电火花线切割加工工艺规律

第五章电火花线切割加工工艺规律5.1主要工艺指标5.2电参数对工艺指标的影响5.3非电参数对工艺指标的影响5.4合理选择电火花线切割加工工艺5.5习题辽阳职业技术学院5.1主要工艺指标1．切割速度线切割加工中的切割速度是指在保证一定的表面粗糙度的切割过程中，单位时间内电极丝中心线在工件上切过的面积的总和，单位为mm2/min。最高切割速度是指在不计切割方向和表面粗糙度等条件下，所能达到的最大切割速度。通常快走丝线切割加工的切割速度为40～80mm2/min，它与加工电流大小有关，为了在不同脉冲电源、不同加工电流下比较切割效果，将每安培电流的切割速度称为切割效率，一般切割效率为20mm2/(min·A)。辽阳职业技术学院2．加工精度加工精度是指所加工工件的尺寸精度、形状精度和位置精度的总称。加工精度是一项综合指标，它包括切割轨迹的控制精度、机械传动精度、工件装夹定位精度以及脉冲电源参数的波动、电极丝的直径误差、损耗与抖动、工作液脏污程度的变化、加工操作者的熟练程度等对加工精度的影响。3．表面粗糙度在我国和欧洲表面粗糙度常用轮廓算术平均偏差Ra(μm)来表示，在日本常用Rmax来表示。辽阳职业技术学院4．电极丝损耗量对快走丝机床，电极丝损耗量用电极丝在切割10000mm2面积后电极丝直径的减少量来表示，一般减小量不应大于0.01mm。对慢走丝机床，由于电极丝是一次性的，故电极丝损耗量可忽略不计。辽阳职业技术学院5.2电参数对工艺指标的影响1．放电峰值电流对工艺指标的影响放电峰值电流增大，单个脉冲能量增多，工件放电痕迹增大，故切割速度迅速提高，表面粗糙度数值增大，电极丝损耗增大，加工精度有所下降。因此第一次切割加工及加工较厚工件时取较大的放电峰值电流。放电峰值电流不能无限制增大，当其达到一定临界值后，若再继续增大峰值电流，则加工的稳定性变差，加工速度明显下降，甚至断丝。辽阳职业技术学院2．脉冲宽度ti对工艺指标的影响在其他条件不变的情况下，增大脉冲宽度ti，线切割加工的速度提高，表面粗糙度变差。这是因为当脉冲宽度增加时，单个脉冲放电能量增大，放电痕迹会变大。同时，随着脉冲宽度的增加，电极丝损耗也变大。因为脉冲宽度增加，正离子对电极丝的轰击加强，结果使得接负极的电极丝损耗变大。当脉冲宽度ti增大到一临界值后，线切割加工速度将随脉冲宽度的增大而明显减小。因为当脉冲宽度ti达到一临界值后，加工稳定性变差，从而影响了加工速度。辽阳职业技术学院3．脉冲间隔to对工艺指标的影响在其他条件不变的情况下，减小脉冲间隔to，脉冲频率将提高，所以单位时间内放电次数增多，平均电流增大，从而提高了切割速度。脉冲间隔to在电火花加工中的主要作用是消电离和恢复液体介质的绝缘。脉冲间隔to不能过小，否则会影响电蚀产物的排出和火花通道的消电离，导致加工稳定性变差和加工速度降低，甚至断丝。当然，也不是说脉冲间隔to越大，加工就越稳定。脉冲间隔过大会使加工速度明显降低，严重时不能连续进给，加工变得不稳定。辽阳职业技术学院在电火花成型加工中，脉冲间隔的变化对加工表面粗糙度影响不大。在线切割加工中，在其余参数不变的情况下，脉冲间隔减小，线切割工件的表面粗糙度数值稍有增大。这是因为一般电火花线切割加工用的电极丝直径都在0.25mm以下，放电面积很小，脉冲间隔的减小导致平均加工电流增大，由于面积效应的作用，致使加工表面粗糙度值增大。脉冲间隔的合理选取，与电参数、走丝速度、电极丝直径、工件材料及厚度有很大关系。因此，在选取脉冲间隔时必须根据具体情况而定。当走丝速度较快、电极丝直径较大、工件较薄时，因排屑条件好，可以适当缩短脉冲间隔时间。反之，则可适当增大脉冲间隔。辽阳职业技术学院综上所述，电参数对线切割电火花加工的工艺指标的影响有如下规律：(1)加工速度随着加工峰值电流、脉冲宽度的增大和脉冲间隔的减小而提高，即加工速度随着加工平均电流的增加而提高。实验证明，增大峰值电流对切割速度的影响比用增大脉宽的办法显著。