快走丝线切割技术

电火花线切割技术

一、原理

电火花加工又称放电加工，加工时工件与加工用电极为极性不同的电极对，电极对之间充满工作液，起到恢复电极间的绝缘状态及带走放电时产生的热量的作用。在正常电火花加工过程中，电极与工件不接触，而是保持一定的距离（称为间隙），在工件与电极间施加一定的电压，当电极向工件进给至某一距离时，两极间的工作液介质被击穿，局部产生火花放电，放电产生的瞬时高温（8000到12000℃左右）将电极对的表面材料融化（钕铁硼主相熔点1185℃）甚至汽化，逐步蚀除工件，通过控制连续不断地脉冲式的火花放电，就可将工件材料按人们预想的要求予以蚀除，达到加工的目的。

其基本物理原理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CNC （数控机床）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。（正负极表面的高温除使工作液气化、热分解气化外，也使金属材料熔化甚至沸腾气化。这些

气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增，在放电间隙内成为气泡，迅速热膨胀并产生爆炸。观察电火花线切割加工过程可以看到气泡冒出，同时有黑色的工作液流出，并可听到轻微而清脆的爆炸声。电火花线切割加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、气化了的金属材料抛出蚀除。）

电火花线切割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、切割成型的一种加工机床。加工时在线电极与工件之间存在的疏松接触式轻压放电现象。通过多年观察研究发现：当柔性电极丝与工件接近到通常认为的放电间隙(例如8～10μm)时，并不发生火花放电，甚至当电极丝已接触到工件，从显微镜中已看不到间隙时，也常常看不到火花，只有当工件将电极丝顶弯并偏移一定距离(亚微米级100-1000nm ) 时才发生正常的火花放电。此时线电极每进给1μm，放电间隙并不减少1μm，而是电极丝增加一点线间张力，而工件则增加一点侧向压力，显然，只有电极丝和工件之间保持一定的轻微接触压力后才能形成火花放电。据此认为在电极丝和工件之间存在着某种电化学产生的绝缘薄膜介质，当电极丝和工

件接触时因其在不停运动，移动摩擦使该绝缘薄膜介质减薄到可被击穿的程度才会发生火花放电。

二、特点

1、电极丝材料不必比工件材料硬；

2、加工过程中不直接接触工件；

3、利用电热加工，其影响加工的因素（脉冲宽度、间隔、电流等）可调整，操作方便，便于自动化；

4、无需成型电极，工件材料预加工少；

5、电极丝很细，可加工复杂形状、微细异形孔、窄缝等，且其切缝小，切除量小，损耗小，节约成本；

6、单位长度电极丝损耗小，对加工精度影响小。

三、应用范围

模具加工、特殊形状、难加工零件、贵重材料加工、多件叠加加工（获得一致尺寸）、制造电火花成型用电极等。

四、工艺指标

1、切割速度Vs ：单位时间内电极丝中心线在工件上切过的面积总和称为切割速度，单位为mm 2/min。

2、表面粗糙度Ra ：用微观轮廓平面度的平均算术偏差值Ra 来表示。

3、加工精度：尺寸精度、形状精度、（如：直线度、平面度、椭圆度）和位置精度（如：平行度、垂直度、倾斜度），其影响因素有：切割轨迹的控制精度、机械传动精度、工件装夹定位精度及脉冲电源参数的波动、电极丝的直径误差以及损耗和抖动、工作液脏污程度的变化、

加工者的熟练程度等。

4、电极丝损耗θ：可用电极丝在切割10000 mm 2后电极丝减少量表示，一般长100m 的钼丝，切割10000 mm2电极丝直径减少0.01mm 。

五、各工艺参数对加工的影响

1、电参数

1.1、脉冲宽度t i 的影响，增加脉冲宽度，切割速度提高，表面粗糙

度变差。（增加脉冲宽度，则单脉冲放电能量增加，当t i >40μs ，加

工速度增加不多，而电极丝损耗却增大）。[通常t i 为1～60μs ，脉

冲频率为10～100KHz]

1.2、脉冲间隔t 。的影响，减小脉冲间隔，切割速度提高，表面粗糙度稍有增大，但太小，放电产物来不及排除，间隙间不能充分消除电离，未回复绝缘状态，易造成烧伤工件或断丝。[一般t 。=4～8t i ，工件增厚，t 。增加]

