比较快的，极间电导将在很短的时间内减少。

但是，正负带电粒子的复合和极间电导的减少，并不等于极间介电性能的恢复。

因为放电后的电蚀产物（含有微粒、气泡给余热等）在短时间内还来不及扩散，介电液的高温及大量的电蚀产物都会降低其介电性能。

因此，在电火花线切割加工中，为了保证加工的正常进行，在先后二次脉冲放电之间都应有足够的停歇时间。

其最小脉冲停歇时间的选择，不仅要考虑极间介电液的消电离

极限速度，而且还应该考虑电蚀产物的扩散和棑出，以及放电通道中的热量传散。

5）实际加工时的重复脉冲放电过程从上面的论述中可以看出，一个脉冲经过击穿放电、能量转换、电极材料抛出以及极间消电离过程之后，便完成了一次电腐蚀，而在工件表面留下一个小凹坑。

这个小凹坑是十分微小的，但无数个脉冲放电累积，就可以加工出所需要的形状和尺寸。

此时，人们非常关心实际加工过程中重复脉冲放电是如何进行的。

生产实践表明，加工过程中的每个脉冲放电，绝不是简单地在二极之间相对最近的尖端处进行，而是一个复杂的连续过程。

加工时，首先是在二极间介电能力最薄弱的凸起处产生火花放电。

由于前一次放电所产生的加工屑及气泡等使放电周围的电蚀产物浓度增大，加上放电后的余热使此处的液温升高，都会降低此处工作液的介电能力，导致第二个脉冲容易在第一个脉冲放电的附近区域再次击穿放电。

另一方面，没有发生脉冲放电