电火花线切割加工设备及其应用技术

电火花线切割加工设备主要由机床本体、脉冲电源、控制系统、工作液循环系统和机床附件等几部分组成。图2-17和图2-18分别为快走丝和慢走丝线切割加工设备组成图。

图2-17　快走丝切割加工设备组成

1—卷丝筒；2—走丝溜板；3—丝架；4—纵向滑板；5—横向滑板；6—床身；7—控制柜

图2-18　慢走丝切割加工设备组成

1—脉冲电源；2—工件；3—工作液箱；4—去离子水；5—泵；6—放丝卷筒；7—工作台；8—X轴电动机；9—数控装置；10—Y轴电动机；11—收丝卷筒

1.机床本体

机床本体由床身、坐标工作台、走丝机构、丝架、工作液箱、附件和夹具等几部分组成。

（1）床身部分

床身一般为铸件，是坐标工作台、绕丝机构及丝架的支承和固定基础。通常采用箱式结构，应有足够的强度和刚度。床身内部安置电源和工作液箱，考虑电源的发热和工作液泵的振动，有些机床将电源和工作液箱移出床身外另行安放。

（2）坐标工作台部分

电火花线切割机床最终都是通过坐标工作台与电极丝的相对运动来完成对零件加工的。为保证机床精度，对导轨的精度、刚度和耐磨性有较高的要求。一般都采用“十”字拖板、滚动导轨和丝杆传动副将电动机的旋转运动变为工作台的线性运动，通过两个坐标方向各自的进给移动，可合成获得各种平面图形曲线轨迹。为保证工作台的定位精度和灵敏度，传动丝杆和螺母之间必须消除间隙。

（3）走丝机构

图2-19　慢走丝运丝机构示意图

1—卷丝轮；2—未使用的金属丝筒；3—拉丝模；4—张力电动机；5—电极丝张力调节轴；6—退火装置；7—导向装置；8—工件

走丝系统使电极丝以一定的速度运动并保持一定的张力。在快走丝机床上，一定长度的电极丝平整地卷绕在储丝筒上，丝张力与排绕时的拉紧力有关（为提高加工精度，近年来已研制恒张力装置），储丝筒通过联轴器与驱动电机相连。为了重复使用该段电极丝，电机由专门的换向装置控制作正反向交替运转。走丝速度等于储丝筒周边的线速度，通常为8～10 m/s。在运动过程中，电极丝由丝架支撑，并依靠导轮保持电极丝与工作台垂直或倾斜一定的几何角度（锥度切割时）。

慢走丝系统如图2-18和图2-19所示。自未使用的金属丝筒2（绕有1～3 kg金属丝）开始，靠卷丝轮1使金属丝以较低的速度（通常0.2 m/s以下）移动。为了提供一定的张力（2～25 N），在走丝路径中装有一个机械式或电磁式张力机构4和5。为实现断丝时可能自动停车并报警，走丝系统中通常还装有断丝检测微动开关。用过的电极丝集中到卷丝筒上或送到专门的收集器中。

为了减轻电极丝的振动，应使其跨度尽可能小（按工件厚度调整），通常在工件的上下采用蓝宝石V形导向器或圆孔金刚石模导向器，其附近装有引电部分，工作液一般通过引电区和导向器再进入加工区，可使全部电极丝的通电部分都能冷却。有的机床上还装有自动穿丝机构，能使电极丝经一个导向器穿过工件上的穿丝孔而被传送到另一个导向器，在必要时也能自动切断，为无人连续切割创造了条件。

（4）锥度切割装置

为了切割有落料角的冲模和某些有锥度（斜度）的内外表面，有些线切割机床具有锥度切割功能。如图2-20所示为利用线切割加工的带锥度零件。实现锥度切割的方法有多种，下面介绍两种。

图2-20　线切割加工带锥度的零件

1）偏移式丝架。主要用在快走丝线切割机床上实现锥度切割。其工作原理如图2-21所示。图2-21（a）为上（或下）丝臂平动法，上（或下）丝臂沿X、Y方向平移，此法锥度不宜过大，否则导轮易损，工件上有一定的加工圆角。图2-21（b）为上、下丝臂同时绕一定中心移动的方法，如果模具刃口放在中心“0”上，则加工圆角近似为电极丝半径。此法加工锥度也不宜过大。图2-21（c）为上、下丝臂分别沿导轮径向平动和轴向摆动的方法，此法加工锥度不影响导轮磨损，最大切割锥度通常可达5°以上。

图2-21　偏移式丝架实现锥度加工的方法

图2-22　四轴联动锥度切割装置(www.xing528.com)

