电火花加工的基本原理及设备

单击此处编辑母版标题样式,第二章 电火花加工的基本原理及设备,第二章 电火花加工的基本原理及设备,2.1 电火花加工的物理本质及特点,2.2 电火花加工机床简介,2.3 电火花线切割加工机床简介,习题,2.1 电火花加工的物理本质及特点,2.1.1 电火花加工的物理本质,电火花加工基于电火花腐蚀原理，是在工具电极与工件电极相互靠近时，极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温，使金属局部熔化，甚至气化，从而将金属蚀除下来。那么两电极表面的金属材料是如何被蚀除下来的呢？这一过程大致分为以下几个阶段(如图2-1所示)：,图2-1 电火花加工原理,(1) 极间介质的电离、击穿，形成放电通道(如图2-1(a)所示)。工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，由于两电极的微观表面是凹凸不平的，因此在两极间距离最近的A、B处电场强度最大。,工具电极与工件电极之间充满着液体介质，液体介质中不可避免地含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越多，最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。放电通道是由大量高速运动的带正电和带负电的粒子以及中性粒子组成的。由于通道截面很小，通道内因高温热膨胀形成的压力高达几万帕，高温高压的放电通道急速扩展，产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效应和声效应，这就形成了肉眼所能看到的电火花。,(2) 电极材料的熔化、气化热膨胀(如图2-1(b)、(c)所示)。液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相互撞击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。通道高温首先使工作液汽化，进而气化，然后高温向四周扩散，使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间有冒烟现象，并听到轻微的爆炸声。,(3) 电极材料的抛出(如图2-1(d)所示)。正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的压力最高，工作液和金属气化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工作液中。仔细观察电火花加工，可以看到桔红色的火花四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。,(4) 极间介质的消电离(如图2-1(e)所示)。加工液流入放电间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并恢复绝缘状态。若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，产生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局部过热的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并烧坏电极。因此，为了保证电火花加工过程的正常进行，在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。,上述步骤(1)(4)在一秒内约数千次甚至数万次地往复式进行，即单个脉冲放电结束，经过一段时间间隔(即脉冲间隔)使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲又作用到工具电极和工件上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，蚀出另一个小凹坑。这样以相当高的频率连续不断地放电，工件不断地被蚀除，故工件加工表面将由无数个相互重叠的小凹坑组成(如图2-2所示)。所以电火花加工是大量的微小放电痕迹逐渐累积而成的去除金属的加工方式。,图2-2 电火花表面局部放大图,2.1.2 电火花加工、电火花线切割加工的特点,1共同特点,(1) 二者的加工原理相同，都是通过电火花放电产生的热来熔解去除金属的，所以二者加工材料的难易与材料的硬度无关，加工中不存在显著的机械切削力。