《特種加工技術》課件-第五章

第五章電火花線切割加工工藝規(guī)律5.1主要工藝指標5.2電參數(shù)對工藝指標的影響5.3非電參數(shù)對工藝指標的影響5.4合理選擇電火花線切割加工工藝

習題

5.1主要工藝指標

1．切割速度

線切割加工中的切割速度是指在保證一定的表面粗糙度的切割過程中，單位時間內電極絲中心線在工件上切過的面積的總和，單位為mm2/min。最高切割速度是指在不計切割方向和表面粗糙度等條件下，所能達到的最大切割速度。通?？熳呓z線切割加工的切割速度為40～80mm2/min，它與加工電流大小有關。為了在不同脈沖電源、不同加工電流下比較切割效果，將每安培電流的切割速度稱為切割效率，一般切割效率為20mm2/(min·A)。

2．加工精度

加工精度是指所加工工件的尺寸精度、形狀精度和位置精度的總稱。加工精度是一項綜合指標，它包括切割軌跡的控制精度、機械傳動精度、工件裝夾定位精度以及脈沖電源參數(shù)的波動、電極絲的直徑誤差、損耗與抖動、工作液臟污程度的變化、加工操作者的熟練程度等對加工精度的影響。

3．表面粗糙度

在我國和歐洲，表面粗糙度常用輪廓算術平均偏差Ra(μm)來表示，在日本常用Rmax來表示。

4．電極絲損耗量

對快走絲機床，電極絲損耗量用電極絲在切割10000mm2面積后電極絲直徑的減少量來表示，一般減小量不應大于0.01mm。對慢走絲機床，由于電極絲是一次性的，故電極絲損耗量可忽略不計。5.2電參數(shù)對工藝指標的影響

1．放電峰值電流對工藝指標的影響

放電峰值電流增大，單個脈沖能量增多，工件放電痕跡增大，故切割速度迅速提高，表面粗糙度數(shù)值增大，電極絲損耗增大，加工精度有所下降。因此第一次切割加工及加工較厚工件時取較大的放電峰值電流。

2．脈沖寬度ti對工藝指標的影響

在其他條件不變的情況下，增大脈沖寬度ti，線切割加工的速度提高，表面粗糙度變差。這是因為當脈沖寬度增加時，單個脈沖放電能量增大，放電痕跡會變大。同時，隨著脈沖寬度的增加，電極絲損耗也變大。因為脈沖寬度增加，正離子對電極絲的轟擊加強，結果使得接負極的電極絲損耗變大。

3．脈沖間隔to對工藝指標的影響

在其他條件不變的情況下，減小脈沖間隔to，脈沖頻率將提高，所以單位時間內放電次數(shù)增多，平均電流增大，從而提高了切割速度。

脈沖間隔to在電火花加工中的主要作用是消電離和恢復液體介質的絕緣。脈沖間隔to不能過小，否則會影響電蝕產物的排出和火花通道的消電離，導致加工穩(wěn)定性變差和加工速度降低，甚至斷絲。當然，也不是說脈沖間隔to越大，加工就越穩(wěn)定。脈沖間隔過大會使加工速度明顯降低，嚴重時不能連續(xù)進給，加工變得不穩(wěn)定。在電火花成型加工中，脈沖間隔的變化對加工表面粗糙度影響不大。在線切割加工中，在其余參數(shù)不變的情況下，脈沖間隔減小，線切割工件的表面粗糙度數(shù)值稍有增大。這是因為一般電火花線切割加工用的電極絲直徑都在f0.25mm以下，放電面積很小，脈沖間隔的減小導致平均加工電流增大，由于面積效應的作用，致使加工表面粗糙度值增大。脈沖間隔的合理選取，與電參數(shù)、走絲速度、電極絲直徑、工件材料及厚度有很大關系。因此，在選取脈沖間隔時必須根據(jù)具體情況而定。當走絲速度較快、電極絲直徑較大、工件較薄時，因排屑條件好，可以適當縮短脈沖間隔時間。反之，則可適當增大脈沖間隔。

