电火花线切割加工的优势和应用

1.电火花线切割加工的基本原理

电火花加工是利用工具电极与工件电极之间脉冲性的火花放电，产生瞬时高温将金属蚀除，又称放电加工、电蚀加工、电脉冲加工。电火花加工主要用于加工各种高硬度的材料（如硬质合金和淬火钢等）和复杂形状的模具、零件，以及切割、开槽和去除折断在工件孔内的工具（如钻头和丝锥）等。线切割加工是线电极电火花的加工简称，是电火花加工的一种。电火花线切割加工是利用金属丝（钼丝﹑钨钼丝）与工件构成的两个电极之间进行脉冲火花放电时产生的电腐蚀效应来对工件进行加工，以达到成型的目的。其基本原理如图4-1 所示。

图4-1　数控线切割加工原理图

被加工的工件作为阳极，钼丝作为阴极。脉冲电源发出一连串的脉冲电压，加到工件和钼丝上。钼丝与工件之间有足够的具有一定绝缘性的工作液。当钼丝与工件之间的距离小到一定程度时，在脉冲电压的作用下，工作液被电离击穿，在钼丝与工件之间形成瞬时的放电通道，产生瞬时高温，使金属局部熔化甚至汽化而被蚀除下来。若工作台带动工件不断进给，就能切割出所需的形状。

由于采用单向脉冲放电，使被蚀除的现象主要发生在工件上，并且贮丝桶带动钼丝做正反向交替的高速运动，所以钼丝蚀损的速度较慢，可以使用较长的时间。

2.数控电火花线切割机床

数控电火花线切割机床能加工各种高硬度﹑高强度﹑高韧度和高熔点的导电材料，如淬火钢﹑硬质合金等。加工时钼丝与工件不接触，有0.01 mm 左右的间隙，不存在切削力，有利于提高几何形状复杂的孔﹑槽及冲压模具的加工精度。数控电火花线切割机床可用于单件、小批量生产中，加工各种冷冲模﹑铸塑模﹑凸轮﹑样板﹑外形复杂的精密零件及窄缝，尺寸精度可达0.02～0.01 mm，表面粗糙度Ra≤2.5μm，切割速度最快为100 mm2/min。

数控电火花线切割机床包括机床﹑脉冲电源和数控装置三大部分。

1）机床

机床主要由运丝机构、丝架导丝机构、数控坐标工作台及冷却系统等部分组成。

（1）运丝机构。运丝机构的作用是将绕在贮丝桶上的钼丝通过丝架做反复变换方向的送丝运动，使钼丝在整体长度上均匀参与电火花加工，以保证精度的稳定性，同时可延长丝的使用寿命。贮丝桶的转动由一只交流电机带动，丝速分两挡，为高速运丝和低速运丝。高速运丝利于排屑，低速运丝传动平稳。

（2）丝架导丝机构。它的作用是通过丝架把钼丝支撑成垂直于工作台的一条直线，以便对零件进行加工。有些机床丝架上有两个拖板（U、V），分别由两个步进电机带动，可用来加工锥体。任一拖板超出行程范围时，由行程开关断开步进电机电源，致使两拖板停止运动。

（3）数控坐标工作台。用于安装并带动工件在工作台平面内做X、Y 两方向的移动，工作台分上下两层，分别与X、Y 向丝杠相连，由两个步进电机分别驱动，变频系统每发出一个脉冲信号，其输出轴就旋转一个步距角，再通过一对变速齿轮带动滚珠丝杠转动，从而使工作台在相应的方向上移动0.001 mm。

（4）冷却系统。冷却系统由工作液、工作液箱、工作液泵和循环导管组成。工作液起绝缘、排屑、冷却的作用。每次脉冲放电后，工件与钼丝之间必须迅速恢复绝缘状态，否则脉冲放电就会转变成稳定持续的电弧放电，影响加工质量。工作液可把加工过程中产生的金属颗粒迅速从电极之间冲走，使加工顺利进行。工作液还可以冷却受热的电极和工件，防止工件变形。

2）脉冲电源

脉冲电源是电火花线切割加工的工作能源，由振荡器及功放板组成，振荡器的振荡频率、脉宽和间隔比均可调。根据加工零件的厚度及材料选择不同的电流、脉宽和间隔比。加工时钼丝接电源的负极，工件接电源的正极。

3）数控装置

数控装置是数控机床的核心。它接受输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各个部分进行有序的动作。

