数控线切割机床的产生、加工原理、加工特点、优缺点和应用范围介绍

◇任务简介◇

本任务主要对数控线切割机床的产生、加工原理、加工特点、优缺点和应用范围展开阐述，使学生对数控线切割机床作进一步了解，为下一步学习打好基础。

◇学习目标◇

1．通过学习初步认识数控线切割机床。

2．了解数控线切割技术的发展历史。

3．掌握数控线切割机床的加工原理和加工特点。

4．能将任务一学到的知识熟练运用到加工生产中。

◇知识要点◇

一、数控线切割机的产生

数控线切割加工是比较常用的特种加工方法之一，在特种加工中它属于电火花加工。电火花加工又称放电加工（electrical discharge machining，EDM），它是在加工过程中，使用工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，利用放电时在局部瞬时产生的高温把金属蚀除下来。因在放电过程中可以见到火花，故称之为电火花加工。

1870年，英国科学家普里斯特利最早发现放电现象对金属的腐蚀作用。例如在插拔插头或开断电器开关触点时，常常发生放电把接触表面烧焦，腐蚀成粗糙不平的凹坑现象。在很长一段时间里放电腐蚀一直被认为是一种有害的现象，直到1943年，苏联科学院院士拉扎连柯夫妇在研究开关触电点遭受放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现放电的瞬时高温可使局部金属因熔化、气化而被蚀除，拉扎连柯夫妇首次利用电容器充放电回路发明了世界第一台实用的电火花加工装置，开创了人类利用电腐蚀的先河。1957年科学家开始研究数控线切割加工技术，把慢慢移动的铜丝作为线电极，在XY平面内切割出复杂的轮廓，这就是现在使用的数控慢走丝数控线切割技术的前身。1960年前后，研制出靠模仿形线切割加工机床，用一块薄的金属片做成与切割截面相同的形状作为样板靠模，当工作台在X（Y）方向移动时，保持电极丝与靠模样板“若接若离”状态，按照样板的轮廓进行仿形加工。后来又研制出光电仿形线切割机床。20世纪50年代，电火花加工技术开始被人们认识，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，例如，打些丝锥钻头之类，但这是电加工在模具行业被广泛应用的开始。这时人们已经认识到如果“钢丝锯”加上“电火花”“锯”有硬度的淬火钢应该是可能的。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。当时两个储丝轴像电影片盘一样的更换，当时以各种摩擦方式制造丝的张力，以防锈防臭的磨床冷却液作为加工液，实现了“线电极火花切割”。20世纪60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”。其大多使用铜丝、丝速2～5 m/min、RC电源，以及电子管脉冲源，控制方式也多采手摇和靠模。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的。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技术的进步。

二、我国线切割机的发展

我国自1951年开始电火花加工的试验研究工作，1959年至1960年间，先后派了许多技术人员到苏联进修电加工技术，之后成立了多家电加工研究所、研究室。1960年以后，我国的电加工技术从引进、仿制迅速走上独立自主、自行研究开发的道路。20世纪60年代初，中国科学院电工研究所成功研制出我国第一台靠模仿形数控线切割机床；1963年上海电表厂工程师张维良创新研制出第一台高速走丝简易数控线切割样机，获得国家发明创造奖。但是由于我国原有的工业基础薄弱，特种加工设备和整体技术水平与国际先进水平还有不小差距，例如日本成形电火花机床的性能可加工工件表面可达镜面的粗糙度。目前高档电加工机床我国仍需要从国外进口。

三、数控线切割加工原理

数控线切割加工的基本原理是利用工具电极（铜丝或钼丝）对工件进行脉冲放电而实现加工的，可切割成型二维、三维表面。数控线切割加工不需要制作成型电极，采用细金属丝（通常叫做电极丝）作为工具电极。脉冲电源的正极接工件，负极接电极丝；电极丝以一定的速度往返运动，它不断地进入和离开放电区域；同时在电极丝与工件之间喷入液体介质。工件运动的轨迹是通过坐标工作台（纵横向两台受控制的步进电机）作X、Y向运动而形成的。由于现在的数控线切割机床的工件与电极丝的相对切割运动都采用了数控技术来控制，所以称为数控线切割加工，简称为线切割加工。

图2-1-1为往复高速走丝数控线切割工艺及机床示意图。利用细钼丝5作为工具电极进行切割，储丝筒3使钼丝做正、反向交替移动，加工能源由脉冲电源7供给。在电极丝和工件之间浇注工作液介质，工作台在水平面两个坐标方向各自按预定的控制程序，根据火花间隙状态做伺服进给移动，从而合成各种曲线轨迹，把工件切割成形。

图2-1-1 往复走丝数控线切割工艺及机床示意图

1—数控装置；2—信号；3—储丝筒；4—导轮；5—钼丝；6—工件；7—脉冲电源；8—垫铁；9—上工作台；10—下工作台；11—步进电机；12—丝杆；

在液体介质中进行单个脉冲放电时，材料电蚀过程大致可分为介质击穿和通道形成、能量转换和传递、电蚀产物的抛出三个连续的阶段。但实际电火花加工过程中，必须连续多次进行脉冲放电。为使每次脉冲放电正常进行，一般情况下，相邻两次脉冲放电之间还要有间隙介质消电离的过程。通道中心温度高达10000℃以上。

四、数控线切割加工特点

（1）它以直径为0.03～0.35 mm的金属线为工具电极，与电火花成形加工相比，它不需制造特定形状的电极，省去了成形电极的设计和制造，缩短了生产准备时间和加工周期短。

（2）数控线切割加工是用直径较小的电极丝作为工具电极，与电火花成形加工相比，数控线切割加工的脉冲宽度、平均电流等都比较小，加工工艺参数的范围也较小，属于中、精电火花加工，一般情况下工件常接电源的正极，称为正极性加工。