(2)加工表面粗糙度数值随着加工峰值电流、脉冲宽度的增大及脉冲间隔的减小而增大，不过脉冲间隔对表面粗糙度影响较小。辽阳职业技术学院实践表明，在加工中改变电参数对工艺指标影响很大，必须根据具体的加工对象和要求，综合考虑各因素及其相互影响关系，选取合适的电参数，既优先满足主要加工要求，又同时注意提高各项加工指标。例如，加工精密小零件时，精度和表面粗糙度是主要指标，加工速度是次要指标，这时选择电参数主要满足尺寸精度高、表面粗糙度好的要求。又如加工中、大型零件时，对尺寸的精度和表面粗糙度要求低一些，故可选较大的加工峰值电流、脉冲宽度，尽量获得较高的加工速度。此外，不管加工对象和要求如何，还需选择适当的脉冲间隔，以保证加工稳定进行，提高脉冲利用率。因此选择电参数值是相当重要的，只要能客观地运用它们的最佳组合，就一定能够获得良好的加工效果。辽阳职业技术学院慢走丝线切割机床及部分快走丝线切割机床的生产厂家(如北京阿奇公司)在操作说明书中给出了较为科学的加工参数表。在操作这类机床中，一般只需要按照说明书正确地选用参数表即可。而对绝大部分快走丝机床而言，初学者可以根据操作说明书中的经验值大致选取，然后根据电参数对加工工艺指标的影响具体调整。4．极性线切割加工因脉宽较窄，所以都用正极性加工，否则切割速度变低且电极丝损耗增大。辽阳职业技术学院5.3非电参数对工艺指标的影响5.3.1电极丝及其材料对工艺指标的影响1．电极丝的选择目前电火花线切割加工使用的电极丝材料有钼丝、钨丝、钨钼合金丝、黄铜丝、铜钨丝等。采用钨丝加工时，可获得较高的加工速度，但放电后丝质易变脆，容易断丝，故应用较少，只在慢走丝弱规准加工中尚有使用。钼丝比钨丝熔点低，抗拉强度低，但韧性好，在频繁的急热急冷变化过程中，丝质不易变脆、不易断丝。辽阳职业技术学院钨钼丝(钨、钼各占50％的合金)加工效果比前两种都好，它具有钨、钼两者的特性，使用寿命和加工速度都比钼丝高。铜钨丝有较好的加工效果，但抗拉强度差些，价格比较昂贵，来源较少，故应用较少。采用黄铜丝做电极丝时，加工速度较高，加工稳定性好，但抗拉强度差，损耗大。目前，快走丝线切割加工中广泛使用钼丝作为电极丝，慢走丝线切割加工中广泛使用直径为0.1mm以上的黄铜丝作为电极丝。辽阳职业技术学院2．电极丝的直径表5-1几种直径的钼丝的最小拉断力丝径/mm最小拉断力/N0.062～30.083～40.107～80.1312～130.1514～160.1818～200.2222～25辽阳职业技术学院电极丝的直径是根据加工要求和工艺条件选取的。在加工要求允许的情况下，可选用直径大些的电极丝。直径大，抗拉强度大，承受电流大，可采用较强的电规准进行加工，能够提高输出的脉冲能量，提高加工速度。同时，电极丝粗，切缝宽，放电产物排除条件好，加工过程稳定，能提高脉冲利用率和加工速度。若电极丝过粗，则难加工出内尖角工件，降低了加工精度，同时切缝过宽使材料的蚀除量变大，加工速度也有所降低；若电极丝直径过小，则抗拉强度低，易断丝，而且切缝较窄，放电产物排除条件差，加工经常出现不稳定现象，导致加工速度降低。细电极丝的优点是可以得到较小半径的内尖角，加工精度能相应提高。表5-1是常见的几种直径的钼丝的最小拉断力。快走丝一般采用0.10～0.25mm的钼丝。辽阳职业技术学院3.走丝速度对工艺指标的影响对于快走丝线切割机床，在一定的范围内，随着走丝速度(简称丝速)的提高，有利于脉冲结束时放电通道迅速消电离。同时，高速运动的电极丝能把工作液带入厚度较大工件的放电间隙中，有利于排屑和放电加工稳定进行。故在一定加工条件下，随着丝速的增大，加工速度提高。图5-1为快走丝线切割机床走丝速度与切割速度关系的实验曲线。实验证明：当走丝速度由1.4m/s上升到7～9m/s时，走丝速度对切割速度的影响非常明显。若再继续增大走丝速度，切割速度不仅不增大，反而开始下降，这是因为丝速再增大，排屑条件虽然仍在改善，蚀除作用基本不变，但是储丝筒一次排丝的运转时间减少，使其在一定时间内的正反向换向次数增多，非加工时间增多，从而使加工速度降低。