(1)加工速度隨著加工峰值電流、脈沖寬度的增大和脈沖間隔的減小而提高，即加工速度隨著加工平均電流的增加而提高。實驗證明，增大峰值電流對切割速度的影響比用增大脈寬的辦法顯著。

(2)加工表面粗糙度數(shù)值隨著加工峰值電流、脈沖寬度的增大及脈沖間隔的減小而增大，不過脈沖間隔對表面粗糙度影響較小。實踐表明，在加工中改變電參數(shù)對工藝指標影響很大，必須根據(jù)具體的加工對象和要求，綜合考慮各因素及其相互影響關系，選取合適的電參數(shù)，既優(yōu)先滿足主要加工要求，又同時注意提高各項加工指標。例如，加工精密小零件時，精度和表面粗糙度是主要指標，加工速度是次要指標，這時選擇電參數(shù)主要滿足尺寸精度高、表面粗糙度好的要求。又如加工中、大型零件時，對尺寸的精度和表面粗糙度要求低一些，故可選較大的加工峰值電流、脈沖寬度，盡量獲得較高的加工速度。此外，不管加工對象和要求如何，還需選擇適當?shù)拿}沖間隔，以保證加工穩(wěn)定進行，提高脈沖利用率。因此選擇電參數(shù)值是相當重要的，只要能客觀地運用它們的最佳組合，就一定能夠獲得良好的加工效果。慢走絲線切割機床及部分快走絲線切割機床的生產廠家(如北京阿奇公司)在操作說明書中給出了較為科學的加工參數(shù)表。在操作這類機床中，一般只需要按照說明書正確地選用參數(shù)表即可。而對絕大部分快走絲機床而言，初學者可以根據(jù)操作說明書中的經(jīng)驗值大致選取，然后根據(jù)電參數(shù)對加工工藝指標的影響具體調整。

4．極性

線切割加工因脈寬較窄，所以都用正極性加工，否則切割速度變低且電極絲損耗增大。5.3非電參數(shù)對工藝指標的影響

5.3.1電極絲及其材料對工藝指標的影響

1．電極絲的選擇

目前電火花線切割加工使用的電極絲材料有鉬絲、鎢絲、鎢鉬合金絲、黃銅絲、銅鎢絲等。

采用鎢絲加工時，可獲得較高的加工速度，但放電后絲質易變脆，容易斷絲，故應用較少，只在慢走絲弱規(guī)準加工中尚有使用。鉬絲比鎢絲熔點低，抗拉強度低，但韌性好，在頻繁的急熱急冷變化過程中，絲質不易變脆、不易斷絲。鎢鉬絲(鎢、鉬各占50％的合金)加工效果比前兩種都好，它具有鎢、鉬兩者的特性，使用壽命和加工速度都比鉬絲高。銅鎢絲有較好的加工效果，但抗拉強度差些，價格比較昂貴，來源較少，故應用較少。采用黃銅絲做電極絲時，加工速度較高，加工穩(wěn)定性好，但抗拉強度差，損耗大。

2．電極絲的直徑

絲徑/mm最小拉斷力/N0.062～30.083～40.107～80.1312～130.1514～160.1818～200.2222～25電極絲的直徑是根據(jù)加工要求和工藝條件選取的。在加工要求允許的情況下，可選用直徑大些的電極絲。直徑大，抗拉強度大，承受電流大，可采用較強的電規(guī)準進行加工，能夠提高輸出的脈沖能量，提高加工速度。同時，電極絲粗，切縫寬，放電產物排除條件好，加工過程穩(wěn)定，能提高脈沖利用率和加工

速度。若電極絲過粗，則難加工出內尖角工件，降低了加工精度，同時切縫過寬使材料的蝕除量變大，加工速度也有所降低；若電極絲直徑過小，則抗拉強度低，易斷絲，而且切縫較窄，放電產物排除條件差，加工經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導致加工速度降低。細電極絲的優(yōu)點是可以得到較小半徑的內尖角，加工精度能相應提高。表5-1是常見的幾種直徑的鉬絲的最小拉斷力?？熳呓z一般采用f0.10～f0.25mm的鉬絲。

