畢業(yè)論文凌杰最終稿

畢業(yè)論文凌杰最終稿畢業(yè)論文凌杰最終稿/畢業(yè)論文凌杰最終稿電火花線切割加工工藝參數選擇與優(yōu)化試驗專業(yè)：機械設計制造與其自動化學生：凌杰指導教師：朱永偉完成日期：2012.5.15揚州大學機械工程學院

摘要闡述了電火花線切割加工設備的組成部分、功能、工作原理與操作方法。論述了電火花線切割加工的基本原理，通過對制作電極，準備實驗設備，對不同材料進行一系列的電火花線切割加工試驗，對電參數進行在線測試，對加工件進行檢測，對結果進行分析比較，優(yōu)選參數，進行對比工藝試驗，得到最佳試驗結果，以研究電火花線切割加工各種孔徑小孔與三維型面的工藝特性，即脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流等加工電參數對加工精度、表面粗糙度與效率的影響規(guī)律，再進行分析、總結，形成可指導實際加工的工藝文件。關鍵詞：電火花加工線切割加工參數優(yōu)化工藝AbstractDescribestheelectricsparkwire-cuttingprocessingequipment,thefunction,thepartoftheworkingprincipleandthemethodofoperation.Discussesthebasicprincipleofelectricsparkwire-cuttingprocessing,throughtomakeelectrodes,readytoexperimentalequipmentofdifferentmaterialsforaseriesofedmwire-cuttingprocessingexperiment,withelectricparametersforon-linetest,totheproducttesting,theanalysisoftheresultscomparison,optimizingparameters,comparedtheprocesstest,getthebesttestresultstostudyedmwire-cuttingprocessingallkindsofporediameterholesandthe3dmodelprocesscharacteristics,namelythepulsewidthandpulseinterval,suchaspeakcurrentJiaGongDianparametersonthesurfaceroughnessandmachiningprecisionandtheinfluencelawofefficiency,againcarriesontheanalysis,thesummary,formingaguidepracticalprocessingprocessdocuments.Keywords:EDM，WEDM，Parameteroptimization，process目錄TOC\o"1-3"\h\u1124摘要 II14184Abstract III4015第一章引言 127091.1特種加工技術的概念與其意義 1183411.2特種加工技術的類別與其應用范圍 172591.2.1機械特種加工 1314801.2.2電氣特種加工 219381.2.3熱特種加工 2277461.2.4化學特種加工 2210621.3特種加工技術現(xiàn)狀與實際應用 218111.3.1機械特種加工 227981.3.2電氣特種加工 2224051.3.3熱特種加工 3277721.3.4化學特種加工 3296521.4電火花線切割加工的發(fā)展與現(xiàn)狀 3101741.4.1電火花線切割加工技術的發(fā)展趨勢與工藝進展 36171第二章電火花線切割加工的機理與應用 794432.1電火花線切割加工基本原理 777742.1.1低速走絲線切割加工基本原理 8261542.1.2高速走絲線切割加工基本原理 9304622.2電火花線切割加工物理過程 