电火花线切割加工方法

电火花线切割加工方法1电火花线切割的介绍1.1电火花线切割的产生与发展电火花线切割加工(Wire cut Electrical Discharge Machining，简称WEDM)，有时又称线切割。

其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝(称为电极丝)作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。

电火花线切割属电加工范畴，是20世纪中期，苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法，线切割放电机也于1960年发明于苏联。

当时以投影器观看轮廓面前后进给工作台面加工，其实认为加工速度虽慢，却可加工传统机械不易加工的微细形状。

代表的实用例子是化织喷嘴的异型孔加工。

当时使用之加工液用矿物质性油(灯油)。

绝缘性高，极间距离小，加工速度低于现在机械，实用性受限。

将之NC化，在脱离子水(接近蒸馏水)中加工的机种首先由瑞士放电加工机械制造厂在1969年巴黎工作母机展览会中展出，改进加工速度，确立无人运转状况的安全性。

但NC纸带的制成却很费事，若不用大型计算机自动程序设计，对使用者是很大的负担。

在廉价的自动程序设计装置(AutomaticProgramed Tools APT)出现前，普及甚缓。

1.2国内电火花线切割加工技术的现状在中国电火花加工技术起步稍晚。

根据中国的国情，实现电火花加工技术的原始创新是很困难的，只能采取引进消化吸收再创新的策略，因为这套系统集成了很多学科领域的知识，如计算机的软硬件、微电子、数控、电力半导体、机械技术、电气技术等，是多方面、多学科集成的产品，是比较复杂的高科技产品。

五十年代，国内电火花加工开始被认识，电火花机床开始进入加工领域，虽然当时只能解决硬度问题，打些丝锥钻头之类。

但这是电加工在模具行业大行其道的开始。

这时人们已经认识到如果“钢丝锯”加上“电火花”，“锯”有硬度的淬火钢应是可能的。

于是，让一个轴上储的大量铜丝经两个导向轮缠绕到另一个储丝轴上，两个导向轮间放上工件，工件接RC电源的正极，铜丝接RC电源的负极，就实现了火花切割。

尽管当时两个储丝轴像电影片盘一样的更换，尽管当时以各种摩擦方式制造丝的张力，也尽管当时以防锈防臭的磨床冷却液做加工液，必竟实现了“线电极火花切割”。

六十年代初期，某些军工企业和模具行业骨干厂以技术革新、自制自用的形式开始制造“线切割”。

大多是用铜丝、丝速2~5米/分、RC电源，至多是电子管脉冲源，控制方式业多是手摇和靠模。

就这样切出的如山字形矽钢片和电子管极板冲模仍是另人瞩目。

随着电子控制技术发展，放大样板、仿形和光电跟踪的控制方式也一度推动了线切割的进步。

至今快走丝线切割机仍是我国特有的，结构简单廉价低耗高可靠，运行成本低，50~100mm/分的速度，0。

01~0。

02mm的精度，尚能满足绝大多场合的需求。

如果有高水平的维护和精细操作，再多花一倍时间，精度到0。

005~0。

01mm之间，光洁度接近慢走丝效果。

1.3电火花线切割机床的类型1.3.1按电极丝运行速度分（一）高速电火花线切割机床（往复走丝电火花线切割机床）高速电火花线切割机床的走丝速度为6～12 m/s，是我国独创的机种。

自1970年9月由第三机械工业部所属国营长风机械总厂研制成功“数字程序自动控制线切割机床”，为该类机床国内首创。

1972年第三机械工业部对工厂生产的CKX数控线切割机床进行技术鉴定，认为已经达到当时国内先进水平。

这类机床的数量正以较快的速度增长，由原来年产量2~3千台上升到年产量数万台，目前全国往复走丝线切割机床的存量已达20余万台，应用于各类中低档模具制造和特殊零件加工，成为我国数控机床中应用最广泛的机种之一。