3.走絲速度對工藝指標的影響

對于快走絲線切割機床，在一定的范圍內，隨著走絲速度(簡稱絲速)的提高，有利于脈沖結束時放電通道迅速消電離。同時，高速運動的電極絲能把工作液帶入厚度較大工件的放電間隙中，有利于排屑和放電加工穩(wěn)定進行。故在一定加工條件下，隨著絲速的增大，加工速度提高。圖5-1為快走絲線切割機床走絲速度與切割速度關系的實驗曲線。圖5-1快速走絲方式絲速對加工速度的影響實驗證明：當走絲速度由1.4m/s上升到7～9m/s時，走絲速度對切割速度的影響非常明顯。若再繼續(xù)增大走絲速度，切割速度不僅不增大，反而開始下降，這是因為絲速再增大，排屑條件雖然仍在改善，蝕除作用基本不變，但是儲絲筒一次排絲的運轉時間減少，使其在一定時間內的正反向換向次數(shù)增多，非加工時間增多，從而使加工速度降低。對應最大加工速度的最佳走絲速度與工藝條件、加工對象有關，特別是與工件材料的厚度有很大關系。當其他工藝條件相同時，工件材料厚一些，對應于最大加工速度的走絲速度就高些，即圖5-1中的曲線將隨工件厚度增加而向右移。在國產的快走絲機床中，有相當一部分機床的走絲速度可調節(jié)，比如深圳福斯特數(shù)控機床有限公司生產的線切割機床的走絲速度有3m/s、6m/s、9m/s、12m/s，可根據(jù)不同的加工工件厚度選用最佳的加工速度(如表5-2所示)；還有另外一些機床只有一種走絲速度，如北京阿奇公司的FW系列快走絲機床的走絲速度為8.7m/s。對慢走絲線切割機床來說，同樣也是走絲速度越快，加工速度越快。因為慢走絲機床的電極絲的線速度范圍約為每秒零點幾毫米到幾百毫米。這種走絲方式是比較平穩(wěn)均勻的，電極絲抖動小，故加工出的零件表面粗糙度好、加工精度高；但絲速慢導致放電產物不能及時被帶出放電間隙，易造成短路及不穩(wěn)定放電現(xiàn)象。提高電極絲走絲速度，工作液容易被帶入放電間隙，放電產物也容易排出間隙之外，故改善了間隙狀態(tài)，進而可提高加工速度。但在一定的工藝條件下，當絲速達到某一值后，加工速度就趨向穩(wěn)定(如圖5-2所示)。圖5-2慢速走絲方式絲速對加工速度的影響

4．電極絲往復運動對工藝指標的影響

快走絲線切割加工時，加工工件表面往往會出現(xiàn)黑白交錯相間的條紋(如圖5-3所示)，電極絲進口處呈黑色，出口處呈白色。條紋的出現(xiàn)與電極絲的運動有關，這是排屑和冷卻條件不同造成的。電極絲從上向下運動時，工作液由電極絲從上部帶入工件內，放電產物由電極絲從下部帶出。這時，上部工作液充分，冷卻條件好，下部工作液少，冷卻條件差，但排屑條件比上部好。工作液在放電間隙里受高溫熱裂分解，形成高壓氣體，急劇向外擴散，對上部蝕除物的排除造成困難。這時，放電產生的炭黑等物質將凝聚附著在上部加工表面上，使之呈黑色；在下部，排屑條件好，工作液少，放電產物中炭黑較少，而且放電常常是在氣體中發(fā)生的，因此加工表面呈白色。同理，當電極絲從下向上運動時，下部呈黑色，上部呈白色。這樣，經(jīng)過電火花線切割加工的表面，就形成黑白交錯相間的條紋。這是往復走絲工藝的特性之一。圖5-3與電極絲運動方向有關的條紋電極絲往復運動還會造成斜度。電極絲上下運動時，電極絲進口處與出口處的切縫寬窄不同(如圖5-4所示)。寬口是電極絲的入口處，窄口是電極絲的出口處。故當電極絲往復運動時，在同一切割表面中電極絲進口與出口的高低不同。這對加工精度和表面粗糙度是有影響的。圖5-5是切縫剖面示意圖。由圖可知，電極絲的切縫不是直壁縫，而是兩端小、中間大的鼓形縫。這也是往復走絲工藝的特性之一。圖5-4電極絲運動引起的斜度圖5-5切縫剖面示意圖對慢走絲線切割加工，上述不利于加工表面粗糙度的因素可以克服。一般慢速走絲線切割加工無須換向，加之便于維持放電間隙中的工作液和蝕除產物的大致均勻，所以可以避免黑白相間的條紋。同時，由于慢走絲系統(tǒng)電極絲運動速度低、走絲運動穩(wěn)定，因此不易產生較大的機械振動，從而避免了加工面的波紋。

