电火花线切割加工方法的研究毕业论文

电火花线切割加工方法的研究毕业论文
1
目录
摘要 (3)
第一章电火花线切割的介绍
1.1 电火花线切割的发展 (4)
1.2 电火花线切割机床的类型 (8)
第二章电火花线切割加工机理
2.1脉冲电源 (11)
2.2机械系统 (21)
2.3断丝机理 (23)
2.4加工控制 (28)
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 (35)
3.2工艺参数对加工精度的影响 (39)
第四章案例分析
4.1 3B格式编程 (42)
4.2 案例一 (44)
4.3 案例二 (46)
结论 (51)
致谢 (52)
参考文献 (53)
2
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。

本次论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
3
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
4
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。

直到1969年，晶体管被广泛应用，开关逻辑电路也成熟了许多。

复旦大学
的几位老师以“与生产实践相结合”成果的方式推出了“数字程序控制线切割
机”，分立元件，四十多块印刷板，数码管和氖灯显示，以手工下线的70步进
电机，双V钢球导轨，丝杠加导轨排丝，F形丝架，。

直到今天，用
钼丝、丝杠加导轨排丝、F形丝架、直径150左右的丝筒、行程开关换向等仍在
延用。

几年，许多无线电专用设备厂相继以“复旦”作”蓝本”生产线切割机，当
时主要问题是元器件质量，控制系统可靠性，。

机械精度问题尚未充分
认识。

进入市场商品化最早的是杭无专，1973年。

年产几十台已令人咋舌了。

当时为买到几只耐压80伏的大功率三极管，要派人持支票到晶体管厂坐等一个
月。

1977年，Z80、8086单片机的上市给线切割带来突飞猛进发展的机遇。

的几
个主要生产厂很快以Z80取代了分立元器件，体积、结构都大为改观。

可靠性已
不是扼喉问题。

产量大幅提高。

几年单片机的型号和功能不断更新，线切割得到
高速发展。

单板机的改型进步，推动操作控制和显示系统的逐渐完善，编程输入、接口
电路、变频、驱动的日臻规，使线切割成了单扳机应用的一个杰作。

市场优势地
位就是这时打下的。

八十年代是线切割大普及的年代，它成了模具行业的主力军，成了机械行业
发展最快的新工种。

以至现在模具行业的不少从业人员离开线切割就不知道怎麽
生产模具。

硬度高形状复杂就无从下手。

计算机在九十年代大发展大普及，在线切割的应用也得到长足发展，用计算机现成的系统，把绘图软件修补改造就能编程，功能控制和接口嫁接过来就能操纵机床，数据存储图形显示又都是线切割的强项。

线切割是IT业大有作为的领域。

当然，强大功能资源的浪费、系统运行的可靠性、缺乏占据全行业主导地位, 易学易懂易普及且实用的软件，是困扰PC机大面积展开成行业主力的关键。

5
据2001年统计，全国快走丝线切割机总保有量约65万台，其中分立元件占1~1。

5%，PC机占13~15%，大部分为单扳机，占85%左右，是行业的主战机型。

至今快走丝线切割机仍是我国特有的，结构简单廉价低耗高可靠，运行成本低，50~100mm/分的速度，0。

01~0。

02mm的精度，尚能满足绝大多场合的需求。

如果有高水平的维护和精细操作，再多花一倍时间，精度到0。

005~0。

01mm之间，光洁度接近慢走丝效果，也是可能的
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、尖角的清根能力和操作方便均不及。

据2001年统计，进口（包括合资仿制）慢走丝线切割机总保有量突破4000台。

但利用率稍差，各使用厂操作水平也有较大差异。

发展至今，慢走丝线切割
6
机又有大幅进步，如操作人性化，以至一台机子可转换世界各种语言界面。

打穿丝孔，自动穿丝，可无人值守，精度可稳定在μ级，0。

8以上的光洁度，最大200mm/分的效率等，但切厚能力仍不及快走丝，尖角的清根能力仍受丝径限制，开机运行成本也太高。

慢走丝线切割机运行成本是这样的：耗电——3200W，3。

2元/小时；耗液（包括水发生器和过滤）——7元/小时；耗丝——0。

4元/米*180米/小时=72元/小时；总计82。

2元/小时。

与快走丝相比约45：1。

如果再考虑100倍以上的购置费。

随着大量新技术的应用，慢走丝线切割机也日臻完善，如自打孔自穿丝，从加热拉长捋直，丝端头处理，细管向工件面的引导定位，高压水的承托和穿认，接触传感，到穿丝成功的判定，简直是精密传动自动控制的典。

再如恒力系统，利用软铁盘在磁粉中转动的阻尼，利用磁场中转子的发电效应，利用双电机的差速差力，反馈控制取得准确的力。

慢速和纯水也使火花不暴露的浸泡加工成为可能，窄脉宽大峰值的应用，使厚度加工能力和最大加工速度也达到很高的水准。

很大程度上，购置慢走丝线切割机成了“追求精度、注重质量、经济实力”的一种展示。

总之，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。

7 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。

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，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
8
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。

（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，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。

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。

9 （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围，目前国外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。

10
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。

11 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
等应能在很宽的围调节，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，都采用晶体管式电源。

如图1所示，控制功率管VT 的基极以形成电压脉宽t 、电流脉宽t e 和脉冲间隔 12
t 0，限流电阻R 1、R 2决定峰值 e i。

2.1.3 高频分组脉冲电源
R 1
¦图 1 晶体管矩形波脉冲电压、电流波形及其脉冲电源
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
13 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果，因而得到广泛应用。

