高低双速走丝电火花线切割工艺

高低双速走丝电火花线切割工艺姓名：班级：学号：1.电火花线切割技术简介电火花线切割加工（Wire-cutElectricDischargeMachine，以下简称WEDM）是采用线状电极作为工具对工件进行脉冲放电实现加工的。线切割机床按电极丝的运丝速度可分为高速走丝机床和低速走丝机床。电极丝运动速度7～10m/s的为高速走丝电火花线切割（简称HSWEDM）机床，低于0.2m/s的为低速走丝电火花线切割（简称LSWEDM）机床。国产的绝大多数为HSWEDM机床，国外的和台湾地区都是LSWEDM机床。目前，国内外的线切割机床已占电加工机床的80%以上。1.1加工原理电火花线切割加工的基本原理和电火花成型加工一样，是利用工具电极对工件进行脉冲放电而实现加工的，但是电火花线切割加工无需制作成型电极，而是采用细金属丝（电极丝）作为工具电极。图1为电火花线切割加工示意图。工件和电极丝分别接电源的正负极，电极丝以一定的速度往复或单向运动，不断进入和离开放电区域，同时在电极丝和工件之间浇注放电介质。此时，只要有效控制电极丝相对工件运动的轨迹和速度就能切割出一定形状和尺寸的工件。图1电火花线切割加工示意图1-贮丝筒2-电极丝3-丝架4-导轮5-脉冲电源6-工作台7-工作液箱电火花线切割放电加工的微观过程是热（主要是表面热源）和力（电场力、磁场力、热力、流体力学）等综合作用的过程。这一过程大致可分为介质击穿、放电通道形成、能量转换与传递、电蚀产物的抛出和消电离等四个相对独立又相互连接的阶段。[1]1.2特点电火花线切割具有电火花加工的共性，亦有其自身的特性，其工艺特点为：（1）工件必须是导电材料；（2）材料的去除是靠放电时的电能作用来实现的；（3）工具电极和工件之间不直接接触，几乎没有切削力，所以加工的材料可以选用高硬度的材料（一般加工工件都可在淬火后进行）；（4）加工对象主要是二维型面，当机床上加上能使电极丝作相应倾斜运动的功能后，也可以加工锥面。但是不能加工盲孔；（5）自动化程度高、操作方便，易于实现自动化；（6）不需要制造成形电极，用简单的电极丝即可对工件进行加工。[2]1.3应用范围线切割加工为新产品试制、精密零件加工及模具制造开辟了一条新的工艺途径，适合加工各种特殊性能的材料和各种复杂表面及微细、精密、薄壁以及低刚性零件，因而广泛应用于航空、电子、电器、汽车、家电、轻工等领域。电火花线切割技术用于模具制造已相当成熟，据估计约有75%～80%的电火花线切割机床用于模具加工，因此电火花线切割技术已经成为国内外冲压模制造中不可缺少的重要技术。电火花线切割的具体应用范围如表1所示：表1电火花线切割技术的应用领域分类适用范围二维形状模具冷冲模（冲裁模、弯曲模和拉伸模）、粉末冶金、挤压模、塑料模三维形状模具冲裁模落料凹、三维型材挤压模、拉丝模电火花加工用的电极加工形状复杂、微细通孔用的电极、加工带斜度的型腔电极微细精密加工加工化学纤维喷丝头异性窄缝、槽微型精密齿轮及模具量具轮廓成型刀具外形、样板凸轮及模板试制品及零件加工试制品直接加工多品种、小批量的几何形状复杂的零件以及超大厚度零件特殊材料零件加工半导体材料、铁氧体材料、陶瓷材料、聚晶金刚石1.2.3分类根据电极丝的运行速度，电火花线切割机床通常又分为两大类：一类是高速走丝电火花线切割（HighSpeedWire-cutElectricDischargeMachine,HSWEDM），这类机床的电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为6~12m/s，这是我国生产和使用的主要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式；另一类是低速走丝电火花线切割机（LowSpeedWire-cutElectricDischargeMachine,LSWEDM），这类机床的电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s，这是国外生产和使用的主要机种。