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（Wire cut Electrical Discharge Machining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（Reciprocating type High Speed Wire cut Electrical Discharge Machining俗称“快走丝”）、低速单向走丝电火花线切割机（Low Speed one-way walk Wire cut Electrical Discharge Machining俗称“慢走丝”）
和立式自旋转电火花线切割机（Vertical Wire Electrical Discharge Machining machine tool With Rotation Wire）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6～12 m/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” Medium Speed Wire cut Electrical Discharge Machining）。

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线切割机采用多次切割技术后都能获得好的工艺效果。

多次切割是一项综合性的技术，它涉及到机床的数控精度、脉冲电源、工艺数据库、走丝系统、工作液及大量的工艺问题，并不是简单地在高速走丝机上加上一套运丝变频调速系统即可实现的，只有那些制造精度高，并在诸方面创造了多次切割条件的往复走丝电火花线切割机才能进行多次切割和无条纹切割，并获得显著的工艺效果。

因此我们的生产企业必须充分注意到这个问题，一定要按系统工程来做，真正把这一技术用好，把这一产品做好。

如目前已有一些企业为进一步提高机床本体精度，X、Y坐标工作台采用了直流或交流伺服电机作驱动单元直接驱动滚珠丝杠，同时采用了带螺距补偿功能的全闭环控制，可以利用数控系统对机床的定位精度误差进行补偿和修正。

在保证精度的前提下，减小因长期使用而导致的加工精度下降，延长机床的使用寿命。

运丝系统方面采用特殊（大多数采用金刚石）电极丝保持器，保持电极丝的相对稳定，减小加工过程中电极丝的张力变化。

冷却系统方面改变常用的粗放冷却方式，采取多级过滤并对介电常数等关键参数加以控制，确保精加工的顺利进行。

控制软件方面提供开放的加工参数数据库，可以根据材料的质地、厚度、粗糙度等条件选择对应的加工参数。

相信经过我们的努力，多次切割技术将会更加完善，往复走丝电火花线切割加工技术也将得到更好的应用和发展。

往复走丝电火花线切割机采用多次切割技术后，虽加工质量有明显提高，但它仍然属于高速走丝电火花线切割机的范畴，切割精度和光洁度仍与低速走丝机存在较大差距，且精度和光洁度的保持性也需要进一步提高。

“中走丝机”具有结构简单、造价低以及使用消耗少等特点，因此也有其生存的空间，目前执行的标准仍然是高速走丝机的相关标准，因此生产企业在对用户的宣传上要注意，一定要实事求是。

★注意：
电火花线切割分类:区分快走丝线切割，中走丝线切割，慢走丝线切割。

a：快走丝电火花线切割的走丝速度为6～12 m/s，电极丝作高速往返运动，切割精度较差。

b:中走丝电火花线切割是在快走丝线切割的基础上实现变频多次切割功能，是近几年发展的新工艺。

c：慢走丝电火花线切割的走丝速度为0.2m/s，电极丝做低速单向运动，切割精度很高。

4、电火花线切割加工的应用
线切割加工为新产品试制、精密零件加工及模具制造等开辟了一条新的工艺途径，主要应用与一下几个方面。

1) 试制新产品及零件加工
在新产品开发过程中需要单件的样品，可使用线切割直接切割出零件。

例如，试制切割特殊微电机硅钢片定转子铁芯，由于不需另行制造模具，可大大缩短制造周期，降低成本。

又如，在冲压生产时，未制造落段模时，先用线切割加工的试样进行成型等后续加工，得到验证后在制造落料模。

另外由于线切割加工时修改设计，变更加工程序比较方便，加工薄件时还可多片叠在一起加工。

因此在零件制造方面，可用于加工品种多、数量少的零件，特殊难加工材料的零件，材料试验件、各种型孔、型面、特殊齿轮、凸轮、样板、成型道具等。

有些具有锥度切割的线切割机床可以加工出“天圆地方”等上、下异形面的零件。

同时还可以进行微细加工，异形槽等表面的加工。

2)加工特殊材料
切割某些高硬度、高熔点的金属时，使用机械加工的方法几乎是不可能的，而采用线切割加工既经济又能保证精度。

电火花成型加工用的电极，一般穿孔加工用的电极，带锥度型腔加工用的电极以及銅钨、银钨合金之类的电极材料，用线切割加工特别经济，同时也适用与加工微细复杂形状的电极。

3）加工模具零件
电火花线切割加工主要应用与冲模、挤压模、塑料模、电火花型腔模的电极加工等。

由于电火花线切割加工机床加工速度和精度的迅速提高，目前已达到可与坐标磨床相竞争的程度。

例如，中小型冲模的材料为模具钢，过去用分开模和曲线模削的方法加工，现在改用电火花线切割整体加工的方法，制造周期可缩短四分之三到五分之四，成本降低三分之二到四分之三，配合精度高，不需要熟练的操作工人。

因此，一些工业发达国家的精密冲模的磨削等工序，已被电火花和电火花线切割加工所代替。

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：
电火花线切割加工的机床
1、线切割机床组成
线切割机床组成：床身、储丝机构、线架、xy工作台、油箱等部件组成
绕过储丝筒上的钼丝经过线架作高速往复运动，加工工件固定在xy工作台上，x、 y两方向的运动各由一台步进电动机控制，数控系统每发出一个信号，步进电机就走一步，并通过中间传动机构带动两方向的丝杠旋转，分别使得x 、y工作台进给。

2、线切割的适应对象
主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件。

3、电火花线切割机床分类
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（High Speed Wire-cut Electric Discharge Machine, 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（Low Speed Wire-cut Electric DischargeMachine, 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。

高速走丝
◆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 120-140 mm2/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。

◆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，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。

图 2 高速走丝高压喷液结构示意图
◆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。

低速走丝
◆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，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
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。