1—X轴驱动电动机；2—Y轴驱动电动机；3—控制装置；4—数控纸带（程序）；5—V轴驱动电动机；6—U轴驱动电动机；7—上导向器；8—工件；9—下导向器

2）双坐标联动装置。在慢走丝线切割机床上广泛采用。上导向器能作纵横两轴（称U、V轴）驱动，与工作台的X、Y轴在一起构成NC四轴同时控制，如图2-22所示，这种方式的自由度很大，依靠强有力的软件，可以实现上下异形截面形状的加工。最大的倾斜角度一般为±5°，有的甚至可达30°～50°（与工件厚度有关）。

在锥度加工时，保持导向间距（上下导向器与电极丝接触点之间的直线距离）一定，是获得高精度的主要因素，为此有的机床具有Z轴设置功能，并且一般采用圆孔方式的无方向性导向器。

2.脉冲电源

电火花线切割加工脉冲电源受加工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（1～5 A）一般较小，所以线切割加工总是采用正极性加工。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、并联电容型脉冲电源和低损耗电源等。

（1）晶体管矩形波脉冲电源

如图2-23所示。广泛用于快走丝线切割机床，在慢走丝机床上用得不多，因为慢走丝加工时排屑条件差，要求采用窄脉宽和高峰值电流，这样势必要用到高速大电流的开关元件，电源装置也要大型化。但近年来随着半导体元件的进展，这种方式的电源也可用于慢走丝机床上。

图2-23　晶体管矩形波脉冲电源

（2）高频分组脉冲电源

高频分组脉冲波形如图2-24所示，它是矩形波派生的一种波形，即把较高频率的脉冲分组输出。

图2-24　高频分组脉冲波形

矩形波脉冲电源对提高切割速度和改善表面粗糙度这两项工艺指标是互相矛盾的，亦即欲提高切割速度，则表面粗糙度差，若要求表面粗糙度好，则切割速度下降很多。而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，因而得到了越来越广泛的应用。

图2-25为高频分组脉冲电源的电路原理方框图。图中的高频脉冲发生器、分组脉冲发生器和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。

图2-25　高频分组脉冲电源的电路原理方框图

3.工作液循环系统

在线切割加工中，工作液对加工工艺指标的影响很大，如对切割速度、表面粗糙度、加工精度等都有影响。慢走丝线切割机床大多采用去离子水做工作液，只有在特殊精加工时才采用绝缘性能较高的煤油。快走丝线切割机床使用的工作液是专用乳化液，目前供应的乳化液有很多种、各有其特点。有的适于精加工，有的适于大厚度切割，也有的是在原来工作液中添加某些化学成分提高其切割速度或增加防锈能力等。不管哪种工作液都应具有下列性能。

（1）具有一定的绝缘性能

火花放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行。工作液的绝缘性能可使击穿后的放电通道压缩，局限在较小的通道半径内火花放电，形成瞬时、局部高温熔化、汽化金属。放电结束后又迅速恢复放电间隙成为绝缘状态。绝缘性能太低，将产生电解而形不成击穿火花放电，绝缘性能太高，则放电间隙小，排屑难，切割速度低。一般电阻率在103～104Ω·cm为宜。

（2）具有较好的洗涤性能

所谓洗涤性能，是指液体有较小的表面张力，对工件有较大的亲和附着力，能渗透进入窄缝中去，此外还有一定的去除油污的能力。洗涤性能好的工作液，切割时排屑效果好，切割速度高，切割后表面光亮清洁，割缝中没有油污。洗涤性能不好的则相反，有时切割下来的料芯被油污糊状物黏住，不易取下来，切割表面也不易清洗干净。

（3）具有较好的冷却性能

在放电过程中，尤其是大电流加工时，放电点局部瞬时温度极高。为防止电极丝烧断和工件表面局部退火，必须充分冷却。为此，工作液应有较好的吸热、传热和散热性能。

（4）对环境无污染，对人体无危害

在加工中不应产生有害气体，不应对操作人员的皮肤、呼吸道产生刺激，不应锈蚀工件、夹具和机床。

此外，工作液还应具有配制方便、使用寿命长、乳化充分、冲制后不能油水分离、储存时间较长及不应有沉淀或变质现象等特点。

由于线切割切缝很窄，顺利排除电蚀产物是极为重要的问题，因此工作液的循环与过滤装置是线切割加工不可缺少的部分。其作用是充分地、连续地向加工区供给清洁的工作液，及时从加工区域中排除电蚀产物，对电极丝和工件进行冷却，以保持脉冲放电过程能稳定而顺利地进行。工作液循环装置一般由工作液泵、液箱、过滤器、管道和流量控制阀等组成。对快走丝机床，通常采用浇注式供液方式，而对慢走丝机床，近年来有些采用浸泡式供液方式。