电火花线切割加工综述讲解

电火花线切割加工
摘要：近年来，随着在我国国民经济的飞速发展，特别是工业技术飞速发展的新形势下，急需发展模具加工技术，而数控电火花切割技术正是模具加工工艺领域中的一种关键技术。

目前在电机，仪表等行业新产品的研制开发过程中，常采用数控电火花线切割方法直接切割出零件，大大缩短了研制周期，并降低了成本。

在众多工业产品的生产过程中，都用到了数控电火花切割机床，如飞机制造、汽车模具制造、手机零部件的生产等，因此电火花机床的研究与改进是我国国内市场的需要，也能为我国的工业的发展起一定的作用。

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

本文以电火花线切割为主线，综合了线切割的发展，电火花线切割机床，电火花线切割加工质量及其影响因素，电火花线切割加工程序编制等。

把以前学过的基础课程融汇到综合应用本次论文当中来，所谓学以致用。

关键词：工业生产电火花线切割发展史加工质量程序编制
目录
摘要 (1)
第一章电火花线切割的结介绍 (3)
1.1电火花线切割的发展 (3)
1.2 电火花线切割机床的类型 (4)
第二章电火花线切割加工原理 (6)
2.1 脉冲电源 (6)
2.2 机械系统 (7)
2.3 断丝机理 (10)
2.4 加工控制 (11)
第三章电火花线切割加工质量 (12)
3.1 电火花线切割加工精度 (12)
第四章电火花线切割加工工作环境 (13)
第五章电火花线切割加工的应用 (14)
第六章电火花线切割加工的特点 (14)
6.1．试制新产品 (14)
6.2．加工特殊材料 (15)
6.3．加工模具零件 (15)
6.4电火花线切割加工的应用领域 (15)
参考文献 (16)
第一章电火花线切割的介绍
1.1电火花线切割的发展
1.1.1 电火花线切割机的产生
20世纪中期，苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀的现象和原因时，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，线切割放电机也于1960年发明于苏联。

当时以投影器观看轮廓面前后进给工作台面加工，其实认为加工速度虽慢，却可加工传统机械不易加工的微细形状。

代表的实用例子是化织喷嘴的异型孔加工。

1.1.2 国内线切割机的发展
五十年代，电火花加工开始被认识，电火花机床开始进入加工领域，虽然当时只能解决硬度问题，打些丝锥钻头之类。

但这是电加工在模具行业大行其道的开始。

这时人们已经认识到如果“钢丝锯” 加上“电火花”，“锯”有硬度的淬火钢应是可能的。

于是，让一个轴上储的大量铜丝经两个导向轮缠绕到另一个储丝轴上，两个导向轮间放上工件，工件接RC电源的正极，铜丝接RC电源的负极，就实现了火花切割。

尽管当时两个储丝轴像电影片盘一样的更换，尽管当时以各种摩擦方式制造丝的张力，也尽管当时以防锈防臭的磨床冷却液做加工液，必竟实现了“线电极火花切割”。

六十年代初期，某些军工企业和模具行业骨干厂以技术革新、自制自用的形式开始制造“线切割”。

大多是用铜丝、丝速2~5米/分、RC电源，至多是电子管脉冲源，控制方式业多是手摇和靠模。

就这样切出的如山字形矽钢片和电子管极板冲模仍是另人瞩目。

随着电子控制技术发展，放大样板、仿形和光电跟踪的控制方式也一度推动了线切割的进步。

1.1.3 国外线切割机的发展
国外的线切割机初始于六十年代末期，并首先在日本、瑞士产业化，商品化。

一开始他们的基本模式是这样的：依托PC机的强大功能资源，精密机械制造的传统优势，力求高精度、自动化。

用铜丝，Φ0。

3~0。

35mm丝径，一次性使用，丝速2~6米/分，无害化的去离子水。

早期的慢走丝与快速往复走丝相比，精度、光洁度占优，而速度、切厚能力、内尖角的清根能力和操作方便均不及。

快慢走丝呈相互拟补，相互竞争，相互促进，各具特色，各展所长，将是长期共存的局面。

快走丝不经铺垫直接卖到国外的可能很小，慢走丝也不可能把快走丝淘汰出局。

凭借快走丝的廉价和实用，用示范推广的办法首先介绍到国外的某个地区，被认识和采用的可能也是有的。

1.2 电火花线切割机床的类型
1.2.1 按电极丝运行速度分
（一）高速电火花线切割机床（往复走丝电火花线切割机床）
高速电火花线切割机床的走丝速度为6～12 m/s，是我国独创的机种。

