电火花切割原理讲解.docx

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电火花切割原理讲解

电火花线切割加工概述

　电火花线切割机（WirecutElectricalDischargeMachining简称WEDM），属电加工范畴，是由前苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法。

线切割机也于1960年发明于前苏联，我国是第一个用于工业生产的国家

1、电火花线切割加工原理

在电火花线切割加工中，利于移动的细金属导线（铜丝或钼丝）作一个电极，工件作另一个电极，并按照预定的轨迹运动，通过不断的火花放电对工件进行放电蚀除，以切割出成型的各种二维、三维表面。

及也就是自由正离子和电子在场中积累，很快形成一个被电离的导电通道。

在这个阶段，两板间形成电流。

导致粒子间发生无数次碰撞，形成一个等离子区，并很快升高到8000到12000度的高温，在两导体表面瞬间熔化一些材料，同时，由于电极和电介液的汽化，形成一个气泡，并且它的压力规则上升直到非常高。

然后电流中断，温度突然降低，引起气泡内向爆炸，产生的动力把溶化的物质抛出弹坑，然后被腐蚀的材料在电介液中重新凝结成小的球体，并被电介液排走。

然后通过NC控制的监测和管控，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。

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

2、电火花线切割加工的特点

电火花线切割加工的过程的工艺和机理与电火花穿孔成型加工既有共同性，又有特殊性。

★电火花线切割加工与电火花穿孔成型加工的共同点

两者在加工原理、工作机理、工艺、适应材料等方面相同，具体表现为：

（1）线切割加工的电压、电流波形与电火花加工的基本相似。

单个脉冲也有多种形式的放电形态，如开路、短路、正常火花放电等。

（2）线切割加工的加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺规律，材料的可加工性等也都与电火花加工的基本相似，可以加工硬质合金等一切导电材料。

★电火花线切割加工与电火花穿孔成型加工的不同点

两者在加工极性、工作液、放电状态、接触方式、电极形式、电极丝的加工特点、工具损耗等方面有不同处，具体表现为：

（1）以0.03~0.35mm的金属丝作为工具电极，不需要制造特定形状的电极因而省掉了成型的工具电极，大大降低了成型工具电极的设计和制造费用。

用简单的工具电极，靠数控技术实现复杂的切割轨迹，缩短了生产准备时间，加工周期短，这不仅对新产品的试制很有意义，对大批量生产也增加了快速性和柔性。

（2）虽然加工的对象主要是平面形状，但是除了有金属丝直径决定的内侧转弯的最小直径R（金属线半径+放电间隙）这样的限制外，任何复杂的形状都可以加工。

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。

（3）轮廓加工所需的加工余量少，能有效节约贵重的材料。

由于电极丝比较细，可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件。

又由于切缝很窄，且只对工件材料进行“套料”加工，实际金属去除量很少，因此材料的利用率很高，这对加工、节约贵重金属有着重要意义。

（4）可忽略电极丝损耗，加工精度高。

高速走丝线切割采用低损耗脉冲电源；低速走丝线切割采用单向连续供丝，在加工区总是保持新电极丝加工。

由于采用移动的长电极丝进行加工，使单位长度电极丝的损耗较少，从而对加工精度的影响比较小，特别在低速走丝线切割加工时，电极丝一次性使用，电极丝损耗对加工精度的影响更小。

正是电火花线切割加工有许多突出的长处，因而在国内、外发展都较快，已获得了广泛的应用。

（5）电极与工件之间存在着“疏松接触”式轻压放电现象。

近年来的研究结果表明，当柔性电极丝与工件接近到通常认为的放电间隙时，并不发生火花放电，甚至当电极丝已经接触到工件，从显微镜中已经看不到间隙时，也常常看不到火花。

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，才发生正常的火花放电。

及每进给1微米，放电间隙并不减小1微米，而是钼丝增加一点张力，向工件增加一点侧向压力，只有电极丝和工件之间保持一定的轻微接触压力，才形成火花放电。

因此可以认为，在电极丝和工件之间存在着某中电化学产生的绝缘薄膜介质，当电极丝被顶弯所造成的压力和电极丝相对工件的移动摩擦使这种介质减薄到可被击穿的程度，才发生火花放电。

放电发生之后产生的爆炸力可能使电极丝局部振动而脱离接触，但宏观上仍是轻压放电。

（6）采用乳化液或去离子水的工作液，不必担心发生火灾，可实现昼夜无人看守连续加工。

采用水或水基工作液，不会引燃起火，容易实现安全无人运转。

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。

电解效应有益改善加工表面的粗糙度。

（7）一般没有稳定的电弧放电状态。

因而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时更是如此，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的。

但往往在单个脉冲内有多种放电状态，有“微开路”、“微短路”现象。

（8）任何复杂形状的零件，只要能编制加工程序就可以进行加工，因而很适合小批量零件和试制品的生产加工，加工周期短，应用灵活。

（9）依靠微型计算机控制电极丝轨迹和间隙补偿功能，同时加工凹、凸两种模具时，间隙可任意调节。

采用四轴联动，可加工上、下面异型体，形状扭曲曲面体，变锥度和球形体等零件。

（10）电极工具是直径较小的细丝，故脉冲宽度、平均电流等不能太大，加工工艺参数的范围较小，属中、精正极性电火花加工，工件常接脉冲电源正极。

3、电火花线切割加工的分类

   电火花线切割机按走丝速度可分为高速往复走丝电火花线切割机（ReciprocatingtypeHighSpeedWirecutElectricalDischargeMachining俗称“快走丝”）、低速单向走丝电火花线切割机（LowSpeedone-waywalkWirecutElectricalDischargeMachining俗称“慢走丝”）和立式自旋转电火花线切割机（VerticalWireElectricalDischargeMachiningmachinetoolWithRotationWire）三类。