辽阳职业技术学院图5-1快速走丝方式丝速对加工速度的影响02468101214102030405060vs/(m/s)vw/(mm2/min)辽阳职业技术学院对应最大加工速度的最佳走丝速度与工艺条件、加工对象有关，特别是与工件材料的厚度有很大关系。当其他工艺条件相同时，工件材料厚一些，对应于最大加工速度的走丝速度就高些，即图5-1中的曲线将随工件厚度增加而向右移。在国产的快走丝机床中，有相当一部分机床的走丝速度可调节，比如深圳福斯特数控机床有限公司生产的线切割机床的走丝速度有3m/s、6m/s、9m/s、12m/s，可根据不同的加工工件厚度选用最佳的加工速度(如表5-2所示)；还有另外一些机床只有一种走丝速度，如北京阿奇公司的FW系列快走丝机床的走丝速度为8.7m/s。辽阳职业技术学院表5-2丝速选择范围表丝速/(m/s)36912适合加工厚度/mm适用于上丝或多次切割＜40＜150＞150辽阳职业技术学院对于慢走丝线切割机床，同样也是走丝速度越快，加工速度越快。因为慢走丝机床的电极丝的线速度范围约为每秒零点几毫米到几百毫米。这种走丝方式是比较平稳均匀，电极丝抖动小，故加工出的零件表面粗糙度好、加工精度高；但丝速慢导致放电产物不能及时被带出放电间隙，易造成短路及不稳定放电现象。提高电极丝走丝速度，工作液容易被带入放电间隙，放电产物也容易排出间隙之外，故改善了间隙状态，进而可提高加工速度。但在一定的工艺条件下，当丝速达到某一值后，加工速度就趋向稳定(如图5-2所示)。慢走丝线切割机床的最佳走丝速度与加工对象、电极丝材料、直径等有关。现在慢走丝机床的操作说明书中都会推荐相应的走丝速度值。辽阳职业技术学院图5-2慢速走丝方式丝速对加工速度的影响vs/(mm/s)vw/(mm2/min)024681012141234辽阳职业技术学院4．电极丝往复运动对工艺指标的影响快走丝线切割加工时，加工工件表面往往会出现黑白交错相间的条纹(如图5-3所示)，电极丝进口处呈黑色，出口处呈白色。条纹的出现与电极丝的运动有关，这是排屑和冷却条件不同造成的。电极丝从上向下运动时，工作液由电极丝从上部带入工件内，放电产物由电极丝从下部带出。这时，上部工作液充分，冷却条件好，下部工作液少，冷却条件差，但排屑条件比上部好。工作液在放电间隙里受高温热裂分解，形成高压气体，急剧向外扩散，对上部蚀除物的排除造成困难。辽阳职业技术学院这时，放电产生的炭黑等物质将凝聚附着在上部加工表面上，使之呈黑色；在下部，排屑条件好，工作液少，放电产物中炭黑较少，而且放电常常是在气体中发生的，因此加工表面呈白色。同理，当电极丝从下向上运动时，下部呈黑色，上部呈白色。这样，经过电火花线切割加工的表面，就形成黑白交错相间的条纹。这是往复走丝工艺的特性之一。辽阳职业技术学院图5-3与电极丝运动方向有关的条纹电极丝运动方向工件加工表面辽阳职业技术学院由于加工表面两端出现黑白交错相间的条纹，使工件加工表面两端的粗糙度比中部稍有下降。当电极丝较短、储丝筒换向周期较短或者切割较厚工件时，如果进给速度和脉冲间隔调整不当，尽管加工结果看上去似乎没有条纹，实际上条纹很密而互相重叠。电极丝往复运动还会造成斜度。电极丝上下运动时，电极丝进口处与出口处的切缝宽窄不同(如图5-4所示)。宽口是电极丝的入口处，窄口是电极丝的出口处。故当电极丝往复运动时，在同一切割表面中电极丝进口与出口的高低不同。这对加工精度和表面粗糙度是有影响的。图5-5是切缝剖面示意图。由图可知，电极丝的切缝不是直壁缝，而是两端小、中间大的鼓形缝。这也是往复走丝工艺的特性之一。辽阳职业技术学院图5-4电极丝运动引起的斜度工件电极丝辽阳职业技术学院图5-5切缝剖面示意图电极丝上下工件辽阳职业技术学院对慢走丝线切割加工，上述不利于加工表面粗糙度的因素可以克服。一般慢速走丝线切割加工无须换向，加之便于维持放电间隙中的工作