5．電極絲張力對工藝指標的影響

電極絲張力對工藝指標的影響如圖5-6所示。由圖可知，在起始階段電極絲的張力越大，則切割速度越快，這是由于張力大時，電極絲的振幅變小，切縫寬度變窄，進給速度加快。若電極絲的張力過小，一方面電極絲抖動厲害，會頻繁造成短路，以致加工不穩(wěn)定，加工精度不高。

另一方面，電極絲過松使電極絲在加工過程中受放電壓力作用而產生的彎曲變形嚴重，結果電極絲切割軌跡落后并偏移工件輪廓，即出現(xiàn)加工滯后現(xiàn)象，從而造成型狀和尺寸誤差，如切割較厚的圓柱時會出現(xiàn)腰鼓形狀，嚴重時電極絲在快速運轉過程中會跳出導輪槽，從而造成斷絲等故障；但如果過分將張力增大，切割速度不僅不繼續(xù)上升，反而容易斷絲。電極絲斷絲的機械原因主要是由于電極絲本身受抗拉強度的限制。圖5-6電極絲張力與進給速度圖在慢走絲加工中，設備操作說明書一般都有詳細的張緊力設置說明，初學者可以按照說明書去設置，有經(jīng)驗者可以自行設定。如對多次切割，可以在第一次切割時稍微減小張緊力，以避免斷絲。在快走絲加工中，部分機床有自動緊絲裝置，操作者完全可以按相關說明書進行操作；另一部分需要手動緊絲，這種操作需要實踐經(jīng)驗，一般在開始上絲時緊三次，在隨后的加工中根據(jù)具體情況具體分析。5.3.2工作液對工藝指標的影響

在相同的工作條件下，采用不同的工作液可以得到不同的加工速度、表面粗糙度。電火花線切割加工的切割速度與工作液的介電系數(shù)、流動性、洗滌性等有關?？熳呓z線切割機床的工作液有煤油、去離子水、乳化液、洗滌劑液、酒精溶液等。但由于煤油、酒精溶液加工時加工速度低、易燃燒，現(xiàn)已很少采用。目前，快走絲線切割工作液廣泛采用的是乳化液，其加工速度快。慢走絲線切割機床采用的工作液是去離子水和煤油。工作液的注入方式和注入方向對線切割加工精度有較大影響。工作液的注入方式有浸泡式、噴入式和浸泡噴入復合式。在浸泡式注入方法中，線切割加工區(qū)域流動性差，加工不穩(wěn)定，放電間隙大小不均勻，很難獲得理想的加工精度；噴入式注入方式是目前國產快走絲線切割機床應用最廣的一種，因為工作液以噴入這種方式強迫注入工作區(qū)域，其間隙的工作液流動更快，加工較穩(wěn)定。但是，由于工作液噴入時難免帶進一些空氣，故不時發(fā)生氣體介質放電，其蝕除特性與液體介質放電不同，從而影響了加工精度。浸泡式和噴入式比較，噴入式的優(yōu)點明顯，所以大多數(shù)快走絲線切割機床采用這種方式。在精密電火花線切割加工中，慢走絲線切割加工普遍采用浸泡噴入復合式的工作液注入方式，它既體現(xiàn)了噴入式的優(yōu)點，同時又避免了噴入時帶入空氣的隱患。工作液的噴入方向分單向和雙向兩種。無論采用哪種噴入方向，在電火花線切割加工中，因切縫狹小、放電區(qū)域介質液體的介電系數(shù)不均勻，所以放電間隙也不均勻，并且導致加工面不平、加工精度不高。