,(2) 二者的加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺规律基本相似，可以加工硬质合金等一切导电材料。,(3) 最小角部半径有限制。电火花加工中最小角部半径为加工间隙，线切割加工中最小角部半径为电极丝的半径加上加工间隙。,2不同特点,(1) 从加工原理来看，电火花加工是将电极形状复制到工件上的一种工艺方法(如图2-3(a)所示)。在实际中可以加工通孔(穿孔加工)和盲孔(成型加工)(如图2-3(b)、(c)所示)；而线切割加工是利用移动的细金属导线(铜丝或钼丝)做电极，对工件进行脉冲火花放电，切割成型的一种工艺方法，如图2-4所示。,图2-3 电火花加工,图2-4 线切割加工,(2) 从产品形状角度看，电火花加工必须先用数控加工等方法加工出与产品形状相似的电极；线切割加工中产品的形状是通过工作台按给定的控制程序移动而合成的，只对工件进行轮廓图形加工，余料仍可利用。,(3) 从电极角度看，电火花加工必须制作成型用的电极(一般用铜、石墨等材料制作而成)；线切割加工用移动的细金属导线(铜丝或钼丝)做电极。,(4) 从电极损耗角度看，电火花加工中电极相对静止，易损耗，故通常采用多个电极加工；而线切割加工中由于电极丝连续移动，使新的电极丝不断地补充和替换在电蚀加工区受到损耗的电极丝，避免了电极损耗对加工精度的影响。,(5) 从应用角度看，电火花加工可以加工通孔、盲孔，特别适宜加工形状复杂的塑料模具等零件的型腔以及刻文字、花纹等(如图2-5(a)所示)；而线切割加工只能加工通孔，能方便地加工出小孔、形状复杂的窄缝及各种形状复杂的零件(如图2-5(b)所示)。,(a) 电火花加工产品 (b) 线切割加工产品,图2-5 加工产品实例,2.2 电火花加工机床简介,2.2.1 机床型号、规格、分类,我国国标规定，电火花成型机床均用D71加上机床工作台面宽度的1/10表示。例如D7132中，D表示电加工成型机床(若该机床为数控电加工机床，则在D后加K，即DK)；71表示电火花成型机床；32表示机床工作台的宽度为320 mm。,在中国大陆外，电火花加工机床的型号没有采用统一标准，由各个生产企业自行确定，如日本沙迪克(Sodick)公司生产的A3R、A10R，瑞士夏米尔(Charmilles)技术公司的ROBOFORM20/30/35，台湾乔懋机电工业股份有限公司的JM322/430，北京阿奇工业电子有限公司的SF100等。,电火花加工机床按其大小可分为小型(D7125以下)、中型(D7125D7163)和大型(D7163以上)；按数控程度分为非数控、单轴数控和三轴数控。随着科学技术的进步，国外已经大批生产三坐标数控电火花机床，以及带有工具电极库、能按程序自动更换电极的电火花加工中心，我国的大部分电加工机床厂现在也正开始研制生产三坐标数控电火花加工机床。,2.2.2 电火花加工机床结构,电火花加工机床主要由机床本体、脉冲电源、自动进给调节系统、工作液过滤和循环系统、数控系统等部分组成，如图2-6所示。,图2-6 电火花机床,间 隙,参考值,增益,设定,控制装置,进给系统,自动进给调节系统,比较器,放大器,间 隙,传感器,脉冲电源,床 身,工作液循环,过 滤 系 统,(,a,) 原理图,(,b,) 实物,1. 机床本体,机床本体主要由床身、立柱、主轴头及附件、工作台等部分组成，是用以实现工件和工具电极的装夹固定和运动的机械系统。床身、支柱、坐标工作台是电火花机床的骨架，起着支承、定位和便于操作的作用。因为电火花加工宏观作用力极小，所以对机械系统的强度无严格要求，但为了避免变形和保证精度，要求具有必要的刚度。主轴头下面装夹的电极是自动调节系统的执行机构，其质量的好坏将影响到进给系统的灵敏度及加工过程的稳定性，进而影响工件的加工精度。,机床主轴头和工作台常有一些附件，如可调节工具电极角度的夹头、平动头、油杯等。本节主要介绍平动头。,电火花加工时粗加工的电火花放电间隙比中加工的放电间隙要大，而中加工的电火花放电间隙比精加工的放电间隙又要大一些。当用一个电极进行粗加工时，将工件的大部分余量蚀除掉后，其底面和侧壁四周的表面粗糙度很差，为了将其修光，就得转换规准逐挡进行修整。但由于中、精加工规准的放电间隙比粗加工规准的放电间隙小，若不采取措施则四周侧壁就无法修光了。