（3）数控线切割加工的主要对象是平面形状，除了在加工零件的内侧形状拐角处有最小圆弧半径的限制（最小圆弧半径为金属线的半径加放电间隙），其他任何复杂的形状都可以加工。(www.xing528.com)

（4）数控线切割加工是用电极丝作为（工具电极）与工件之间产生火花放电对工件进行切割加工，由于电极丝的直径比较小，在加工过程中总的材料蚀除量比较小。所以使用数控线切割加工比较节省材料，特别在加工贵重材料时，能有效地节约材料，提高材料的利用率。

（5）在加工过程中，可以不考虑电极丝的损耗。在快走丝线切割加工中采用低损耗的脉冲电源，目前普遍使用钼丝作为电极丝材料，通过对直径为0.18 mm电极丝的使用检测发现，在电极丝的使用寿命期间，电极丝的直径损耗约0.02 mm，对于单一零件来说，电极丝的损耗就更小；在慢走丝线切割加工中采用单向连续的供丝方式，在加工区总是保持新电极丝加工，因而加工精度更高。

（6）数控线切割在加工过程中的工作液一般为水基液或去离子水，因此不必担心发生火灾，可以实现安全无人加工。但由于工作液的电阻率远比煤油小，因而在开路状态下，仍有明显的电解电流。

（7）一般没有稳定电弧放电状态。因为电极丝与工件始终有相对运动，尤其是快走丝数控线切割加工，因此，线切割加工的间隙状态可以认为是由正常火花放电、开路和短路这三种状态组成的，但常常在单个脉冲内存在多种放电状态，有“微开路”“微短路”现象。

（8）电极丝与工件之间存在“疏松接触”式轻压放电现象。近年来的研究结果表明，当电极丝与工件接近到通常认为的放电间隙（大约0.01 mm）时，有的情况下并不发生火花放电，甚至当电极丝已接触到工件（从显微镜中看不到间隙时）时，仍然看不到火花，只有当工件将电极丝顶弯，偏移一定距离（几微米到几十微米）时，也就是当电极丝和工件之间保持一定的轻微接触压力时，才发生正常的火花放电。有人认为，在电极丝和工件之间存在着某种电化学产生的绝缘薄膜介质，当电极丝被顶弯所造成的压力和电极丝相对工件的移动摩擦使这种介质减薄到可被击穿的程度，才会发生火花放电。

（9）现在的数控线切割机床一般都是依靠微型计算机来控制电极丝的轨迹和间隙补偿功能，所以在加工凸模与凹模时，它们的配合间隙可任意调节。

（10）数控线切割加工是依靠电极丝与工件之间产生火花放电对工件进行加工，所以无论被加工工件的硬度如何，只要是导体或半导体的材料都能实现加工。

（11）现在有的数控线切割机床具有四轴联动功能，可以加工上、下面异形体，变锥度和球形体等零件。

五、数控线切割加工的优势

数控线切割加工除具有电火花加工的基本特点外，还有一些其他特点：不需要制造形状复杂的工具电极，就能加工出以直线为母线的任何二维曲面。能切割0.005毫米左右的窄缝。加工中并不把全部多余材料加工成为废屑，提高了能量和材料的利用率。在电极丝不循环使用的低速走丝数控线切割加工中，由于电极丝不断更新，有利于提高加工精度和减少表面粗糙度。数控线切割能达到的切割效率一般为 20～60 mm/min，最高可达300 mm/min；加工精度一般为±0.01～±0.02 mm，最高可达±0.004 mm；表面粗糙度一般为Rα2.5～1.25 μm，最高可达Rα0.63 μm；切割厚度一般为40～60 mm，最厚可达600 mm。

六、数控线切割加工的局限性

1．加工精度有限

数控线切割加工机床受到电极丝损耗、机械部分的结构与精度、进给系统的开环控制、加工中工作液导电率的变化、加工环境的温度变化及本身加工特点（如运丝速度快、振源比较多、导轮磨损大、电极丝磨损）等因素影响，机床的加工精度被局限。

2．切割过程易断丝

数控高速走丝数控线切割加工机床的电极丝张力是固定不可调的，在加工的过程中，电极丝的抖动较大，会使得电极丝在加工过程中容易出现断丝现象，从而使得加工不连续，并需要工人监管，随时解决断丝现象，从而降低了人员的利用率。

七、数控线切割加工的应用范围

1．模具加工

由硬质合金淬火钢材料加工的模具零件、样板、各种形状复杂的细小零件和窄槽等，特别是冲模、挤压模，塑压模和电火花加工型腔模所用电极的加工。例如，形状复杂、常有尖角窄缝的小型凹模的型孔，可采用整体结构在淬火后加工，既能保证模具的精度，也可以简化设计与制造过程。又如中小型冲模，过去采用分开模和曲线磨削的加工方法，现在改用数控线切割整体加工，使配合精度提高，制造周期缩短，成本降低。

2．新产品试制

在新产品试制时，一些关键件往往需要模具制造，但加工模具周期长且成本高，采用线切割加工可以直接切制零件，从而降低成本，缩短新产品的试制周期。

3．难加工零件

在精密型孔、样板及其成型刀具和精密狭槽等加工中，利用机械切削加工的方法就很困难，而采用线切割加工则比较方便。此外，不少电火花成型加工所用的T具电报（大多采用紫铜制作，机械加工性能差）也采用数控线切割加工。

4．贵重金属下料

由于线切割加工用的电极丝尺寸远小于切削刀具尺寸，用它切割贵重金属可减少很多切缝消耗，因此降低了成本。