若采用單向噴入工作液，入口部分工作液純凈，出口處工作液雜質較多，這樣會造成加工斜度(如圖5.7(a)所示)；若采用雙向噴入工作液，則上下入口較為純凈，中間部位雜質較多，介電系數(shù)低，這樣造成鼓形切割面(如圖5-7(b)所示)。工件越厚，這種現(xiàn)象越明顯。圖5-7工作液噴入方式對線切割加工精度的影響5.3.3工件材料及厚度對工藝指標的影響

1．工件材料對工藝指標的影響

在慢速走絲方式、煤油介質情況下，加工銅件過程穩(wěn)定，加工速度較快。加工硬質合金等高熔點、高硬度、高脆性材料時，加工穩(wěn)定性及加工速度都比加工銅件低。加工鋼件，特別是不銹鋼、磁鋼和未淬火或淬火硬度低的鋼等材料時，加工穩(wěn)定性差，加工速度低，表面粗糙度也差。在快速走絲方式、乳化液介質的情況下，加工銅件、鋁件時，加工過程穩(wěn)定，加工速度快。加工不銹鋼、磁鋼、末淬火或淬火硬度低的高碳鋼時，加工穩(wěn)定性差些，加工速度也低，表面粗糙度也差。加工硬質合金鋼時，加工比較穩(wěn)定，加工速度低，但表面粗糙度好。材料不同，加工效果不同，這是因為工件材料不同，脈沖放電能量在兩極上的分配、傳導和轉換都不同。從熱學觀點來看，材料的電火花加工性與其熔點、沸點有很大關系。表5-3為常用工件材料的有關元素或物質的熔點和沸點。由表可知，常用的電極絲材料鉬的熔點為2625℃，沸點為4800℃，比鐵、硅、錳、鉻、銅、鋁的熔點和沸點都高，而比碳化鎢、碳化鈦等硬質合金基體材料的熔點和沸點要低。

2．工件厚度對工藝指標的影響

工件厚度對工作液進入和流出加工區(qū)域以及電蝕產物的排除、通道的消電離等都有較大的影響。同時，電火花通道壓力對電極絲抖動的抑制作用也與工件厚度有關。這樣，工件厚度對電火花加工穩(wěn)定性和加工速度必然產生相應的影響。工件材料薄，工作液容易進入和充滿放電間隙，對排屑和消電離有利，加工穩(wěn)定性好。但是工件若太薄，對固定絲架來說，電極絲從工件兩端面到導輪的距離大，易發(fā)生抖動，對加工精度和表面粗糙度帶來不良影響，且脈沖利用率低，切割速度下降；若工件材料太厚，工作液難進入和充滿放電間隙，這樣對排屑和消電離不利，加工穩(wěn)定性差。工件材料的厚度大小對加工速度有較大影響。在一定的工藝條件下，加工速度將隨工件厚度的變化而變化，一般都有一個對應最大加工速度的工件厚度。圖5-8為慢速走絲時工件厚度對加工速度的影響。圖5-9為快速走絲時工件厚度對加工速度的影響。圖5-8慢速走絲時工件厚度對加工速度的影響圖5-9快速走絲時工件厚度對加工速度的影響5.3.4進給速度對工藝指標的影響

1．進給速度對加工速度的影響

在線切割加工時，工件不斷被蝕除，即有一個蝕除速度；另一方面，為了電火花放電正常進行，電極絲必須向前進給，即有一個進給速度。在正常加工中，蝕除速度大致等于進給速度，從而使放電間隙維持在一個正常的范圍內，使線切割加工能連續(xù)進行下去。蝕除速度與機器的性能、工件的材料、電參數(shù)、非電參數(shù)等有關，但一旦對某一工件進行加工時，它就可以看成是一個常量；在國產的快走絲機床中，有很多機床的進給速度需要人工調節(jié)，它又是一個隨時可變的可調節(jié)參數(shù)。