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。

（二）低速线切割机床
低速线切割机床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)等绝缘介质机床结构精密，技术含量高，机床价格高，因此使用成本也高。

（三）立式回转电火花线切割机床
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，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。

1.2.2 按电极丝运动轨迹的控制形式分
（一）靠模仿形控制电火花线切割机床
靠模仿形电火花线切割机床，其在进行线切割加工前，预先制造出与工件形状相同的靠模，加工时把工件毛坯和靠模同时装夹在机床工作台上，在切割过程中电极丝紧紧的贴着靠模边缘作轨迹运动，从而切割出与靠模形状和精度相同的工件。

（二）光电跟踪控制电火花线切割机床
光电跟踪控制电火花线切割机床，其在进行线切割前，先根据零件图样按一
定比例描绘出一张光电跟踪图，加工时将图样置于机床的光电跟踪台上，跟踪台上的光点头始终追随墨线图形的轨迹运动，再借助于电气、机械的联动，控制机床工作台连同工件相对电极丝做相似形的运动，从而切割出与图样形状相同的工件。

（三）数字程序控制电火花线切割机床
数字程序控制电火花线切割机床，采用先进的数字化自动控制技术，驱动机床按照加工前根据工件几何形状参数预先编制好的数控加工程序自动完成加工，不需要制作靠模样板也无需绘制放大图，比前面两种控制形式具有更高的加工精度和广阔的应用范围，目前国内外95%以上的电火花线切割人机床都以采用数字化。

1.2.3 电火花线切割的应用范围
在目前的生产中，数控电火花线切割技术应用广泛，不仅是因其加工效率高精度高，更重要的是其加工范围广泛。

数控电火花线切割可加工下列工件：
1、电火花成形用电极
线切割技术适合加工一般穿孔加工用、带锥度型腔加工用及微细复杂形状的电极，同时还有铜钨、银钨合金之类的电极材料。

2、模具
适用于加工各种形状的冲模、注塑模、挤压模、粉末冶金模、弯曲模等。

3、零件
适合于线切割加工的零件：
1)各种形状孔及键槽；
2)齿轮内外齿形；
3)窄长冲模；
4)斜直纹表面曲面体;
5)各种平面图案。

利用线切割加工零件的优势：可加工试验样件、各种型孔、特殊齿轮凸轮、成型刀具等复杂形状零件及高硬材料的零件；可进行微细结构、异形槽和标准缺陷的加工；可在坯料上直接割出零件；加工薄件时可多片叠在一起加工
第二章 电火花线切割加工机理
2.1 脉冲电源
电火花线切割的加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电源转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给电极放点间隙所需要的能量来蚀除金属。

脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大影响。

电火花线切割脉冲电源的形式品种很多，如晶体管矩形波脉冲电源、高频分组脉冲电源、节能型脉冲电源等。

2.1.1 对脉冲电源的要求
对电火花线切割加工用脉冲总的要求是：
（1）有较高的加工速度 不但在粗加工时要有较高的加工速度，而且在精加工
时也应具有较高的加工速度。

（2）工具电极损耗低
（3）加工过程稳定性好 在给定的各种脉冲参数下能保持稳定加工，抗干扰能
力强、不易产生电弧放电、可靠性强、操作方便。

（4）工艺范围广 不仅能适应粗、中、精加工的要求，而且要适应不同工件材
料的加工。

脉冲电源要都满足上述要求是困难的，一般来说，为了满足这些总的要求，对电火花线切割加工脉冲电源的具体要求是：
1） 所产生的脉冲应该是单向的，没有负半波或负半波很小，这样才
能最大限度的利用极性效应，不过受工件表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制，线切割加工脉冲电源的脉宽较窄（2～60μs ）,单个脉冲能量、平均电流（1～5A ）一般较小，所以线切割加工总是采用正极性加工。

2） 脉冲的主要参数，如峰值电流 e i 、脉冲宽度t i 、脉冲间隔t 0
等应能在很宽的范围内调节，以满足粗、中、精加工的要求。

3）脉冲电源不仅要考虑工作稳定可靠、成本低、寿命长、操作维修方便和体积小等问题，还要考虑节省电能。

2.1.2 晶体管矩形波脉冲电源
晶体管矩形波脉冲电源是利用功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲的。

