加工原理与分类的优化方法

1.加工原理

数控电火花线切割是在电火花成形加工基础上发展起来的,简称数控线切割,工作原理如图7-1所示。

图7-1　数控线切割加工原理

1—脉冲电源；2—控制装置；3—工作液箱；4—走丝机构；5,6—伺服电机；7—工件；8,9—坐标工作台；10—喷嘴；11—电极丝导向器；12—电源接电柱

工件装夹在机床的坐标工作台上,作为工件电极,接脉冲电源的正极；采用细金属丝作为工具电极,称为电极丝,接入负极。若在两电极间施加脉冲电压,不断喷注具有一定绝缘性能的水质工作液,并由伺服电机驱动坐标工作台按预先编制的数控加工程序沿X、Y两个坐标方向移动,则当两电极间的距离小到一定程度时,工作液被脉冲电压击穿,引发火花放电,温度高达10 000℃以上,使金属熔化或气化,形成电蚀产物,由循环流动的工作液带走。控制两电极间始终维持一定的放电间隙,并使电极丝沿其轴向以一定速度做走丝运动,避免电极丝因放电总发生在局部位置而被烧断,即可实现电极丝沿工件预定轨迹边蚀除、边进给,逐步将工件切割加工成型。

2.电火花线切割机床的分类

(1)电火花线切割机床的组成

数控电火花切割加工机床由脉冲电源、机床本体、工作液循环系统和数字程序控制系统四大部分组成。图7-2所示为线切割机床的外形。

图7-2　数控电火花线切割加工机床(www.xing528.com)

1—电动机；2—储丝筒；3—钼丝；4—线架；5—导轮；6—工件；7—十字托板；8—床身

①脉冲电源。脉冲电源对线切割加工质量有着重要的影响,线切割的电规准就是对脉冲电源的脉冲参数进行选择。目前快走丝线切割加工机床的脉冲电源由脉冲发生器、推动级、功率输出级和整流部分等组成,其功率较小,脉冲宽度窄(2～80μs),单个脉冲能量、平均电流(1～5 A)一般较小,频率较高,峰值电流较大。

②坐标工作台。为保证机床精度,线切割机床对坐标工作台的导轨精度、刚度和耐磨性有较高的要求。一般都采用“十”字滑板、滚动导轨和滚珠丝杆传动副将伺服电动机的旋转运动变为工作台的直线运动,通过两个坐标方向各自的进给移动,合成可获得各种平面图形曲线轨迹。平面坐标系是这样规定的：与线架伸出方向平行的方向为X轴,且延向伸出方向为正；与线架垂直的方向为Y轴,前方为正。编程时,采用相对坐标系,即坐标系的原点随程序段的不同而变化。加工直线时,以该直线的起点为坐标系的原点,X、Y取该直线终点的坐标值,并且X、Y可按比例约分,即可以取X、Y比值；加工圆弧时,以该圆弧的圆心为坐标系的原点,X、Y取该圆弧起点的坐标值,坐标值的负号都不写。

③锥度切割装置。为了切割有锥度的内外表面,有些线切割机床有锥度切割功能。实现锥度切割的方法有很多种,偏移丝架和使用双坐标联动装置是其中常见的两种。偏移丝架使上下导轮偏转,让电极丝与切割面呈一个小角度,实现锥度切割,这种方法切割锥度有限,最大不超过3°。使用双坐标联动装置,走丝结构的上、下丝架臂不动,通过电极丝上下导轮在纵横两个方向的偏移,使电极丝倾斜,可以切割各个方向的斜度。电极丝的偏移通过U、V轴步进电动机驱动,其运动轨迹和加工轨迹由计算机同时控制,实现X、Y、U、V四轴联动,最大倾斜角度为60°。

④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。高速走丝时采用的工作液是乳化液,由于高速走丝能自动排除短路现象,因此可用介电强度较低的乳化油水溶液。低速走丝常用的是去离子水,即将水通过离子交换树脂净化器,驱除水中的离子。采用去离子水作工作液,冷却速度快,流动容易,不易燃,但去离子水电阻率大小对加工性能有一定影响。不管哪种工作液都应具有以下性能：有一定的绝缘性能；有较好的洗涤性能；具有较好的冷却性能；对环境无污染,对人体无危害。

(2)电火花线切割机床的分类

电火花线切割加工机床,根据电极丝运动的方式可分成快速走丝电火花线切割机床和慢走丝电火花线切割机床两大类。

①快走丝电火花线切割机床。这种机床采用钼丝(直径φ0.08～φ0.2 mm)或铜丝作电极。电极丝在储丝筒的带动下通过加工缝隙做往复循环运动,一直使用到断线为止。其走丝速度快,为8～10 m/s。机床的振动较大,线电极振动也大,导丝导轮的损耗大,加之电极丝往复运行中的放电损耗,都将影响其加工精度。目前能达到的加工精度为±0.01 mm,表面粗糙度为Ra0.63～1.25μm,最大切割速度可达到50 mm2/min以上,切割厚度最大可达500 mm,可满足一般的加工要求。

②慢走丝电火花线切割机床。这种机床的走丝速度一般为3 m/min,最高为15 m/min。可使用紫铜、黄铜、钨、钼等作为丝电极,其直径为φ0.03～0.35 mm。电极丝单方向通过加工缝隙,不重复使用,以避免电极丝损耗,影响工件加工精度。加工精度可达±0.001 mm,粗糙度可达Ra＜0.32μm。机床能进行自动穿电极丝和自动卸除加工废料等,自动化程度高,可实现无人操作加工。

相对慢走丝线切割机床而言,快走丝线切割机床结构简单,价格低廉,且加工生产率较高,精度能满足一般要求,目前在我国的生产、使用较为广泛。