3.影响线切割加工精度的主要因素

在线切割加工中，除机床的运动精度直接影响加工精度外，钼丝与工件之间的火花间隙的变化和工件的变形对加工精度亦有不可忽视的影响。(https://www.xing528.com)

（1）机床精度：出厂时机床精度的检验项目已保证，在加工精密工件之前，用户须对机床进行必要的精度检查和调整。

（2）钼丝与工件间的火花间隙大小与材料、切削速度、冷却液成分等密切相关。

①火花间隙的变化：材料不同、热处理方法不同、材料厚度不同，则火花间隙不同。即由于材料的化学、物理、机械性能不同及工件在加工时排屑和消电离能力不同而影响。

② 火花间隙的大小与切削速度（加工电流）的关系：在有效的加工范围内切割速度快，火花间隙小；切割速度慢，火花间隙大。但切割速度绝不能超过腐蚀速度，否则就产生短路，切割就停止。在切割加工过程中保持一定的加工电流，那么工件与钼丝间电压也就一定，则火花放电间隙一定，在加工过程中尽力做到变频均匀，则加工电流也基本稳定，切割速度也就能保持匀速，进而提高加工精度。

③火花间隙大小与冷却液关系：冷却液成分不同，其电阻率不同，排屑与消电离能力不同而影响火花间隙的大小。

因此，加工高精度工件时，一定要根据对火花间隙实测大小而进行编程或选定间隙补偿量。

（3）工件材料变形及减少变形采取的措施。

以线切割加工为主要工艺时，钢件的加工路线：下料—锻造—退火—机械粗加工—淬火与回火—磨加工—线切割加工—钳工修理。该工艺的特点之一是加工过程中会出现两次较大的变形：经过机械粗加工，整块坯件先经过热处理，材料在该过程中产生第一次较大变形，材料内部的残余应力显著增加，热处理后坯件进行切割加工时由于大面积去除金属和切断加工，会使材料内部残余应力的相对平衡状态受到破坏，材料又产生第二次较大的变形，致使工件加工精度受到很大程度的影响，特别是对精度要求高的工件更不可忽视。

根据模具切割后零件变形情况分析，就影响材料变形的诸因素的剖析以及生产实践应采取以下措施：

①选择变形量小、淬透性好、屈服极限高的材料，如以线切割为主要工艺的凸凹模具应尽量选用CrWMn、Cr12Mo、GCr15 等合金工具钢。

② 锻造时要严格按规范进行，掌握好始锻、终锻温度，特别是高合金工具钢还应注意碳化物的偏析程度，锻造后需要进行球化退火，以细化晶粒，尽可能降低最终热处理的残余应力。

③热处理淬、回火时应合理选择工艺参数，严格控制规范，操作要正确，淬火加强温度尽可能采用下限，冷却要均匀，回火要及时，回火温度尽可能用上限，时间要充分，尽量消除热处理后产生的残余应力。

④ 工艺上的一些措施：

a.正确安排冷、热工序顺序，以消除机械加工产生的应力，为最后热处理做准备，使之减小应力以达到减小变形的目的。对于精度要求较高的零件，切割后应及时进行低温回火，以稳定尺寸。

b.以坯料切割凸模时，不能从外部割进去，要在离凸模轮廓较近处做一穿丝孔，同时要注意到切割的部位不能距离坯料周围的距离太近，要保证坯件有足够的强度，否则会由于应力超过极限而导致变形。

c.热处理后磨削的零件进行线切割加工，最好采用二次切割法，第一次切割时单边留0.12～0.2 mm 余量，（使用φ 0.18 mm 钼丝时）采用粗加工快速进行加工。第一次切割完后毛坯内部原来应力平衡状态受到破坏，然后又达到新的平衡，然后进行第二次精加工，则能加工出精密度较高的工件。

d.切割凹模时，热处理前先粗加工型腔，使其单边留有0.6～1 mm 余量，这样使其在热处理时充分变形，而在切割时，则由于被切割的余量很小，不会破坏应力平衡状态。所以切割后零件几乎不变形，这样对于用淬透性较差的材料所制造的凹模，其型腔部分的淬硬深度也有所增加，因而延长了模具使用寿命。

e.切割起点最好在零件重心最平衡之处，这样闭口处变形才能最小。

f.切割较大工件时，应边切割边加夹板或垫块垫住，以便减小因已加工部分垂下而引起的变形。

g.对于尺寸很小的工件和悬臂较长的半成品工件，影响加工精度的因素较多，加工时只能采用试切法，边切边测量，边修改程序，一直达到图纸要求为止。