它具有脉冲频率高、脉冲参数容易调结、脉冲波形较好、易于实现多回路加工和自适应控制等自动化要求的有点，所以应用非常广泛，特别在中、小型脉冲电源中，都采用晶体
2.1.3 高频分组脉冲电源
高频分组脉冲波形如图2所示，它是矩形波派生的一种波形，即把较高频率的小脉宽t i和小脉间t0的矩形波脉冲分组成为大脉宽T i和大脉间T0输出。

矩形波脉冲电源对提高切割速度和减小表面粗糙度这两项指标是相互矛盾的，高频分组脉冲波形在一定程度上能解决这两者的矛盾，在相同工艺条件下，可获得较好的加工工艺效
2.1.4 节能型脉冲电源
为了提高电能利用率，近年来除用电感元件L来代替限流电阻，避免了发热损耗外，还把L中剩余的电能反输给电源。

图4为这类节能电源的主回路原理及其
2.1.5 低速走丝线切割加工的脉冲电源
低速走丝线切割加工有其特殊性：一是丝速较低，电蚀产物的排泄效果不佳；二是昂贵的设备，必须有较高的生产率，为此常采用镀锌的黄铜丝作线电极，当火花放电时瞬时高温使低熔点的锌迅速溶化、气化爆炸式地、尽可能多地把工件上熔融的金属液体抛入工作液中。

因此要求脉冲电源有较大的峰值电流，一般都在100～500A，但脉宽t
极短（0.1～1μs），否则电极丝将被烧断。

e
2.2 机械系统
机床是线切割加工设备的主要部分，其结构形式和制造精度都直接影响到加工性能。

机床一般由床身、工作台、走丝机构、丝架、工作液循环系统等几部分组成。

2.2.1．床身
床身为机床的支撑体，是安装其他部件的基础，通常采用箱式结构。

床身内部放置机床电器。

2.2.2．工作台
工作台部件用来安放工件。

由上下拖板、导轨、丝杆螺母副及变速机构4部分组成，其工作原理是驱动电动机通过变速机构将动力传递给丝杆螺母副，丝杆螺母副将传递过来的旋转运动变成沿坐标轴的直线运动，从而获得各种平面图形的曲线轨迹。

工作台的传动通常采用高精度丝杆螺母副，为保证定位精度和灵敏度，传动丝杠与螺母之间必须消除间隙。

2.2.3．走丝机构
走丝机构可分为高速走丝机构和低速走丝机构。

高速走丝机构的电极丝做高速往复运动，一般走丝速度为8～10 m／s,走丝速度等于储丝筒周边的线速度，在运动过程中，电极丝由丝架支撑，并依靠导轮保持电极丝与工作台垂直或倾斜一定的几何角度；
低速走丝机构的电极丝做低速单向运动，一般走丝速度低于0.2 m／s，
图5 快速走丝线切割机床
2.2.4.工作液
工作液循环电火花线切割加工必须在工作液中进行，其方式可将被加工工件浸在工作液中，也可以采用电极丝冲液的方式。

一般情况下，工作液应具有以下几个方面的要求：
(1)工作液应具有一定的绝缘性。

绝缘能力过高，介质击穿所耗能量过大，会降低蚀除量；绝缘能力过低，工作液成了导电体，则不能产生火花放电。

(2)有较好的冷却性能。

电火花放电的局部瞬时温度极高，为了防止产生过热现象，必须使切削部位充分拎却．以带走火花放电时产生的大量热量。

(3)有较好的洗涤性能，利于排屑。

(4)有较好的防锈性能，利于机床维护和工件防锈。

(5)工作液对人体应无害，工作时，不放出有害气体。

不同的工艺条件需要不同的工作液，在低速走丝线切割加工中常采用去离子水和煤油作为工作液；高速走丝线切割加工中常采用乳化液作为工作液。

加工时，工件的厚度、表面粗糙度要求不同，则选取工作液的型号也不同。

另外，工作液的配比对加工的效果也会有很大影响，比如在低速走丝线切割加工中．对不同要求的零件应选取不同导电率的离子水；在高速走丝机床上，新配的工作液加
工效果并不良好．往往要经过一段时间切割后，加工效果才能达到最佳，但工作液不能太脏，否则容易引起电弧放电．烧坏电极。

2.3 断丝机理
造成断丝的原因是多方面的，工件材料的不同、工作液的性能优劣、电极丝的磨损、电极丝的张紧力、机床的导丝结构以及切割工艺参数的合理性等都与稳定线切割加工过程，提高线切割加工质量和延长电极丝的使用寿命有关。