平动头就是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的。,平动头是一个使装在其上的电极能产生向外机械补偿动作的工艺附件。当用单电极加工型腔时，使用平动头可以补偿上一个加工规准和下一个加工规准之间的放电间隙差。,平动头的动作原理是：利用偏心机构将伺服电机的旋转运动通过平动轨迹保持机构转化成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在水平面内作平面小圆周运动，许多小圆的外包络线面积就形成加工横截面积，如图2-7所示，其中每个质点运动轨迹的半径就称为平动量，其大小可以由零逐渐调大，以补偿粗、中、精加工的电火花放电间隙之差，从而达到修光型腔的目的。具体平动头的结构及原理可以参考其他书籍。,目前，机床上安装的平动头有机械式平动头和数控平动头，其外形如图2-8所示。机械式平动头由于有平动轨迹半径的存在，它无法加工有清角要求的型腔；而数控平动头可以两轴联动，能加工出清棱、清角的型孔和型腔。,图2-7 平动头扩大间隙原理图,(a) 机械式平动头 (b) 数控平动头,图2-8 平动头外形,与一般电火花加工工艺相比较，采用平动头电火花加工有如下特点：,(1) 可以通过改变轨迹半径来调整电极的作用尺寸，因此尺寸加工不再受放电间隙的限制。,(2) 用同一尺寸的工具电极，通过轨迹半径的改变，可以实现转换电规准的修整，即采用一个电极就能由粗至精直接加工出一副型腔。,(3) 在加工过程中，工具电极的轴线与工件的轴线相偏移，除了电极处于放电区域的部分外，工具电极与工件的间隙都大于放电间隙，实际上减小了同时放电的面积，这有利于电蚀产物的排除，提高加工稳定性。,(4) 工具电极移动方式的改变，可使加工的表面粗糙度大有改善，特别是底平面处。,2. 脉冲电源,在电火花加工过程中，脉冲电源的作用是把工频正弦交流电流转变成频率较高的单向脉冲电流，向工件和工具电极间的加工间隙提供所需要的放电能量以蚀除金属。脉冲电源的性能直接关系到电火花加工的加工速度、表面质量、加工精度、工具电极损耗等工艺指标。,脉冲电源输入为380 V、50 Hz的交流电，其输出应满足如下要求：,(1) 要有一定的脉冲放电能量，否则不能使工件金属气化。,(2) 火花放电必须是短时间的脉冲性放电，这样才能使放电产生的热量来不及扩散到其他部分，从而有效地蚀除金属，提高成型性和加工精度。,(3) 脉冲波形是单向的，以便充分利用极性效应，提高加工速度和降低工具电极损耗。,(4) 脉冲波形的主要参数(峰值电流、脉冲宽度、脉冲间歇等)有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求。,(5) 有适当的脉冲间隔时间，使放电介质有足够时间消除电离并冲去金属颗粒，以免引起电弧而烧伤工件。,电源的好坏直接关系到电火花加工机床的性能，所以电源往往是电火花机床制造厂商的核心机密之一。从理论上讲，电源一般有如下几种。,1) 弛张式脉冲电源,弛张式脉冲电源是最早使用的电源，它是利用电容器充电储存电能，然后瞬时放出，形成火花放电来蚀除金属的。因为电容器时而充电，时而放电，一弛一张，故又称“弛张式”脉冲电源(如图2-9所示)。由于这种电源是靠电极和工件间隙中的工作液的击穿作用来恢复绝缘和切断脉冲电流的，因此间隙大小、电蚀产物的排出情况等都影响脉冲参数，使脉冲参数不稳定，所以这种电源又称为非独立式电源。,弛张式脉冲电源结构简单，使用维修方便，加工精度较高，粗糙度值较小，但生产率低，电能利用率低，加工稳定性差，故目前这种电源的应用已逐渐减少。,图2-9 RC线路脉冲电源,2) 闸流管脉冲电源,闸流管是一种特殊的电子管，当对其栅极通入一脉冲信号时， 便可控制管子的导通或截止，输出脉冲电流。由于这种电源的电参数与加工间隙无关，故又称为独立式电源。闸流管脉冲电源的生产率较高，加工稳定，但脉冲宽度较窄，电极损耗较大。,3) 晶体管脉冲电源,晶体管脉冲电源是近年来发展起来的以晶体元件作为开关元件的用途广泛的电火花脉冲电源，其输出功率大，电规准调节范围广，电极损耗小，故适应于型孔、型腔、磨削等各种不同用途的加工。晶体管脉冲电源已越来越广泛地应用在电火花加工机床上。,目前普及型(经济型)的电火花加工机床都采用高低压复合的晶体管脉冲电源，中、高档电火花加工机床都采用微机数字化控制的脉冲电源，而且内部存有电火花加工规准的数据库，可以通过微机设置和调用各挡粗、中、精加工规准参数。