1.3、开路电压u i 的影响，开路电压峰值提高，加工电流增大，切割

速度提高，表面粗糙度差（高电压使加工间隙变大，有利于放电产物排除，提高加工稳定性和脉冲利用率，但造成电极丝振动，降低加工精度，加大电极丝损耗）。

1.4、短路峰值电流i s 的影响，增加短路峰值电流，切割速度提高，

表面粗糙度会变差，（短路峰值电流大，相应的加工电流大，脉冲能量大，放电痕变大，且电极丝损耗大，从而使加工精度降低。一般情况下，i s

1.5 放电波形的影响，电压波形前沿上升较缓，电极丝损耗较小，但不利于脉冲宽度变窄，波形不易形成，降低切割速度。

1.6 加工极性的影响，线切割加工因脉冲宽度较窄，所以用正极加工，即工件接正极，电极丝接负极，（选用正脉冲波），反接会降低切割速度甚至不能进行切割，并且电极丝损耗大。

1.7 进给速度的影响，进给速度应紧密跟踪工件蚀除速度，以保持加工间隙恒定在最佳之处。（最好的进给速度应使有效放电状态的比例尽量大，开路和短路状态比例尽量小，才能使加工速度、加工精度和表面质量都达到最好状态。）进给速度超过工件蚀除速度，容易造成频繁短路，切割速度降低，表面粗糙度差，上下端面切成焦黄色，断丝概率变大；反之，电极间隙偏大，偏于开路，直接影响切割速度，且间隙中电极丝的振动造成时而开路时而短路，直接影响加工表面粗糙度。

2、非电参数

2.1 机械传动精度的影响，传动精度高，加工效果好。

2.1.1 坐标工作台传动精度的影响，坐标工作台传动精度很大程度上决定线切割的尺寸加工精度，其主要取决于四个因素：传动机构部件的精度（丝杆、螺母、齿轮、蜗杆、导轨等）；配合间隙（丝杆副、齿轮副、蜗轮副及键等的配合间隙）；装配精度（主要是丝杆与螺母的三线对中，齿轮的均匀配合涡轮蜗杆的吻合相切，纵横向两拖板的丝杆与导轨的平行度两拖板导轨间的垂直度）；机床工作环境（温度、湿度、防尘、震动等）。坐标工作台传动精度差，移动的浮动量就大，

导致放电间隙经常发生短路或开路现象，使加工不稳定，常在加工表面留下放电痕迹，甚至出现锯齿状条痕，加工精度和表面粗糙度差。同时脉冲利用率低，降低加工速度，严重时造成断丝。

2.1.2 走丝机构传动精度的影响，电极丝在放电加工区域移动的平稳程度，取决于走丝机构的传动精度，走丝不平稳、速度不均匀，影响加工效果和丝的使用寿命，走丝速度越快，对加工的影响越大。电极丝运动位置由导轮决定，主要由三方面造成：(1)导轮有径向跳动或轴向窜动，导致电极丝振动，振幅与导轮跳动或窜动正相关。实际上，上下导轮的跳动（窜动）可能同时存在的，运动相对复杂，但可以从工件的上下锥度来判断导轮是否有跳动，是哪一个导轮或什么方向上跳动大（在电极丝切割方向里侧的工件对应尺寸较小一端的导轮在跳动或跳动幅度更大，同理，在电极丝切割方向外侧对应尺寸（较小？）一端的导轮在跳动或跳动幅度更大）。导轮有轴向窜动时也有类似的后果。（2）导轮的V 形槽的圆角半径因磨损超过电极丝时，将不能保证电极丝精确位置，通常磨损是不对称的，磨损越深，抖动越大；两导轮轴线不平行，或V 形槽的不在同一平面内，电极丝运动时不是靠在同一侧面上，使电极丝正反方向不是靠在同一侧面上，加工平面上产生反向条纹。V 形槽磨损主要原因有：电极丝高速正反方向运动；导轮轴承安装不灵活，密封不好，运动阻力大；反向时，导轮不能立即跟随反向；放电产物硬度高；（3）储丝筒振动，引起电极丝振动，要保证储丝筒同心度。