2.3.1.跟工件有关的断丝
（1）工件经热处理后工件内部存在内应力，在切割过程中造成内应力释放，夹住钼丝而造成断丝。

切割工件后，由于废料自重较大，在脱落瞬间夹住钼丝造成断丝。

铸造类零件在铸造过程中可能造成的沙眼、气孔，工件内部有不导电的杂质，在切割过程中可能会拉断丝。

工件表面覆盖层（如塑料薄膜，油漆等）不导电造成的断丝。

2.3.2.跟工作液有关的断丝
（1）工作的浓度不合理造成断丝。

（2）工作液冲刷不足造成的断丝。

和回流通道是否堵塞，工作液喷出速度要合理，对于大厚度零件可以开大工作液喷出速度，使得工作液能充分进入切缝进行冷却和排屑。

（3）工作也不够或者堵塞造成无切削液加工，钼丝很快会烧断。

因此，机床工作过程中要不定时检查工作液是否足够，循环通道是否畅通。

2.3.3.跟走丝机构有关的断丝
（1）跟导电块有关的断丝。

（2）跟导轮有关的断丝。

（3）张紧机构造成的断丝。

（4）储丝筒造成的断丝（5）钼丝在储丝筒上缠绕不合理造成的断丝。

钼（6）储丝筒运转电机的换向机构失灵造成的断丝。

（7）钼丝没有放置在到轮的槽中造成的断丝。

（8）钼丝热胀冷缩造成断丝。

2.3.4 跟编程有关的断丝
（1）工件加工编程路径不合理造成的断丝。

2二次切割造成的断丝。

2.3.5. 跟钼丝本身有关的断丝
（1）钼丝质量差造成的钼丝。

钼丝质量不好可能会造成断丝，应该选择质量好的钼丝进行加工。

（2）钼丝损耗造成的断丝。

正钼丝张紧力不合适造成的断丝。

废除的断丝头造成的断丝。

钼丝打折或者叠丝造成断丝。

2.3.6.跟切割工艺参数有关的断丝
1工艺参数设置不合理造成的断丝。

2工艺参数选择不合理会对钼丝损耗有很大影响，过大的损耗会加快断丝。

3对于大厚度零件，通常排屑困难，工作也很难进入切缝中去，因此进给速度不能太快，否则容易引起短路或拉弧现象，从而很快烧断钼丝。

4对于薄壁类零件，如果进给速度过快，也容易造成频繁短路，钼丝也很容易烧断或拉断。

2.4 加工控制
2.4.1线切割机床的加工原理
（1）线切割——数控电火花线切割加工的简称。

（2）工作原理：利用移动的金属丝作工具电极，并在金属丝和工件间通以脉冲电流，利用脉冲放电的腐蚀作用对工件进行切割加工的。

（3）由于它利用的是丝电极，因此，只能作轮廓切割加工。

（4）工作原理如图6所示。

图6 线切割机床的加工原理
1－－数控装置2－－储丝简3－－导轮4－－电极丝5－－工件6－－喷嘴
7－－绝缘板8－－脉冲发生器9－－液压泵10－－水箱11－－控制步进电动机
（5）当工件与线电极间的间隙足以被脉冲电压击穿时，两者之间即产生火花放电而切割工件。

（6）通过数控装置l发出的指令，控制步进电动机11，驱动X、Y两托板移动，可加工出任意曲线轮廓的工件。

第三章电火花线切割加工质量
3.1 电火花线切割加工精度
加工精度包括：被加工工件的外形精度，位置精度及表面粗糙度。

影响电火花线切割机床加工的因素主要有偏移量、取件位置、切割路线、起点、装夹与定位及引入、超出、超切、回退程序等。

3.1.1 外形精度
1，被加工工件的外形精度是指从XY平面看到的加工外形的平面精度（即尺寸精度），被加工表面的Z向垂直度。

2，提高外形精度：要求切割面的线性度要小。

即：被加工表面要均匀平滑，垂直度小。

3，慢走丝线切割加工的工件多为正腰鼓形，即工件中部凹进，
4，快走丝却相反，一般是工件中部凸出。

3.1.2 位置精度
1，位置精度——是指所切割轮廓间的相对位置偏差。

2，位置精度的决定因素：
a.机床本身的精度，即机床的机械精度和控制精度；
b.操作过程中所选用的定位方式。

3.1.3 加工表面粗糙度
1，表面粗糙度——是指加工后轮廓表面的微观不平度。

2，表示粗糙度的参数主要有：R
ɑ、R
z
、R
y。

3，慢走丝线切割加工的表面粗糙度用下列公式表示：R
y = k
z
t
k
0.38 I
p
0.34
式中：κ
z 为常数；t
k
为脉冲宽度（μs）；I
p
为脉冲峰值电流（A）。