例如汉川机床厂、日本沙迪克公司的电火花加工机床，这些加工规准用C代码(例如C320)表示和调用，三菱公司则用 E代码表示。,3. 自动进给调节系统,在电火花成型加工设备中，自动进给调节系统占有很重要的位置，它的性能直接影响加工稳定性和加工效果。,电火花成型加工的自动进给调节系统，主要包含伺服进给系统和参数控制系统。伺服进给系统主要用于控制放电间隙的大小，而参数控制系统主要用于控制电火花成型加工中的各种参数(如放电电流、脉冲宽度、脉冲间隔等)，以便能够获得最佳的加工工艺指标等，其具体内容可参考第三章相关内容。,1) 伺服进给系统的作用及要求,在电火花成型加工中，电极与工件必须保持一定的放电间隙。由于工件不断被蚀除，电极也不断地损耗，故放电间隙将不断扩大。如果电极不及时进给补偿，放电过程会因间隙过大而停止。反之，间隙过小又会引起拉弧烧伤或短路，这时电极必须迅速离开工件，待短路消除后再重新调节到适宜的放电间隙。在实际生产中，放电间隙变化范围很小，且与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等因素有关，因此很难靠人工进给，也不能像钻削那样采用“机动”、等速进给，而必须采用伺服进给系统。这种不等速的伺服进给系统也称为自动进给调节系统。,伺服进给系统一般有如下要求：,(1) 有较广的速度调节跟踪范围。,(2) 有足够的灵敏度和快速性。,(3) 有较高的稳定性和抗干扰能力。,伺服进给系统种类较多，下面简单介绍电液压式伺服进给系统的原理，其他的伺服进给系统可参考其他相关资料。,2) 电液压式伺服进给系统,在电液自动进给调节系统中，液压缸、活塞是执行机构。由于传动链短及液体的基本不可压缩性，因此传动链中无间隙、刚度大、不灵敏区小；又因为加工时进给速度很低，所以正、反向惯性很小，反应迅速，特别适合于电火花加工的低速进给，故20世纪80年代前得到了广泛的应用，但它有漏油、油泵噪声大、占地面积较大等缺点。,图2-10所示为DYT-2型液压主轴头的喷嘴挡板式调节系统的工作原理图。电动机4驱动叶片液压泵3从油箱中压出压力油，由溢流阀2保持恒定压力P0，经过滤油器6后分两路，一路进入下油腔，另一路经节流阀7进入上油腔。进入上油腔的压力油从喷嘴8与挡板12的间隙中流回油箱，使上油腔的压力P1随此间隙的大小而变化。,图2-10 喷嘴挡板式电液压自动调节器工作原理,电机械转换器9主要由动圈(控制线圈)10与静圈(励磁线圈)11等组成。动圈处在励磁线圈的磁路中，与挡板12连成一体。改变输入动圈的电流，可使挡板随动圈动作，从而改变挡板与喷嘴间的间隙。当放电间隙短路时，动圈两端电压为零，此时动圈不受电磁力的作用，挡板受弹簧力处于最高位置，喷嘴与挡板门开口为最大，使工作液流经喷嘴的流量为最大，上油腔的压力下降到最小值，致使上油腔压力小于下油腔压力，故活塞杆带动工具电极上升。当放电间隙开路时，动圈电压最大，挡板被磁力吸引下移到最低位置，喷嘴被封闭，上、下油腔压强相等，但因下油腔工作面积小于上油腔工作面积，活塞上的向下作用力大于向上作用力，活塞杆下降。当放电间隙最佳时，电动力使挡板处于平衡位置，活塞处于静止状态。,4. 工作液过滤和循环系统,电火花加工中的蚀除产物，一部分以气态形式抛出，其余大部分是以球状固体微粒分散地悬浮在工作液中，直径一般为几微米。随着电火花加工的进行，蚀除产物越来越多，充斥在电极和工件之间，或粘连在电极和工件的表面上。蚀除产物的聚集，会与电极或工件形成二次放电。这就破坏了电火花加工的稳定性，降低了加工速度，影响了加工精度和表面粗糙度。为了改善电火花加工的条件，一种办法是使电极振动，以加强排屑作用；另一种办法是对工作液进行强迫循环过滤，以改善间隙状态。,工作液强迫循环过滤是由工作液循环过滤器来完成的。电火花加工用的工作液过滤系统包括工作液泵、容器、过滤器及管道等，使工作液强迫循环。图2-11是工作液循环系统油路图，它既能实现冲油，又能实现抽油。其工作过程是：储油箱的工作液首先经过粗过滤器l，经单向阀2吸入油泵3，这时高压油经过不同形式的精过滤器7输向机床工作液槽，溢流安全阀5使控制系统的压力不超过400 kPa，补油阀 11为快速进油用。待油注满油箱时，可及时调节冲油选择阀10，由阀8来控制工作液循环方式及压力。当阀10在冲油位置时，补油冲油都不通，这时油杯中油的压力由阀8控制；当阀10在抽油位置时，补油和抽油两路都通，这时压力工作液穿过射流抽吸管9，利用流体速度产生负压，达到实现抽油的目的。,图2-11 工作液循环系统油路图,5. 