10156192.3電火花線切割加工的特點 15117492.4電火花線切割加工的局限性 15197452.5電火花線切割加工的應用 1610674第三章電火花加工實驗設備 17300443.1機床傳動系統(tǒng) 17321843.1.1工作臺的傳動路線（見圖3-2) 17133883.1.2運絲部件的傳動路線（見圖3-3） 18114063.1.3線架 1838373.2機床搬運和安裝 19267503.3機床操作和調整 19292483.3.1班前準備工作 1920763.3.2工作臺調整 2028983.3.3調整線架 20227193.3.4鉬絲繞裝 20150953.3.5.工件裝夾 2114743.3.6.機床操作步驟 2177423.3.7機床的維護與故障的排除 22170633.4機床控制系統(tǒng) 23170253.4.1操作面板 236049第四章加工試驗與分析 2616414.1試驗簡介 26273994.1.1試驗方式 26307114.1.2試驗設備 26306534.1.3試驗過程 26163484.1.4試驗結果記錄 2680934.2電極工具頭制作 29278254.2.1電火花線切割技術加工微凸起工具電極 29169904.3試驗數據與現(xiàn)象分析 32176114.3.1影響切割速度的主要因素 32175574.3.2影響加工精度的主要因素 36152884.3.3影響加工表面質量的主要因素 3740234.3.4影響電極絲損耗的主要因素 3920657第五章試驗總結結論體會與展望 40233755.1實驗總結 4014065.1.1反映電火花加工工藝效果的主要指標 40206785.1.2電參數的影響 41229475.1.3非電參數的影響 42262115.2所獲結論 44214535.2.1合理選擇電參數 44295635.2.2合理調整變頻進給的方法 45132775.3體會 48201955.4展望 4831230致謝 504636參考文獻 515026附錄 51第一章引言1.1特種加工技術的概念與其意義特種加工是一種利用化學能、電能、聲能、機械能以與光能和熱對金屬或非金屬材料進行加工的方法。它具有傳統(tǒng)加工無法比擬的優(yōu)點:1)能量密度高,能加工常規(guī)切削方法難以加工的材料;2)作用時間短,熱影響小,工件不易變形;3)可進行細小精密零件加工;4)無切屑或者粉末狀切屑,易于自動處理;5)加工過程易于自動化。隨著科學技術迅猛地發(fā)展,新型材料不斷地涌現(xiàn)出來,而有些材料對工件制造的精度要求越來越高,因而對切削加工提出了新的要求。由于受刀具材料性能、結構、設備加工能力的限制,使用傳統(tǒng)的切削方法難以完成對高強度、高韌性、高硬度、高脆性、耐高溫和磁性等新材料,以與精密復雜或難以處理的形狀的加工。為了解決這些加工的難題,目前國內外正在不斷開發(fā)研究或采用的特種加工技術和方法,并已攻克和解決了一些難以加工的技術關鍵問題,推動了科技進步,提高了生產效率和產品質量,在工作上發(fā)揮了較好的作用。1.2特種加工技術的類別與其應用范圍1.2.1機械特種加工機械特種加工不同于傳統(tǒng)的切削加工方法,而是用機械能或者間接用聲能、熱能進行加工。可分磨料流動加工、磨料噴射加工、液力加工、低應力磨削、熱輔助加工、超聲波加工、全成型加工、噴水加工等8種方法。它適用于切割、穿孔、研磨、拋光、去毛刺、蝕刻、磨削、拉削、鏜削和套料等加工范疇。1.2.2電氣特種加工電氣特種加工是將被加工的金屬工件置于直流電場和電解液中產生陰極溶解的電化學反應而對金屬材料進行加工的一種方法。通常稱為電化學加工(電解加工)。它有電解液沖刷加工、成型管電解加工、電化學削平加工、電化學珩磨加工、電化學車削加工、電化學去毛刺加工、電化學放電磨削加工、電化學加工、電化學拋光加工等10種方法。它適用于磨削、成型、去毛刺、車削、珩磨、拋光等加工范疇。1.2.3熱特種加工熱特種加工是用電子束、激光束、等離子束、電火花放電產生熱量來熔蝕金屬而達到加工目的。