又可按工作台形式分成单立柱十字工作台型和双立柱型（俗称龙门型）。

往复走丝电火花线切割机床

　　往复走丝电火花线切割机订的走丝速度为6～12m/s，是我国独创的机种。

自1970年9月由第三机械工业部所属国营长风机械总厂研制成功“数字程序自动控制线切割机床”，为该类机床国内首创。

1972年第三机械工业部对工厂生产的CKX数控线切割机床进行技术鉴定，认为已经达到当时国内先进水平。

1973年按照第三机械工业部的决定，编号为CKX—1的数控线切割机床开始投入批量生产。

1981年9月成功研制出具有锥度切割功能的DK3220型的坐标数控机，产品的最大特点是具有1.5度锥度切割功能。

完成了线切割机床的重大技术改进。

随着大锥度切割技术逐步完善，变锥度、上下异形的切割加工也取得了很大的进步。

大厚度切割技术的突破，横剖面及纵剖面精度有了较大提高，加工厚度可超过1000mm以上。

使往复走丝线切割机床更具有一定的优势。

同时满足了国内外客户的需求。

这类机床的数量正以较快的速度增长，由原来年产量2~3千台上升到年产量数万台，目前全国往复走丝线切割机床的存量已达20余万台，应用于各类中低档模具制造和特殊零件加工，成为我国数控机床中应用最广泛的机种之一。

但由于往复走丝线切割机床不能对电极丝实施恒张力控制，故电极丝抖动大，在加工过程中易断丝。

由于电级丝是往复使用，所以会造成电极丝损耗，加工精度和表面质量降低。

低速单向走丝电火花线切割机

　　低速走丝线切割机电极丝以铜线作为工具电极，一般以低于0.2m/s的速度作单向运动，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5~50um间隙，间隙中充满脱离子水（接近蒸馏水）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，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。

目前精度可达0.001mm级，表面质量也接近磨削水平。

电极丝放电后不再使用，而且采用无电阻防电解电源，一般均带有自动穿丝和恒张力装置。

工作平稳、均匀、抖动小、加工精度高、表面质量好，但不宜加工大厚度工件。

由于机床结构精密，技术含量高，机床价格高，因此使用成本也高。

　　单向走丝电火花线切割机床早期只有国外公司的独有机种台湾的低速走丝电火花线切割机起步虽然较晚，但这几年来发展迅速。

其关键的一个举措就是由若干家电加工机床制造企业共同出资，在有关部门一定限度的支持下，由台湾工业技术研究院投入大量的人力、物力做关键技术的开发。

经过10多年的攻关，在控制系统及电源等关键技术上取得了突破。

台湾各企业制造的低速走丝电火花线切割机目前应属中档机的范围，近3年每年达到20%～30%的增长率，估计未来5年，台湾低速走丝电火花线切割机的年产量能达2000台，可占世界市场的25%以上。

低速走丝电火花线切割机的技术含量高、市场前景好，可以获得较高的回报，是电加工行业各个厂家的“必争之地”、“战略高地”。

也可以说，谁掌握了低速走丝电火花线切割机的技术，谁就获得了下一步企业发展壮大的机遇。

为了抢占中国市场，日本、台湾的电加工机床制造企业在中国大陆设厂生产这类机床。

我国的科技工作者在科技部专项基金的支持下，投入了较大的研发力量，已完成新一代低速走丝电火花线切割机的研发，取得了重大突破，目前已拥有了具有自主知识产权的产品，并占领了一定的市场份额，其性能指标可达中档机水平。

目前还有一些国内企业则希望通过与台湾相关企业的合作，来发展低速走丝电火花线切割加工技术。

立式自旋转电火花线切割机

　　      立式自旋转电火花线切割机（卧式自旋转电火花线切割机）。

立式回转电火花线切割机的特点与传统的高速走丝和低速走丝电火花线切割加工均有不同，首先是电极丝的运动方式比传统两种的电火花线切割加工多了一个电极丝的回转运动；其次，电极丝走丝速度介于高速走丝和低速走丝直接，速度为1～2m/s。

由于加工过程中电极丝增加了旋转运动，所以立式回旋电火花线切割机与其他类型线切割机相比，最大的区别在于走丝系统。

立式回转电火花线切割机的走丝系统由走丝端和放丝端两套结构完全相同的两端做为走丝结构，实现了电极丝的高速旋转运动和低速走丝的复合运动。

两套主轴头之间的区域为有效加工区域。

除走丝系统外，机床其他组成部分与高速走丝线切割机相同。

　　与单向低速走丝电火花线切割机床相比，往复高速走丝电火花线切割机床在平均生产率、切割精度及表面粗糙度等关键技术指标上还存在较大差距。

针对这些差距，本世纪初，国内有数家高速往复走丝电火花线切割机生产企业实现了在高速走丝机上的多次切割加工（该类机床被俗称为“中走丝”MediumSpeedWirecutElectricalDischargeMachining）。

所谓“中走丝”并非指走丝速度介于高速与低速之间，而是复合走丝线切割机床，其走丝原理是在粗加工时采用8-12m/s高速走丝，精加工时采用1-3m/s低速走丝，这样工作相对平稳、抖动小，并通过多次切割减少材料变形及钼丝损耗带来的误差，使加工质量也相对提高，加工质量可介于高速走丝机与低速走丝机之间。

因而可以说，用户所说的“中走丝”，实际上是往复走丝电火花线切割机借鉴了一些低速走丝机的加工工艺技术，并实现了无条纹切割和多次切割。

经过几年的发展，国内几乎所有生产高速走丝电火花线切割机床的厂家都在生产及销售中走丝，但最终表明不是所有的往复走丝电火花线切割机都能进行多次切割，或者说不是所有的往复走丝电火花