数控系统,1) 数控电火花机床的类型,数控系统规定除了直线移动的X、Y、Z三个坐标轴系统外，还有三个转动的坐标系统，即绕X轴转动的A轴，绕Y轴转动的B轴，绕Z轴转动的C轴。若机床的Z轴可以连续转动但不是数控的，如电火花打孔机，则不能称为C轴，只能称为R轴。,根据机床的数控坐标轴的数目，目前常见的数控机床有三轴数控电火花机床、四轴三联动数控电火花机床、四轴联动或五轴联动甚至六轴联动电火花加工机床。三轴数控电火花加工机床的主轴Z和工作台X、Y都是数控的。从数控插补功能上讲，又将这类型机床细分为三轴两联动机床和三轴三联动机床。,三轴两联动是指X、Y、Z三轴中，只有两轴(如X、Y轴)能进行插补运算和联动，电极只能在平面内走斜线和圆弧轨迹(电极在Z轴方向只能作伺服进给运动，但不是插补运动)。三轴三联动系统的电极可在空间作X、Y、Z方向的插补联动(例如可以走空间螺旋线)。,四轴三联动数控机床增加了C轴，即主轴可以数控回转和分度。,现在部分数控电火花机床还带有工具电极库，在加工中可以根据事先编制好的程序，自动更换电极。,2) 数控电火花机床的数控系统工作原理,数控电火花机床能实现工具电极和工件之间的多种相对运动，可以用来加工多种较复杂的型腔。目前，绝大部分电火花数控机床采用国际上通用的ISO代码进行编程、程序控制、数控摇动加工等，具体内容如下：,( ISO代码编程ISO代码是国际标准化机构制定的用于数控编码和程序控制的一种标准代码。代码主要有G指令(即准备功能指令)和M指令(即辅助功能指令)，具体见表2-1。,表2-1 常用的电火花数控指令,表2-1 常用的电火花数控指令,表2-2 工作坐标系,以上代码，绝大部分与数控铣床、车床的代码相同，只有G54、G80、G82、M05等是以前接触较少的指令，其具体用法如下：,图2-12 工作坐标系切换,一般的慢走丝线切割机床和部分快走丝线切割机床都有几个或几十个工作坐标系，可以用G54、G55、G56等指令进行切换(如表2-2所示)。在加工或找正过程中定义工作坐标系的主要目的是为了坐标的数值更简洁。这些定义工作坐标系指令可以和G92一起使用，G92代码只能把当前点的坐标系中定义为某一个值，但不能把这点的坐标在所有的坐标系中都定义成该值。,如图2-12所示，可以通过如下指令切换工作坐标系。,G92 G54 X0 Y0；,G00 X20. Y30.；,G92 G55 X0 Y0；,这样通过指令，首先把当前的O点定义为工作坐标系0的零点，然后分别把X、Y轴快速移动20 mm、30 mm到达点O，并把该点定义为工作坐标系1的零点。,G80:,含义：接触感知。,格式：G80 轴方向,如：G80 X；/电极将沿X轴的负方向前进，直到接触到工件，然后停在那里,G82：,含义：移动到原点和当前位置一半处。,格式：G82轴,如：G92 X100.; /将当前点的X坐标定义为100.,G82 X; /将电极移到当前坐标系X=50.的地方,M05：,含义：忽略接触感知，只在本段程序起作用。具体用法是：当电极与工件接触感知并停在此处后，若要移走电极，请用此代码。,如：G80 X； /X轴负方向接触感知,G90 G92 X0 Y0； /设置当前点坐标为(0，0),M05 G00 X10.；,/忽略接触感知且把电极向X轴正方向移动10 mm,若去掉上面代码中的M05，则电极往往不动作，G00不执行。,图2-13 工件找正图,以上代码通常用在加工前电极的定位上，具体实例如下：,如图2-13所示，ABCD为矩形工件，AB、BC边为设计基准，现欲用电火花加工一圆形图案，图案的中心为O点，O到AB边、BC边的距离如图中所标。已知圆形电极的直径为20 mm，请写出电极定位于O点的具体过程。,具体过程如下：,首先将电极移到工件AB的左边，Y轴坐标大致与O点相同，然后执行如下指令：,G80 X+;,G90 G92 X0;,M05 G00 X10.；,G91 G00 Y38.；,/38.为一估计值，主要目的是保证电极在BC边下方,G90 G00 X50.；,G80 Y+；,G92 Y0；,M05 G00 Y2.；,/电极与工件分开，2 mm表示为一小段距离,G91 G00 Z10.；/将电极底面移到工件上面,G90 G00 X50. Y28.；,如前面所述，普通电火花加工机床为了修光侧壁和提高其尺寸精度而添加平动头，使工具电极轨迹向外可以逐步扩张，即可以平动。对数控电火花机床，由于工作台是数控的，可以实现工件加工轨迹逐步向外扩张，即摇动，故数控电火花机床不需要平动头。