正常的電火花線切割加工就要保證進給速度與蝕除速度大致相等，使進給均勻平穩(wěn)。若進給速度過高(過跟蹤)，即電極絲的進給速度明顯超過蝕除速度，則放電間隙會越來越小，以致產生短路。當出現(xiàn)短路時，電極絲馬上會產生短路而快速回退。當回退到一定的距離時，電極絲又以大于蝕除速度的速度向前進給，又開始產生短路、回退。這樣頻繁的短路現(xiàn)象，一方面造成加工的不穩(wěn)定，另一方面造成斷絲；若進給速度太慢(欠跟蹤)，即電極絲的進給速度明顯落后于工件的蝕除速度，則電極絲與工件之間的距離越來越大，造成開路。這樣出現(xiàn)工件蝕除過程暫時停頓，整個加工速度自然會大大降低。下面以深圳福斯特數(shù)控機床有限公司的某型號線切割機床來說明如何調節(jié)到最佳進給速度。

首先，最佳進給速度應是短路電流的80%左右，這一規(guī)律可用于判斷進給速度調整是否合適。其次，可通過加工電流表指針的搖動情況來進行判斷，正常加工時電流表指針基本不動。若經(jīng)常向下擺動，則說明是欠跟蹤，這時應將跟蹤調快；若經(jīng)常向上擺動，則說明是過跟蹤，這時應將跟蹤調慢；若指針來回較大幅度搖擺，則說明加工不穩(wěn)定，這時應判明原因，做好參數(shù)調節(jié)(如調整脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、工作液流量等)再加工，否則易斷絲。第三，可以通過示波器觀察加工中的脈沖波形來判別(如圖5-10所示)。在正常條件下，應該是加工波最濃，空載波和短路波基本一致，波形穩(wěn)定。如出現(xiàn)波形在空載波和短路波之間來回跳動，則說明加工不穩(wěn)定，這時需要調節(jié)常用的電參數(shù)和非電參數(shù)。圖5-10采用示波器觀察第四，深圳福斯特數(shù)控機床有限公司生產的立柜式控制系統(tǒng)，用加工界面左下角的波形取樣窗觀察波形(如圖5-11所示)，以此作為進給速度調節(jié)的依據(jù)。圖5-11采用立柜控制界面取樣波形

2．進給速度對工件表面質量的影響

分下列幾種情況討論：

(1)進給速度過高。這時工件蝕除的線速度低于進給速度，會頻繁出現(xiàn)短路，造成加工不穩(wěn)定，平均加工速度降低，加工表面發(fā)焦，呈褐色，工件的上下端面均有過燒現(xiàn)象。

(2)進給速度過低。這時工件蝕除的線速度大于進給速度，經(jīng)常出現(xiàn)開路現(xiàn)象，導致加工不能連續(xù)進行，加工表面亦發(fā)焦，呈淡褐色，工件的上下端面也有過燒現(xiàn)象。

(3)進給速度稍低。這時工件蝕除的線速度略高于進給速度，加工表面較粗、較白，兩端面有黑白相間的條紋。

(4)進給速度適宜。這時工件蝕除的線速度與進給速度相匹配，加工表面細而亮，絲紋均勻。因此，在這種情況下，能得到表面粗糙度好、精度高的加工效果。5.3.5火花通道壓力對工藝指標的影響

在液體介質中進行脈沖放電時，產生的放電壓力具有急劇爆發(fā)的性質，對放電點附近的液體、氣體和蝕除物產生強大的沖擊作用，使之向四周噴射，同時伴隨發(fā)生光、聲等效應。這種火花通道的壓力對電極絲產生較大的后向推力，使電極絲發(fā)生彎曲。圖5-12是放電壓力使電極絲彎曲的示意圖。因此，實際加工軌跡往往落后于工作臺運動軌跡。圖5-12放電壓力使電極絲彎曲示意圖例如，切割直角軌跡工件時，切割軌跡應在圖中a點處轉彎，但由于電極絲受到放電壓力的作用，實際加工軌跡如圖中實線所示，如圖5-13所示。

為了減緩因電極絲受火花通