特种加工论文

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特种加工及电火花线切割加工技术
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专业：机械设计制造及其自动化
特种加工及电火花线切割加工技术
摘要：随着科技的进步和生产的发展，出现了许多由坚硬而又难加工材料制成的、具有精密公差尺寸和低表面粗糙度的复杂零件的加工，传统的机械加工已经不能满足这些特殊要求零件的加工，从而产生了多种有别于传统机械加工的新加工方法。

这些加工方法广义定义为特种加工技术，其加工原理是将电、热、光、声、化学等能量或组合施加到工件被加工的部位上，从而实现材料的去除。

本文介绍了电火花线切割技术加工的主要特点和应用。

关键词：特种加工；电火花线切割技术；特点；应用
引言
特种加工是指那些不属于传统加工工艺范畴的加工方法,它不同于使用刀具、磨具等直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法。

特种加工是近几十年发展起来的新工艺,是对传统加工工艺方法的重要补充与发展,目前仍在继续研究开发和改进。

直接利用电能、热能、声能、光能、化学能和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。

特种加工中以采用电能为主的电火花加工和电解加工应用较广，泛称电加工。

特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。

20世纪40年代发明的电火花加工开创了用软工具、不靠机械力来加工硬工件的方法。

50年代以后先后出现电子束加工、等离子弧加工和激光加工。

这些加工方法不用成型的工具，而是利用密度很高的能量束流进行加工。

对于高硬度材料和复杂形状、精密微细的特殊零件,特种加工有很大的适用性和发展潜力,在模具、量具、刀具、仪器仪表、飞机、航天器和微电子元器件等制造中得到越来越广泛的应用。

特种加工的发展方向主要是：提高加工精度和表面质量，提高生产率和自动化程度，发展几种方法联合使用的复合加工，发展纳米级的超精密加工等。

特种加工的特点
1、不用机械能，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。

2、不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好
3、微细加工，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。

4、非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件不。

承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工
5、两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其综合加工效果明显，且便于推广使用。

6、特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。

特种加工的加工工艺
特种加工工艺是直接利用各种能量，如电能、光能、化学能、电化学能、声能、热能及机械能等进行加工的方法。

1、“以柔克刚”，特种加工的工具与被加工零件基本不接触，加工时不受工件的强度和硬度的制约，故可加工超硬脆材料和精密微细零件，甚至工具材料的硬度可低于工件材料的硬度。

2、加工时主要用电、化学、电化学、声、光、热等能量去除多余材料，而不是主要靠机械能量切除多余材料。

3、加工机理不同于一般金属切削加工，不产生宏观切屑，不产生强烈的弹、塑性变形，故可获得很低的表面粗糙度，其残余应力、冷作硬化、热影响度等也远比一般金属切削加工小。

4、加工能量易于控制和转换，故加工范围广，适应性强。

电火花线切割加工技术
电火花线切割加工（Wire cut Electrical Discharge Machining，简称WEDM），有时又称线切割。

其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。

1. 电火花线切割加工的基本原理
工件安装在工作台上，工作台通常由X轴和Y 轴电动机驱动。

工具电极（电极丝）为直径0.02～ 0.3毫米的金属丝，由走丝系统带动电极丝沿其轴向移动。

走丝方式有两种：①高速走丝，速度为9～10米/秒，采用钼丝作电极丝,可循环反复使用；②低速走丝，速度小于10米/分，电极丝采用铜丝，只使用一次。

脉冲电源加在工件与电极丝之间，一般工件接正极，电极丝接负极。

工件与电极丝之间用喷嘴喷入工作液(乳化液、去离子水等)。

控制系统根据预先输入的工作程序输出相应的信息，使工作台作相应的移动，工件与电极丝靠近。

当两者接近到适当距离时(一般为0.01～0.04毫米)便产生火花放电，蚀除金属。

金属被蚀除后工件与电极丝之间的距离加大，控制系统根据这一距离的大小和预先输入的程序，不断地发出进给信号，使加工过程持续进行。

2. 电火花线切割加工的主要特点
电火花线切割加工除具有电火花加工的基本特点外，还有一些其他特点：
①不需要制造形状复杂的工具电极，就能加工出以直线为母线的任何二维曲
面。