具体来说，摇动加工的作用是：,(1) 可以精确控制加工尺寸精度。,(2) 可以加工出复杂的形状，如螺纹。,(3) 可以提高工件侧面和底面的表面粗糙度。,(4) 可以加工出清棱、清角的侧壁和底边。,(5) 变全面加工为局部加工，有利于排屑和加工稳定。,(6) 对电极尺寸精度要求不高。,摇动的轨迹除了可以像平动头的小圆形轨迹外，数控摇动的轨迹还有方形、菱形、叉形和十字形，且摇动的半径可为9.9 mm以内任一数值。,摇动加工的编程代码各公司均自己规定。以汉川机床厂和日本沙迪克公司为例，摇动加工的指令代码如下(参见表2-3)：,表2-3 电火花数控摇动类型一览表,数控摇动的伺服方式共有以下三种(如图2-14所示)：,(1) 自由摇动。选定某一轴向(例如Z轴)作为伺服进给轴，其他两轴进行摇动运动(如图2-14(a)所示)。例如：,G01 LN001 STEP30 Z-10.,G01表示沿Z轴方向进行伺服进给。LN001中的00表示在XY平面内自由摇动，1表示工具电极各点绕各原始点作圆形轨迹摇动，STEP30表示摇动半径为30 m，Z-10.表示伺服进给至Z轴向下10 mm为止。其实际放电点的轨迹见图2-14(a)，沿各轴方向可能出现不规则的进进退退。,(2) 步进摇动。在某选定的轴向作步进伺服进给，每进一步的步距为2 m，其他两轴作摇动运动(如图2-14(b)所示)。例如：,G01 LN101 STEP20 Z-10.,G01表示沿Z轴方向进行伺服进给。LN101中的10表示在XY平面内步进摇动，1表示工具电极各点绕各原始点作圆形轨迹摇动，STEP20表示摇动半径为20 m，Z-10.表示伺服进给至Z轴向下10 mm为止。其实际放电点的轨迹见图2-14(b)。步进摇动限制了主轴的进给动作，使摇动动作的循环成为优先动作。步进摇动用在深孔排屑比较困难的加工中。它较自由摇动的加工速度稍慢，但更稳定，没有频繁的进给、回退现象。,(3) 锁定摇动。在选定的轴向停止进给运动并锁定轴向位置，其他两轴进行摇动运动。在摇动中，摇动半径幅度逐步扩大，主要用于精密修扩内孔或内腔(如图2-14(c)所示)。例如：,G01 LN202 STEP20 Z-5.,G01表示沿Z轴方向进行伺服进给。LN202中的20表示在XY平面内锁定摇动，2表示工具电极各点绕各原始点作方形轨迹摇动，Z-5.表示Z轴加工至-5 mm处停止进给并锁定，X、Y轴进行摇动运动。其实际放电点的轨迹见图2-14(c)。锁定摇动能迅速除去粗加工留下的侧面波纹，是达到尺寸精度最快的加工方法。它主要用于通孔、盲孔或有底面的型腔模加工中。如果锁定后作圆轨迹摇动，则还能在孔内滚花、加工出内花纹等。,图2-14 数控摇动的伺服方式,6. 电火花机床常见功能,电火花机床的常见功能如下：,(1) 回原点操作功能。数控电火花在加工前首先要回到机械坐标的零点，即X、Y、Z轴回到其轴的正极限处。这样，机床的控制系统才能复位，后续操作机床运动不会出现紊乱。,(2) 置零功能。将当前点的坐标设置为零。,(3) 接触感知功能。让电极与工件接触，以便定位。,(4) 其他常见功能(如图2-15所示)。,图2-15 电火花机床常见功能,2.3 电火花线切割加工机床简介,2.3.1 机床分类、型号,1分类,线切割加工机床可按多种方法进行分类，通常按电极丝的走丝速度分成快速走丝线切割机床(WEDM-HS)与慢速走丝线切割机床(WEDM-LS)。,1) 快速走丝线切割机床,快速走丝线切割机床的电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为810 m/s，是我国独创的电火花线切割加工模式。快速走丝线切割机床上运动的电极丝能够双向往返运行，重复使用，直至断丝为止。线电极材料常用直径为0.100.30 mm的钼丝(有时也用钨丝或钨钼丝)。对小圆角或窄缝切割，也可采用直径为0.6 mm的钼丝。,工作液通常采用乳化液。快速走丝线切割机床结构简单、价格便宜、生产率高，但由于运行速度快，工作时机床震动较大。钼丝和导轮的损耗快，加工精度和表面粗糙度就不如慢速走丝线切割机床，其加工精度一般为0.010.02 mm，表面粗糙度Ra为1.252.5 m。,2) 慢速走丝线切割机床,慢速走丝线切割机床走丝速度低于0.2 m/s。常用黄铜丝(有时也采用紫铜、钨、钼和各种合金的涂覆线)作为电极丝，铜丝直径通常为0.100.35 mm。电极丝仅从一个单方向通过加工间隙，不重复使用，避免了因电极丝的损耗而降低加工精度。