图3为高频分组脉冲电源的电路原理图。

图中的高频脉冲发射器、分组脉冲发生器和与门电路生成高频分组脉冲波形，然后经脉冲放大和功率输出，把高频分组脉冲能量输送到放电间隙。

一般取t0≥t i,T i=(4～6)t i。

图 2 高频分组脉冲电压波形
14
图 3 高频分组脉冲电源的电路原理框图
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波形图。

15
图4 a 中，80～100V （+）的电压和电流经过大功率开关元件VT 1（常用V-MOS 管或TGBT ），由电感元件L 限制电流的突变，在流过工件和钼丝的放电间隙，最后经大功率开关元件VT 2流回电源（-）。

由于用电感L （扼流线圈）代替了限流电阻，当主回路中流过如图4b 中的矩形波电压脉宽t i 时，其电流波形由零按斜
线升至 e i
最大值（峰值）。

当VT 1、VT 2瞬时关断截止时，电感L 中电流不能突然
截止而继续流动，通过两个二极管反输给电源，逐渐减小为零。

把储存在电感L 中的能量释放出来，进一步节约了能量。

由图4b 对照电压和电流波形可见，VT 1、VT 2导通时，电感L 为正向矩形波；
图 4 线切割节能型脉冲电源主回路和波形图
a）主回路图 b）电压电流波形图
b)
¦a)
放电间隙中流过的电流由小增大，上升沿为一斜线，因此钼丝的损耗很小。

当VT1、VT2截止时，由于电感是一储能惯性元件，其上的电压由正变负，流过的电流不能突变为零，而是按原方向流动逐渐减小为零，这一小段“续流”期间，电感把储存的电能经放电间隙和两个二极管反输给电源，电流波形为锯齿形，更加
16
快切割速度，提高电能利用率，降低钼丝损耗。

这类电源的节能效果可达80%以上，控制柜不发热，可少用或不用冷却风扇，钼丝损耗很低，切割20万mm2，钼丝仅损耗0.5μm;当加工电流为5.3A时，切割速度为130mm2/min；当切割速度为50mm2/min时，表面粗糙度Ra≤2.0μm。

此电源已由三光科技获得发明专利。

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 e极短（0.1～1μs），否则电极丝将被烧断。

由此看来，低速走丝的脉冲电源必须能提供窄脉宽、大峰值电流。

结合节能要求，在功放主回路中往往既无限流电阻，又无限流电感（有的利用导线本身很小的潜布电感来适当阻止加工电流过快的增长。

这类脉冲电源的基本原理是由一频率很高（脉宽约0.1～1μs可调）的开关来触发、驱动功率级高频IGBT组件，使其迅速导通，因主回路中无电阻和电感，瞬时流过很大的峰值电流，达到额定值时，主震级开关电路使功率级迅速截止，然后停歇一段时间待放电间隙消电离恢复绝缘后，再由第二个脉冲触发功率级，如此重复循环。

此外，为了防止工件接（+）在水基工作液中的电解（阳极溶解）作用，使得电极丝出、入口处的工作表面发黑，影响表面质量和外观，有的脉冲电源还具
有防电解功能。

具体原理是在脉冲停歇时间，使工件上带10V左右的负电压。

17
2.1.6 脉冲电源参数
电火花加工用脉冲电源即脉冲发生器，它的作用是把普通50H2的交流电转
表1 快走丝线切割加工脉冲参数的选择
换成频率较高的单向脉冲电流，以使电极间隙产生电火花放电来蚀除金属。

脉冲电源对放电加工的加工速度、表面质量、加工过程的稳定性和工具电极的损耗等技术经济指标有很大的影响。

脉冲电源参数包括电流峰值、脉冲宽度、脉冲间隔、空载电压、放电电流，快走丝线切割加工脉冲参数的选择见表1，快走丝线切割加工脉冲参数的选择见表2。

1．电流峰值
电流峰值指短路时放电电流的瞬时最大值，在其他参数不变时，电流峰值增大，切割速度明显增大，但表面质量会变差，电极丝的损耗加大甚至断丝。

2．脉冲宽度
脉冲宽度是指脉冲电流持续的时间，在其他参数不变时，脉冲宽度增大，切
18 割速度明显加快，电蚀物随之增加，来不及排出，造成切割过程不稳，反而使切割速度下降，表面质量变差，电极丝的损耗加大甚至断丝。

试验证明改变脉冲宽度不如改变电流峰值对切割速度影响显著。

3．脉冲间隔
脉冲间隔是指两个连续脉冲之间的时间，它直接影响平均电流，在其他参数不变时，脉冲间隔减小相当与增加了单位时间的放电次数，平均电流增大，切割速度加快，但脉冲间隔过小，会造成电弧放电和断丝。

4．空载电压
空载电压是指放电间隙被击穿之前的极间峰值电压，对电流峰值和加工间隙有影响。

提高空载电压，加工间隙增大，切缝宽，易排屑，提高了切割速度和加工稳定性，但易造成电极丝振动，使加工面质量变差，也会造成电极丝损耗增大。

5．放电波形
电流波形的前沿上升比较缓慢时，电极丝损耗少，不过当脉冲宽度很窄时，必须要有陡的前沿才能进行有效的切割。

在相同的工艺条件下，高频分组脉冲常常能获得较好的加工效果。

表2 慢走丝线切割加工脉冲参数的选择
20 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。

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。

床身部放置机床电器。

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。

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，。