②能切割0.05毫米左右的窄缝。

③加工中并不把全部多余材料加工成为废屑，提高了能量和材料的利用率。

④在电极丝不循环使用的低速走丝电火花线切割加工中，由于电极丝不断更
新，有利于提高加工精度和减少表面粗糙度。

⑤电火花线切割能达到的切割效率一般为20～60毫米2/分，最高可达300
毫米2/分；加工精度一般为±0.01～±0.02毫米，最高可达±0.004毫米；
表面粗糙度一般为Rα2.5～1.25微米,最高可达Rα0.63微米；切割厚度一般为40～60毫米，最厚可达600毫米。

3. 电火花线切割加工的应用领域及研究进展
电火花线切割加工主要用于模具制造，在样板、凸轮、成形刀具、精密细小零件和特殊材料的加工中也得到日益广泛的应用。

此外，在试制电机、电器等产品时，可直接用线切割加工某些零件，省去制造冲压模具的时间，缩短试制周期。

近年来电火花线切割加工无论在加工过程控制,还是改进加工工艺方面都取得了许多新的进展。

主要表现在突破了许多传统观念的束缚,产生了一些新的加工方法,以及一些新的控制和检测方式,这些进展既提高了加工质量,也提高了加工效率,不仅可在去离子水中加工,也可在其他混粉电介质溶液中加工,大大扩展了这一技术的应用领域。

对于电火花线切割加工,特别是加工阶梯状的工件,断丝和加工不稳定始终是降低加工效率的主要因素。

传统的方法是针对工件最薄处来设置加工参数,然而,这样虽然降低了断丝的可能性并保持了
稳定的加工,却大大降低了加工速度。

因为很难在线得到工件的厚度并设置合适的加工参数,因此发展了许多近似数学模型来估计工件的厚度。

这些模型表示了放电能量和材料去除率之间的关系,其中模型系数通过大量的实验获得。

然而这样的静态数学模型只适用于加工厚度逐渐变化的工件,对于厚度突然增加或者减少的工件却不适用。

为此,一个多输入的动态和随机模型被用来描述平均间隙电压,放电频率和机床进给速度之间的关系。

对于iso 能量型的电火花线切割机床,有研究者提出了特定放电能量的概念。

电火花加工过程涉及许多因素,从放电能量的观点看,每一个放电都是一个能量输出,能量分布在工件、电极丝以及在材料去除中的有效能量消耗上。

它受许多因素的影响,比如:工件和电极丝之间的间隙、喷流压力、电介质的导电性以及放电持续时间等;对于典型波形的放电电压和电流,可计算出单次放电能量以及单位时间内的放电能量。

考虑到放电过程中的非正常放电(电弧放电或短路) 以及实际用于材料去除的能量所占总能量的比率,可得出有效放电功率;而被定义为去除单位体积材料的特定放电能量,不但与有效放电功率有关,还受到间隙宽度、工件高度以及电极丝进给速度的影响。

因此,可得出材料去除量与放电频率之间关系的等式。

其中的系数与文献中不
同,前者与放电持续时间、特定放电能量、放电效率、间隙宽度以及正常放电比率有关,而后者只是放电频率的函数,当工件高度改变时加工特性也发生改变,因此在估计到工件高度之前,很难得到正确的厚度辨识系数。

由于影响高度辨识参数的值涉及许多变量且数量庞大,很难在线全部检测到,所以为了简化厚度辨识过程,首先用文献中等式辨识出工件厚度,然后乘上一个修正因子,就得到了最终辨识工件厚度,而修正因子是初始辨识到的工件厚度的函数。

实践证明 ,这种辨识工件厚度的方法是可行的、精确的,辨识误差小于1 mm ,并能很快完成。

在电火花线切割加工过程中,虽然电极丝被施加了特定的张力以尽量保持电极丝的直线性,但由于丝的柔韧性,不可避免地会在加工过程中产生一定的延迟,特别是在丝的中部。

文献中提出了一种结合摄像机和CCD 的技术来测量电极丝经过工件时的偏差,这样,就可建立电极丝的偏差模型,用合适的方法来控制拐角切割,提高零件的加工精度。

在电火花线切割加工中,放电间隙状态对于伺服控制以及脉冲电源的自适应控制是一个很重要的依据。

目前广泛应用的固定阀值法很难用来测量非矩形间隙电压波形,文献提出了浮动阀值法来检测间隙电流和测量与间隙峰值电流成比例变化的电压阀值,这样就可以在线实时地区分 3 种不同的放电状态(开路、放电和短路) 。

参考文献
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