同时由于走丝速度慢，机床及电极丝的震动小，因此加工过程平稳，加工精度高，可达0.005 mm，表面粗糙度Ra0.32 m。,慢速走丝线切割机床的工作液一般采用去离子水、煤油等，生产率较高。,慢走丝机床主要由日本、瑞士等国生产，目前国内有少数企业引进国外先进技术与外企合作生产慢走丝机床。,2型号,国标规定的数控电火花线切割机床的型号，如DK7725的基本含义为：D为机床的类别代号，表示是电加工机床；K为机床的特性代号，表示是数控机床；第一个7为组代号，表示是电火花加工机床，第二个7为系代号(快走丝线切割机床为7，慢走丝线切割机床为6，电火花成型机床为1)；25为基本参数代号，表示工作台横向行程为250 mm。,2.3.2 快走丝线切割机床简介,由于科学技术的发展，目前在生产中使用的快走丝线切割机床几乎全部采用数字程序控制，这类机床主要由机床本体、脉冲电源、数控系统和工作液循环系统组成。,1机床本体,机床本体主要由床身、工作台、运丝机构和丝架等组成，具体介绍如下：,1) 床身,床身是支承和固定工作台、运丝机构等的基体。因此，要求床身应有一定的刚度和强度，一般采用箱体式结构。床身里面安装有机床电气系统、脉冲电源、工作液循环系统等元器件。,2) 工作台,目前在电火花线切割机床上采用的坐标工作台，大多为X、Y方向线性运动。,不论是哪种控制方式，电火花线切割机床最终都是通过坐标工作台与丝架的相对运动来完成零件加工的，坐标工作台应具有很高的坐标精度和运动精度，而且要求运动灵敏、轻巧，一般都采用“十”字滑板、滚珠导轨，传动丝杠和螺母之间必须消除间隙，以保证滑板的运动精度和灵敏度。,3) 运丝机构,在快走丝线切割加工时，电极丝需要不断地往复运动，这个运动是由运丝机构来完成的。最常见的运丝机构是单滚筒式，电极丝绕在储丝筒上，并由丝筒作周期性的正反旋转使电极丝高速往返运动。储丝筒轴向往复运动的换向及行程长短由无触点接近开关及其撞杆控制(如图2-16中的5、4)，调整撞杆的位置即可调节行程的长短。,这种形式的运丝机构的优点是结构简单、维护方便，因而应用广泛。其缺点是绕丝长度小，电动机正反转动频繁，电极丝张力不可调。,图2-16 快走丝线切割机床结构图,4) 丝架,运丝机构除上面所叙述的内容外，还包括丝架。丝架的主要作用是在电极丝快速移动时，对电极丝起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持垂直。为获得良好的工艺效果，上、下丝架之间的距离宜尽可能小。,为了实现锥度加工，最常见的方法是在上丝架的上导轮上加两个小步进电动机，使上丝架上的导轮作微量坐标移动(又称U、V轴移动)，其运动轨迹由计算机控制。,2脉冲电源,电火花线切割加工的脉冲电源与电火花成型加工作用的脉冲电源在原理上相同，不过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(260 s)，单个脉冲能量、平均电流(15 A)一般较小，所以线切割总是采用正极性加工。,3数控系统,数控系统在电火花线切割加工中起着重要作用，具体体现在两方面：,(1) 轨迹控制作用。它精确地控制电极丝相对于工件的运动轨迹，使零件获得所需的形状和尺寸。,(2) 加工控制。它能根据放电间隙大小与放电状态控制进给速度，使之与工件材料的蚀除速度相平衡，保持正常的稳定切割加工。,目前绝大部分机床采用数字程序控制，并且普遍采用绘图式编程技术，操作者首先在计算机屏幕上画出要加工的零件图形，线切割专用软件(如YH软件、北航海尔的CAXA线切割软件)会自动将图形转化为ISO代码或3B代码等线切割程序。,4. 工作液循环系统,工作液循环与过滤装置是电火花线切割机床不可缺少的一部分，其主要包括工作液箱、工作液泵、流量控制阀、进液管、回液管和过滤网罩等。工作液的作用是及时地从加工区域中排除电蚀产物，并连续充分供给清洁的工作液，以保证脉冲放电过程稳定而顺利地进行。目前绝大部分快走丝机床的工作液是专用乳化液。乳化液种类繁多，大家可根据相关资料来正确选用。,2.3.3 慢走丝线切割机床简介,同快走丝线切割机床一样，慢走丝线切割机床也是由机床本体、脉冲电源、数控系统等部分组成的。但慢走丝线切割机床的性能大大优于快走丝线切割机床，其结构具有以下特点：,1主体结构,1) 机头结构,机床和锥度切割装置(U，V轴部分)实现了一体化，并采用了桁架铸造结构，从而大幅度地强化了刚度。