第四章电火花线切割加工工作环境
1．满足线切割机床所要求的空间尺寸
2．选择能承受机床重量的场所
3．选择没有振动和冲击传入的场所。

线切割放电机床是高精度加工设备，如果所放置的地方有振动和冲击，将会对机台造成严重的损伤，从而严重影响其加工精度，缩短其使用寿命，甚至导致机器报废。

4．选择没有粉尘的场所，避免流众多的通道旁边
(1) 线切割放电机器之本身特性，其空气中有灰尘存在，将会使机器的丝杆受到严重磨损，从而影响使用寿命
(2) 线切割放电机器属于计算机控制，计算机所使用的磁盘对空气中灰尘的要求相当严格的，当磁盘内有灰尘进入时，磁盘就会被损坏，同时也损坏硬盘
(3) 线切割放电机本身发出大量热，所以电器柜内需要经常换气，若空气中灰尘太多，则会在换气过程中附积到各个电器组件上，造成电器组件散热不良，从而导致电路板被烧坏掉。

因此，机台防尘网要经常清洁。

5．选择温度变化小的场所，避免阳光通过窗户和顶窗玻璃直射及靠近热流的地方
(1)高精密零件加工之产品需要在恒定的温度下进行，一般为室温20C
(2)由于线切割放电机器本身工作时产生相当大的热量，如果温度变化太大则会对机器使用寿命造成严重影响。

6．选择屏蔽屋：因线切割放电加工过程属于电弧放电过程，在电弧放电过
程中会产生强烈的电磁波，从而对人体健康造成伤害，同时会影响到周围的环境。

7．选择通风条件好，宽敞的厂房，以便操作者和机床能在最好的环境下工作。

第五章电火花线切割加工的特点
（1）它以0.03～0.35mm的金属线为电极工具，不需要制造特定形状的电极。

（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脚
的最小直径R（金属线半径+放电间隙）这样的限制外，任何的限制外，任何复杂的开头都可以加工。

（3）轮廓加工所需加工的余量少，能有效地节约贵重的材料。

（4）可无视电极丝损耗（高速走丝切割采用低损耗脉冲电源；慢速走丝线切
割采用单向连续供丝，在加工区总是保持新电极丝加工），加工精度高
（5）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。

（6）采用乳化液或去离水的工作液，不必担心发生火灾，可以昼夜无人连续
加工。

（7）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。

（8）任何复杂开头的零件，只要能编制加工程序就可以进行加工，因而很适
合小批零件和试制品的生产加工，加工周期短，应用灵活。

（9）采用四轴联动，可加工上，下面异形体，形状扭曲曲面体，变锥度和球
形等零件。

第六章电火花线切割加工的应用
6.1．试制新产品
在新产品开发过程中需要单件的样品，使用线切割直接切割出零件，无需
模具，这样可以大大缩短新产品的开发周期并降低试制成本。

如在冲压生产时，未开出落料模时，先用线切割加工的样板进行成形等后续加工，得到验证后再
制造落料模。

6.2．加工特殊材料
切割某些高硬度，高熔点的金属时，使用机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。

6.3．加工模具零件
电火花线切割加工主要应用于冲模、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，材料为模具钢，过去用分开模和曲线磨削的方法加工，现在改用电火花线切割整体加工的方法，制造周期可缩短
3/4~5/4，成本降低2/3~3/4，配合精度高，不需要熟练的操作工作。

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

6.4电火花线切割加工的应用领域
平面形状的金属模加工冲模、粉末冶金模、拉拔模、挤压模的加工
冲模用凹模的退刀槽加工、塑料用金属压模、塑立体形状的金属模加工
料模等分离面加工
形状复杂的微细电极的加工、一般穿孔用电极的电火花成形加工用电极制作
加工、带锥度型模电极的加工
试制零件的直接加工、批量小品种多的零件加工、试制品及零件加工
特殊材料的零件加工、材料试件的加工
各种卡板量具的加工，凸轮及模板的加工，成形轮廓量规的加工
车刀的成形加工
化纤喷嘴加工、异形槽和窄槽加工、标准缺陷加微细加工
工。