但由于往复走丝线切割机床不能对电极丝实施恒张力控制，故电极丝抖动大，在加工过程中易断丝。

由于电级丝是往复使用，所以会造成电极丝损耗，加工精度和表面质量降低。

（二）低速线切割机床单向走丝电火花线切割机床早期只有国外公司的独有机种。

低速走丝电火花线切割机的技术含量高、市场前景好，可以获得较高的回报，是电加工行业各个厂家的“必争之地”、“战略高地”。

也可以说，谁掌握了低速走丝电火花线切割机的技术，谁就获得了下一步企业发展壮大的机遇。

新一代低速走丝电火花线切割机的研发，取得了重大突破，目前已拥有了具有自主知识产权的产品，并占领了一定的市场份额，其性能指标可达中档机水平。

目前还有一些国内企业则希望通过与台湾相关企业的合作，来发展低速走丝电火花线切割加工技术。

低速线切割机床电极丝以铜线作为工具电极，一般以低于0.2m/s的速度作单向运动，在铜线与铜、钢或超硬合金等被加工物材料之间施加60~300V的脉冲电压，并保持5~50um间隙，间隙中充满脱离子水(接近蒸馏水)等绝缘介质，使电极与被加工物之间发生火花放电，并彼此被消耗、腐蚀，在工件表面上电蚀出无数的小坑，通过NC控制的监测和管控，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。

目前精度可达0.001mm级，表面质量也接近磨削水平。

电极丝放电后不再使用，而且采用无电阻防电解电源，一般均带有自动穿丝和恒张力装置。

工作平稳、均匀、抖动小、加工精度高、表面质量好，但不宜加工大厚度工件。

由于机床结构精密，技术含量高，机床价格高，因此使用成本也高。

（三）立式回转电火花线切割机床立式回转电火花线切割机的特点与传统的高速走丝和低速走丝电火花线切割加工均有不同，首先是电极丝的运动方式比传统两种的电火花线切割加工多了一个电极丝的回转运动；其次，电极丝走丝速度介于高速走丝和低速走丝直接，速度为1～2m/s。

由于加工过程中电极丝增加了旋转运动，所以立式回旋电火花线切割机与其他类型线切割机相比，最大的区别在于走丝系统。

立式回转电火花线切割机的走丝系统由走丝端和放丝端两套结构完全相同的两端做为走丝结构，实现了电极丝的高速旋转运动和低速走丝的复合运动。

两套主轴头之间的区域为有效加工区域。

除走丝系统外，机床其他组成部分与高速走丝线切割机相同。

1.3.2按电极丝运动轨迹的控制形式分（一）光电跟踪控制电火花线切割机床光电跟踪控制电火花线切割机床，其在进行线切割前，先根据零件图样按一定比例描绘出一张光电跟踪图，加工时将图样置于机床的光电跟踪台上，跟踪台上的光点头始终追随墨线图形的轨迹运动，再借助于电气、机械的联动，控制机床工作台连同工件相对电极丝做相似形的运动，从而切割出与图样形状相同的工件。

（二）数字程序控制电火花线切割机床数字程序控制电火花线切割机床，采用先进的数字化自动控制技术，驱动机床按照加工前根据工件几何形状参数预先编制好的数控加工程序自动完成加工，不需要制作靠模样板也无需绘制放大图，比前面两种控制形式具有更高的加工精度和广阔的应用范围，目前国内外95%以上的电火花线切割人机床都以采用数字化。

2 电火花线切割加工机理2.1脉冲电源电火花线切割的加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电源转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给电极放点间隙所需要的能量来蚀除金属。

脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大影响。

电火花线切割脉冲电源的形式品种很多，如晶体管矩形波脉冲电源、高频分组脉冲电源、节能型脉冲电源等。

对电火花线切割加工用脉冲总的要求是：（1）有较高的加工速度不但在粗加工时要有较高的加工速度，而且在精加工时也应具有较高的加工速度。

（2）工具电极损耗低（3）加工过程稳定性好 在给定的各种脉冲参数下能保持稳定加工，抗干扰能力强、不易产生电弧放电、可靠性强、操作方便。

（4）工艺范围广 不仅能适应粗、中、精加工的要求，而且要适应不同工件材料的加工。

脉冲电源要都满足上述要求是困难的，一般来说，为了满足这些总的要求，对电火花线切割加工脉冲电源的具体要求是：所产生的脉冲应该是单向的，没有负半波或负半波很小，这样才能最大限度的利用极性效应，不过受工件表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制，线切割加工脉冲电源的脉宽较窄（2～60μs ）,单个脉冲能量、平均电流（1～5A ）一般较小，所以线切割加工总是采用正极性加工。

2.1.1 高频分组脉冲电源高频分组脉冲波形，它是矩形波派生的一种波形，即把较高频率的小脉宽ti 和小脉间t0 的矩形波脉冲分组成为大脉宽Ti 和大脉间T0输出。

矩形波脉冲电源对提高切割速度和减小表面粗糙度这两项指标是相互矛盾的，高频分组脉冲波形在一定程度上能解决这两者的矛盾，在相同工艺条件下，可获得较好的加工工艺效果，因而得到广泛应用。

图3为高频分组脉冲电源的电路原理图。

图中的高频脉冲发射器、分组脉冲发生器和与门电路生成高频分组脉冲波形，然后经脉冲放大和功率输出，把高频分组脉冲能量输送到放电间隙。

一般取t0≥ti,Ti=(4～6)ti 。

图 3 高频分组脉冲电源的电路原理框图图3 高频分组脉冲电源的电路原理框图2.1.2低速走丝线切割加工的脉冲电源低速走丝线切割加工有其特殊性：一是丝速较低，电蚀产物的排泄效果不佳；二是昂贵的设备，必须有较高的生产率，为此常采用镀锌的黄铜丝作线电极，当火花放电时瞬时高温使低熔点的锌迅速溶化、气化爆炸式地、尽可能多地把工件上熔融的金属液体抛入工作液中。

因此要求脉冲电源有较大的峰值电流，一般都在100～500A，但脉宽te极短（0.1～1μs），否则电极丝将被烧断。

由此看来，低速走丝的脉冲电源必须能提供窄脉宽、大峰值电流。

结合节能要求，在功放主回路中往往既无限流电阻，又无限流电感（有的利用导线本身很小的潜布电感来适当阻止加工电流过快的增长。

这类脉冲电源的基本原理是由一频率很高（脉宽约0.1～1μs可调）的开关来触发、驱动功率级高频IGBT组件，使其迅速导通，因主回路中无电阻和电感，瞬时流过很大的峰值电流，达到额定值时，主震级开关电路使功率级迅速截止，然后停歇一段时间待放电间隙消电离恢复绝缘后，再由第二个脉冲触发功率级，如此重复循环。

2.1.3脉冲电源参数脉冲电源对放电加工的加工速度、表面质量、加工过程的稳定性和工具电极的损耗等技术经济指标有很大的影响。

脉冲电源参数包括电流峰值、脉冲宽度、脉冲间隔、空载电压、放电电流，快走丝线切割加工脉冲参数的选择见表1，快走丝线切割加工脉冲参数的选择见表2。

1．电流峰值电流峰值指短路时放电电流的瞬时最大值，在其他参数不变时，电流峰值增大，切割速度明显增大，但表面质量会变差，电极丝的损耗加大甚至断丝。

2．脉冲宽度脉冲宽度是指脉冲电流持续的时间，在其他参数不变时，脉冲宽度增大，切割速度明显加快，电蚀物随之增加，来不及排出，造成切割过程不稳，反而使切割速度下降，表面质量变差，电极丝的损耗加大甚至断丝。