,2) 主要部件,精密陶瓷材料大量用于工作臂、工作台固定板、工件固定架、导丝装置等主要部件，实现了高刚度和不易变形的结构。,3) 工作液循环系统,慢走丝线切割机床大多数采用去离子水作为工作液，所以有的机床(如北京阿奇)带有去离子系统(如图2-17所示)。在较精密加工时，慢走丝线切割机床采用绝缘性能较好的煤油作为工作液。,图2-17 去离子系统,滤芯,过滤筒,洁水箱,污水箱,2走丝系统,慢走丝线切割机床的电极丝在加工中是单方向运动(即电极丝是一次性使用)的。在走丝过程中，电极丝由储丝筒出丝，由电极丝输送轮收丝。慢走丝系统一般由以下几部分组成：储丝筒、导丝机构、导向器、张紧轮、压紧轮、圆柱滚轮、断丝检测器、电极丝输送轮、其他辅助件(如毛毡、毛刷)等。,图2-18为日本沙迪克公司某型号线切割机床的电极丝的送出部分结构图，其中某些部件的作用如下：,2圆柱滚轮 可使线电极从线轴平行地输出，且使张力维持稳定,3导向孔模块 可使电极丝在张紧轮上正确地进行导向,5张紧轮 在电极丝上施加必要的张力,6压紧轮 防止电极丝张力变动的辅助轮,7毛毡 去除附着在电极丝上的渣滓,8断丝检测器 检查电极丝送进是否正常，若不正常送进，则发出报警信号，提醒发生电极丝断丝等故障,9毛刷 防止电极丝断丝时从轮子上脱出,图2-18 电极丝送丝装置,图2-19为北京阿奇工业电子有限公司某型号慢走丝线切割机床的送丝图。,(a) 电极丝送丝示意图 (b) 电极丝送丝图,图2-19 电极丝送丝图,2.3.4 线切割机床常见的功能,下面简单介绍线切割机床较常见的功能。,(1) 模拟加工功能。模拟显示加工时电极丝的运动轨迹及其坐标。,(2) 短路回退功能。加工过程中若进给速度太快而电腐蚀速度慢，在加工时出现短路现象，控制器会改变加工条件并沿原来的轨迹快速后退，消除短路，防止断丝。,(3) 回原点功能。遇到断丝或其他一些情况，需要回到起割点，可用此操作。,(4) 单段加工功能。加工完当前段程序后自动暂停，并有相关提示信息，如：,单段停止!按OFF键停止加工，按RST键继续加工。,此功能主要用于检查程序每一段的执行情况。,(5) 暂停功能。暂时中止当前的功能(如加工、单段加工、模拟、回退等)。,(6) MDI功能。手动数据输入方式输入程序功能，即可通过操作面板上的键盘，把数控指令逐条输入存储器中。,(7) 进给控制功能。能根据加工间隙的平均电压或放电状态的变化，通过取样、变频电路，不断定期地向计算机发出中断申请，自动调整伺服进给速度，保持平均放电间隙，使加工稳定，提高切割速度和加工精度。,(8) 间隙补偿功能。线切割加工数控系统所控制的是电极丝中心移动的轨迹。因此，加工零件时有补偿量，其大小为单边放电间隙与电极丝半径之和。,(9) 自动找中心功能。电极丝能够自动找正后停在孔中心处。,(10) 信息显示功能。可动态显示程序号、计数长度、电规准参数、切割轨迹图形等参数。,(11) 断丝保护功能。在断丝时，控制机器停在断丝坐标位置上，等待处理，同时高频停止输出脉冲，丝筒停止运转。,(12) 停电记忆功能。可保存全部内存加工程序，当前没有加工完的程序可保持24小时以内，随时可停机。,(13) 断电保护功能。在加工时如果突然发生断电，系统会自动将当时的加工状态记下来。在下次来电加工时，系统自动进入自动方式，并提示：,从断电处开始加工吗按OFF键退出按RST键继续,这时，如果想继续从断电处开始加工，则按下RST键，系统将从断电处开始加工，否则按OFF键退出加工。,使用该功能的前提是：不要轻易移动工件和电极丝，否则来电继续加工时，会发生很长时间的回退，影响加工效果甚至导致工件报废。,(14) 分时控制功能。可以一边进行切割加工，一边编写另外的程序。,(16) 平移功能。主要用在切割完当前图形后，在另一个位置加工同样图形等场合。这种功能可以省掉重新画图的时间。,(17) 跳步功能。将多个加工轨迹连接成一个跳步轨迹(如图2-20所示)，可以简化加工的操作过程。图中，实线为零件形状，虚线为电极丝路径。,(18) 任意角度旋转功能。可以大大简化某些轴对称零件的程编工艺，如齿轮只需先画一个齿形，然后让它旋转几次，就可圆满完成。,(19) 代码转换功能。能将ISO代码转换为3B代码等。,(20) 上下异性功能。可加工出上下表面形状不一致的零件，如上面为圆形，下面为方形等。,图2-20 轨迹跳步,习题,1电火花加工的物理本质是什么？,2电火花加工与电火花线切割加工的异同点是什么？,3电火花机床有哪些常用的功能？,4线切割机床有哪些常用的功能？,