2.高速走丝2.1走丝方式高低双速走丝电火花多次切割时，一般也是一次切割成型，后续多次切割提高精度和表面质量。因此，一次切割的首要任务是提高切割效率，而切割精度和表面质量可通过后续多次切割来完成。由前文可知，在一次切割效率方面，LSWEDM显著高于HSWEDM，但LSWEDM高效切割的成本较高，另外，LSWEDM的核心技术，目前国内还难以做到完全消化、吸收，国产的LSWEDM切割效率与国外仍有较大差距。故在高低双速走丝高效切割的走丝方式选择上，本文最终选择了高速走丝切割。高速走丝为我国独创的线切割加工工艺方法，其具有切割厚度大、切割成本低，同时机床的设计、制造技术难度较低，维护和使用极为方便，其工作原理如图1所示。虽然使用乳化液的传统高速走丝线切割效率长期徘徊在较低水平，但随着具有优秀洗涤性能的复合工作液的出现，高速走丝切割工艺指标获得了长足发展。试验条件下，在不明显增加切割成本的前提下，其最高切割效率可达200mm2/min，稳定切割效率为120-140mm2/min，已接近了中档LSWEDM实用的一次切割最高150mm2/min的切割效率，这极大的缩小了两者之间的差距。因此综合技术难度、经济成本、切割效率，一次切割采用高速走丝切割方式对高低双速走丝电火花线切割而言是较佳的选择。2.2供液方式为进一步提高一次切割的切割效率，在采用高速走丝切割工艺的基础上，出于改善放电极间洗涤状态，引进了高压喷液装置。这样在使用复合工作液的条件下，工作液随丝高速带入和高压喷液相结合的极间供液方式，可极大的改善极间的洗涤状态，图2高速走丝高压喷液结构示意图获得较佳的极间工作状态，为继续提高放电能量创造了条件，从而可进一步提高高低双速走丝电火花线切割的首道切割效率。其工作原理如图2所示。2.3张力控制电极丝张力大小对电火花线切割加工效率有着直接的影响，张力越小，对电极丝的振动幅度抑制能力越差，从而引起切缝宽度的增加，在蚀除速度（单位时间蚀除的体积）一定的条件下，切割速度（单位时间电极丝扫过的面积）将会降低。因此，适当增加电极丝张力，以抑制电极丝的抖动，在高低双速走丝高效切割时有利于提高切割效率。老式的HSWEDM上没有恒张力装置，加工一段时间后，一般需要手动紧丝，较为费时费力，现在新式的“中走丝”机床上一般均有恒张力装置，提高了工作效率。目前各种恒张力装置的工作原理不尽相同，但均能不同程度的实现对电极丝张力的控制，提高了加工中电极丝的稳定性。3低速走丝3.1走丝方式高速走丝由于其本身固有的缺陷，切割精度长期徘徊在较低水平，从根本上难有突破。低速走丝则不然，其单向低速走丝方式，可有效提高切割精度，其工作原理如图3所示。因此，为获得高的切割精度，在高低双速走丝后续多次切割中，本文采用了单向低速走丝方式。高低双速走丝后续多次切割一般处于切缝中或去料后的半敞开条件下，具有较好的极间洗涤条件，可大大降低对喷液压力的要求。同时在较小的喷液压力下，可采用复合工作液代替去离子水，以避免昂贵地去离子水装置。此外，低速走丝切割还可使用目前的高频脉冲电源及控制系统。这样在保留低速走丝较高切割精度的优势下，极大的降低了低速走丝系统的设计、制造和使用成本。因此综上所述，1-压紧卷筒2-电极丝自动卷绕电机3-滚筒4-供丝绕线轴5-预张力电机6、14-导论7-恒张力控制轮8-恒张力控制伺服电机9-压紧卷筒10-压紧卷筒11-电极丝12-导丝器13-工件14-导轮15-拉丝卷筒图3低速走丝加工原理图在高低双速走丝电火花线切割后续精加工中，可采用改进后的单向低速走丝加工方式。3.2张力控制电极丝张力对电火花线切割加工精度的影响较大。张力较小时，加工区域段电极丝刚性较低，电极丝容易产生抖动、滞后弯曲等，引起加工尺寸偏差、腰鼓形和塌角等加工误差的产生。在多次切割的后续单边放电切割加工中，较小的张力还会引起电极丝让刀量的增加，使多次切割加工精度降低。因此，在电极丝强度极限下尽可能提高电极丝张力，对提高高低双速走丝电火花线切割后续单向低速走丝多次切割的切割精度至关重要。