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高速线切割中的电极丝损耗及加工精度优化

时间:2023-06-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:在高速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0.18mm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为0.02mm,对于单一零件来说电极丝的损耗更小;在低速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。由于电火花线切割加工机床的加工速度和精度不断提高,目前已达到可与坐标磨床相竞争的程度。

高速线切割中的电极丝损耗及加工精度优化

电火花线切割加工(Wire Cut EDM,简称WEDM)是比较常用的特种加工方法之一,在特种加工中它又属于电火花加工一类,是直接利用电能和热能进行加工的工艺方法。加工时,电极丝与工件在X、Y及U、V两个水平方向同时有相对伺服进给运动及垂直方向的直线相对运动。因为这种方法是用一根移动着的金属线(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,故称为线切割加工。由于现在的电火花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,所以称为数控电火花线切割加工或简称为数控线切割加工。

线切割放电加工基本原理是,以铜线作为工具电极,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5~50µm的间隙,间隙中充满煤油、纯水等绝缘介质,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控制的监测和管控及伺服机构的执行,使这种放电现象均匀一致,从而使加工物达到产品要求的尺寸大小及形状精度。

1.电火花线切割加工的特点

电火花线切割加工有以下一些特点:

1)以直径为0.02~0.38mm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,加工周期短。

2)电火花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,电火花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)电火花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。

4)电火花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,所以使用电火花线切割加工比较节省材料,特别是在加工贵重材料时,能有效地节约贵重材料,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。在高速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0.18mm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为0.02mm,对于单一零件来说电极丝的损耗更小;在低速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)电火花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,尤其是高速走丝电火花线切割加工,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,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着“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0.01mm)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,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。

9)现在的电火花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的,所以在加工凸模与凹模时,它们的配合间隙可任意调节。

10)电火花线切割加工是依靠电极丝与工件之间产生火花放电来对工件进行加工的,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。而且随着电加工技术的进步,一些非导电材料经过特殊处理也能进行线切割加工或电火花加工。(www.xing528.com)

11)现在大多数电火花线切割机床具有四轴联动功能,可以加工上下面异形体、形状扭曲曲面体、变锥度和球形体等零件。而且有些机床增加了一个数控回转工作台附件,将工件装在采用电动机驱动的回转工作台上,采取数控移动和数控转动相结合的方式编程,可加工出螺旋表面、双曲线表面和正弦曲面等复杂空间曲面。

2.电火花线切割加工的应用范围

电火花线切割加工的应用范围如下:

1)试制新产品或开发工具、夹具。在新产品试制或工具、夹具开发过程中需要单件的样品,利用线切割直接加工出零件,无需设计和制造模具,这样可大大缩短新产品或工具、夹具开发周期,并降低试制开发成本

2)加工特殊材料。切割某些高硬度、高熔点及贵重金属时,有时是不可能使用机加工方法的,而利用线切割加工既经济又能保证精度。

3)加工模具零件。电火花线切割加工主要应用于冲模、挤压模、塑料模及电火花成形加工用的电极等。由于电火花线切割加工机床的加工速度和精度不断提高,目前已达到可与坐标磨床相竞争的程度。比如某些中小型冲模,材料为模具钢,过去用分开模和曲线磨削的方法加工,现在改用电火花线切割整体加工,制造周期和成本都可减少大约一半,模具配合精度高,而且不需要熟练的操作工人。因此,在一些工业发达国家,精密模具的磨削等工序已被电火花和线切割加工所代替。

3.电火花线切割加工对加工工艺的影响

电火花线切割加工工艺与普通的机械加工工艺存在很大的差别。近年来随着科技的进步和生产的发展,出现了许多由坚硬而又难加工材料制成的,具有高尺寸精度和低表面粗糙度的复杂零件的加工需求,使得电火花线切割加工得到了广泛的应用,从而引起了机械制造工艺技术领域内的许多变革,具体表现在如下几个方面:

1)提高了材料的可加工性。金刚石、硬质合金、淬火钢等硬度很高的材料通常都是很难加工的。由于电火花线切割加工的应用,对这些硬度很高的材料,以及现在常用的各种冲压模、塑料模、粉末冶金模等各种模具和零件,都可以用电火花线切割方法来加工。材料的可加工性不再与硬度、强度、韧性、脆性等成直接的比例关系;相反,在电火花线切割加工中,淬火钢比未淬火钢更容易加工。

2)改变了零件的典型加工工艺路线。以往除了磨削外,其他的切削加工、成形加工等都必须安排在淬火热处理工序之前,这是工艺人员不可违反的工艺准则。电火花线切割等特种加工的出现,改变了这种情况。由于这些特种加工基本上不受材料硬度的影响;相反,为了避免加工后再淬火而引起热处理变形,零件在加工时都必须先淬火然后再进行线切割加工。

3)改变了新产品试制的工序及工艺。在新产品开发过程中需要单件的样品,使用线切割直接切割出零件,可以省去设计和制造相应刀具、夹具、量具、模具和许多其他工具等,大大缩短了新产品开发周期,并降低了试制成本。如在冲压生产时,在未加工模具前,先利用线切割加工样板,再对样板进行成形加工,如果成形加工不理想,可以改变尺寸再利用线切割加工样板,直到得到满意的成形效果,然后根据比较合理的样板尺寸加工模具。还有,在一些非标准齿轮的成批加工之前,先利用线切割加工单个零件,经过对零件的使用和改进,得到合理的齿轮参数,再根据此参数批量加工成形的齿轮加工刀具。另外,在开发电动机、变压器等新产品时,也可以利用线切割先加工特殊的定子、转子、铁心等零件。

4)影响了零件的结构设计。过去被认为工艺性很差的方孔、小孔、窄缝等结构,对于设计人员来说都是不能设计的结构,有的结构甚至是不可能加工出来的;而对于电火花线切割来说,这些特殊结构就变得非常容易加工了。还有,以往在模具加工中,如山形硅钢片冲模等由于不容易制造,往往采用拼镶结构,采用了电火花线切割加工后,即使是硬质合金的模具或刀具,也可做成整体结构。

5)为一些零件小批量加工提供了方法。电火花线切割加工属于特种加工的一种,在过去的很长一般时间里,由于线切割加工的速度较慢,导致加工费用较高,它被视为“特殊”加工,一般只有在其他方法不可加工的情况下才使用。近来由于在脉冲电源、机床的机械结构、工作液及加工工艺等方面的发展,使得电火花线切割的加工速度得到了很大的提高,最高加工速度可达400mm2/min;加工费用也得到了进一步的降低,这样使得线切割加工成为一些零件选择的加工方法,如一些尺寸较小的齿条、齿轮等零件的加工,采用电火花线切割加工的费用比普通机加工还要低。由于电火花线切割加工与普通机加工的原理差别很大,使用电火花线切割方法加工零件的质量往往要比使用普通机加工方法加工的零件质量好。

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