因此减小电极丝抖动，除了保养好设备，保证装配精度，还可加宝石

限位器（电极丝保持器）使电极丝在放电间隙中减小振动。

2.2 电极丝及其走丝速度的影响

2.2.1 电极丝材料的影响，常用电极丝材料有钼丝、钨丝、钨钼丝，常用规格为Ф0.10～0.30mm ，常用电极丝种类和性能见下表：

2.2.2 电极丝直径的影响，电极丝直径小，则承受电流小，切缝窄，不利于排屑和稳定加工，切割速度低；电极丝直径过大，切缝大，熔蚀量大，切割阻力相应加大，不利于提高速度，因此，电极丝直径要适中。最常用为Ф0.12～0.18mm 。

2.2.3 电极丝上丝，紧丝的影响，电极丝上丝，紧丝的好坏直接影响电极丝的张力。电极丝过松，抖动大；过紧，张力大，振动小，放电效率相对高，可提高速度，但易断丝。

2.2.4 走丝速度的影响，走丝速度高，则电极丝热应力小，减少断丝和短路的几率，可相应提高切割速度，但电极丝抖动大，对导轮的V 形槽磨损大，影响切割精度，电极丝寿命减短。

2.3 工件厚度的影响，工件的切割厚度薄，有利于排屑和消电离，加工稳定性好，但工件太薄，放电脉冲利用率低，效率低，且电极丝易产生抖动，影响精度；工件厚，工作液，难于进入和充满放电间隙，

排屑差，易发生短路，影响精度，加工稳定性差，降低切割速度；但电极丝抖动小，又有利于提高加工速度和精度。因此注意根据工件厚度选择脉冲间隔和脉冲宽度。

2.4 工件材料的影响，工件材料不同，其熔点，汽化点，热导率不同，切割速度不同。

2.5 工作液的影响，增大工作液压力和流速，排除蚀除物容易；过高，会引起电极丝的振动；过低不利于排屑，易短路，不能及时带走熔蚀热，烧伤工件，发生断丝等。维持层流（直线流动）为限。

3、导轮参数及位置对锥度加工精度的影响

在锥度加工时，导轮参数及导轮相对工件的位置对加工精度会产生直接的影响（切入位置偏差）。包括：上下导轮的距离（Z 轴高度），用H c-c 表示；下导轮中心到工件底面的距离，Hb 表示；工件厚度；导

轮半径R 。

3.1 上下导轮的距离（Z 轴高度），产生锥度偏差Δβ。

3.2 下导轮中心到工件底面的距离，如：ΔX=ΔHb ·tan β。

3.3 工件厚度，

3.4 导轮半径R 及半径补偿，高速走丝是以导轮支撑高速运行的电极丝，当进行锥度加工时，其支撑点将随着锥度的形成产生较小的变化，产生位移误差，Δl=R/cosβ-R, 针对这一误差，可在锥度控制系统中加入导轮半径误差补偿功能（即随着锥度角的变化，对，导轮半径造成的电极丝偏移进行实时补偿）。

4、各因素对加工工艺指标影响相互关系图

六、工件的装夹

1 桥式装夹：两点式、三点式、四点式，装夹稳定，调整容易，但不适用太小的工件；三点定平面，调整容易，四点式，夹持更稳固，但调整麻烦；

2 悬臂式装夹：用于较小型工件，工件受一点支撑，装夹简洁，成本小，但易造成受力不均匀，且调整不方便；

3 钳式装夹：操作简单，两点支撑，稳定性优于悬臂式；

4 机外装夹：上一工件在加工中，可装夹另一工件，节约装夹和找正时间，多用于悬臂式装夹。

七、工件找正

按划线找正、按基准孔或已成型孔找正、按外形找正。

八、调整变频进给速度

数控线切割的好坏，在很大程度上取决于操作者调整进给速度是

否适宜，长期实践表明，用矩形波脉冲进行加工时，不管工件材料、尺寸大小，一般调节加工电流为短路电流的70～80%，严格从理论上说，加工电流与短路电流比值β=1-uc /ui , uc 是火花放电维持电压，

u i 是脉冲空载电压。

短路电流可用计算法或实测法得到。

用实测法将不同电压、不同脉宽和间隔比的短路电流列成表格，以备随时查用。

变频进给是否处在最佳状态，可用示波器监视工件和电极丝之间的电压波形判断，速度过（高）跟踪时，加工波淡，短路波浓；欠跟踪时，加工波淡，空载波浓；正常跟踪时，加工波浓，短路波和空载波淡。

九、参考文献：

周晖著，数控电火花加工工艺与技巧，北京：化学工业出版社，2009.