对于高低双速走丝的低速走丝高精度切割而言，首先不仅要尽可能提高电极丝张力，其次还要对电极丝张力大小精确控制，最后还应保证张力分布的均匀性。而在运丝系统上添加张力精控装置，是一种极为有效的手段。电极丝张力精控装置主要工作过程为，首先通过走丝系统中的检测传感器，实时采取加工区域电极丝张力值并进行相应处理；其次将处理后的实时数据读入控制器，并与通过软件设定的初始值进行比对；最后将比对结果反馈至张力执行机构，从而实现加工中电极丝张力的精确控制。4高低双速走丝电火花线切割工艺研究意义由于我国经济的持续发展，特别是电加工机床的主要应用领域——模具制造业的快速发展以及航空航天、军工、IT、家电、建材等行业需求的不断增长，电加工机床的产量近年来已得到了迅速提升，从上世纪末各种电加工机床年产量1万台左右发展到目前的5万台左右，其中80%以上为WEDM，而HSWEDM又占据了WEDM总数的90％。目前HSWEDM市场保有量为30万台，为我国模具制造业及相关行业的发展提供了有力的装备支撑，但HSWEDM的生产目前很大一部分是在低水平的重复制造，技术上如果没有突破，这一局面还将长期持续下去。作为精密WEDM的LSWEDM是目前电加工机床发展的重中之重，市场对该产品的需求增加很快，目前我国市场每年的需求量接近3000台，且近年每年都以800台左右、4~5亿元的销售额在快速增长，目前世界知名品牌企业已全部完成在中国的本土化，台资企业亦大量涌入内地。LSWEDM技术在经历了一段时间的沉寂后，近年技术上获得了飞速发展，其根本原因是放电机理及相关技术应用的巨大进步所导致的。由于LSWEDM的无电阻纳秒级千安培峰值电流的脉冲电源技术、高速精准检测控制技术及抗干扰技术等相当复杂，机械、电源、控制等各方面要求很高，因此它被视为电加工产品“皇冠上的明珠”。LSWEDM加工的表面质量和精度已能满足精密、复杂、长寿命模具的要求，可以作为精密模具最终加工的主要手段，“以割代磨”的趋势越来越明显。目前，其它加工方法还无法与LSWEDM优异的加工性能相竞争，而且LSWEDM的加工工艺水平及运行的经济性已优于机械磨削。但LSWEDM所取得的令人瞩目的技术进步也是凭借巨大的投入所获得的，由于其放电是建立在去离子水介质条件下的传统间隙放电，对于放电介质的研究基本局限在如何改变去离子水的电导率方面，因此LSWEDM工艺指标提高的手段主要集中在机械、电源、控制等领域，从而也造成了LSWEDM机床制造成本居高不下，运行成本也比较昂贵的局面。因此在目前我国各制造产业占主导地位的仍是HSWEDM。目前我国高精度的LSWEDM主要依赖从国外进口，各生产厂商对其中的关键技术也严格保密。我国大陆电加工企业真正能进行LSWEDM生产并实现销售的仅有曾与日本Sodick公司合资经营的苏州三光科技有限公司和在国家立项攻关支持下经历数十年研究耗资巨大的苏州电加工研究所，年产量不足500台，其产品的技术水平与国外上世纪90年代的相当。我国LSWEDM的研制与生产从20世纪80年代才开始，起步较晚，缺乏对LSWEDM加工机理及基础性研究，产品生产主要依靠拷贝国外技术，发展后劲严重不足。长此以往仅仅靠在别人后面追赶的研究和制造方式将导致LSWEDM的技术水平与国外产品的差距愈拉愈大，希望短期内在技术上获得较大地提高相当困难。另一方面，具有我国自主知识产权的HSWEDM经过了数十年的发展，以其优良的性价比及低廉的运行成本，特别是HSWEDM的制造成本是LSWEDM的1/10，甚至更少，用HSWEDM加工模具的成本又是用LSWEDM加工模具的成本的几十分之一。因此HSWEDM广泛地占据了我国的模具加工市场。但随着模具等加工精度及表面完整性要求的提高，特别是未来电火花线切割加工技术，向着满足更高的生产效率、更高的加工精度而发展，其局限性也愈来愈明显。HSWEDM与LSWEDM两者相比，除了采用的工艺不同外，无论在加工精度、机床功能、自动化程度，还是在可靠性、加工稳定性和加工工艺指标方面，前者较后者的水平均明显低一个档次，并且差距愈来愈大。虽然我