它有電子束加工、電火花磨削、電火花成型加工、電火花切割、電火花線切割、激光加工、等離子束加工等8種方法。它適用于鉆孔、成型、磨削、車削、切割、開割、劃線等加工范疇。1.2.4化學特種加工化學特種加工是用熱化學方法、化學腐蝕方法進行加工的。它有化學加工、光化學加工、熱化學加工、電拋光等4種方法。它適用于削平、拋光、腐蝕、去毛刺和飛邊等加工范疇。1.3特種加工技術現(xiàn)狀與實際應用1.3.1機械特種加工在一般采用金屬切削刀具難以加工的場合,采用機械特種加工。它是借助于水、磨料、超聲波、熱能等,實施對工件進行的精密加工。1.3.2電氣特種加工電氣特種加工又稱為電解加工。它是特種加工技術中重要的方法之一,是利用金屬在電解液中的電化學陽極溶解來將工件加工成形的。電解加工成功應用于鍛模、齒輪、花鍵、高溫合金葉片等機械零件成型加工,采用電解液沖刷加工和成型管電解加工可以加工孔徑0.2mm～5mm,也可以加工異型孔的小深孔機械零件。1.3.3熱特種加工電子束、激光束、等離子束、電火花放電加工等熱特種加工,是特種加工應用較為普通的一種技術,電火花放電加工更為成熟更為普與,也是機械加工不可缺少的一項技術。1.3.4化學特種加工化學特種加工是一種使用面較窄的特種加工技術,它是在工件表面產生化學反應,使用金屬腐蝕溶解而改變工件尺寸和形狀,具有加工周期短、變換產品快、工藝性能好等特點,它主要用于印刷線路板制造,這種使用場合稱為化學銑切。另一種化學加工方法是把工件暴露在高溫、腐蝕性氣體中來切除材料。1.4電火花線切割加工的發(fā)展與現(xiàn)狀電火花線切割加工（WireCutElectro-dischargeMachine,，簡稱WEDM）是在電火花加工基礎上于20世紀50年代末最早在前蘇聯(lián)發(fā)展起來的一種工藝形式，是用線狀電極（鉬絲或銅絲）靠火花放電對工件進行切割，故稱為電火花線切割，有時簡稱線切割。它已獲得廣泛的應用，目前國內外的線切割機床已占電加工機床的60%以上。1.4.1電火花線切割加工技術的發(fā)展趨勢與工藝進展目前電火花線切割加工技術的研究與發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面:在穩(wěn)定發(fā)展高速走絲機的同時，重視低速走絲電火花線切割的開發(fā)和發(fā)展1）高速走絲機仍然穩(wěn)步發(fā)展高速走絲電火花線切割機是我國的發(fā)明創(chuàng)造。由于高速走絲有利于改善排屑條件，適合于大厚度和大電流高速切割，加工性能價格比優(yōu)異，是我國電加工行業(yè)的主要發(fā)展機型。2）重視低速走絲電火花線切割的開發(fā)和發(fā)展低速走絲電火花線切割機由于電極絲移動平穩(wěn)，易獲得較高精度和表面粗糙度看，適于精密模具和高精度零件加工?，F(xiàn)在需要加強對低速走絲機的深入研究，開發(fā)新的規(guī)格品種，為市場提供更多的國產低速走絲電火花線切割機。于此同時，還要在大量實驗研究的基礎上，建立完整的工藝數據庫，完善其CAD/CAM軟件。完善機床設計，改進走絲機構1）為使機床結構更加合理，必須用先進的技術手段對機床總體結構進行分析。應用陷阱的計算機有限元分析模擬軟件對機床的結構進行力學和熱穩(wěn)定性分析。還應注重造型設計，在保證機床技術性能和清潔加工的前提下，使機床結構合理，操作方便，外形新穎。由于電火花加工中工具電極與工件之間沒有宏觀作用力,因此,將電火花加工裝置、尤其是電極驅動機構進行微小型化,使電極進給驅動系統(tǒng)的慣性得以大幅度減小,必將更好地發(fā)揮電火花加工技術的工藝特點。2）機床上的坐標工作臺大多采用十字滑板結構，為了提高它的精度，除考慮熱變形與先進的導向結構外，還應采用絲距誤差補償和間隙補償技術，以提高機床的運動精度。對于大型線切割機來說，采用十字滑板工作臺結構就不夠合理，而南昌江南電子儀器廠開發(fā)的DK77100型龍門式機床則值得研究。龍門式機床的工作臺只作Y方向運動，X方向運動在龍門架上完成，上下導輪座掛于橫架上，可以分別控制。這不僅增加了絲架的剛性，而且工作臺只作Y方向運動，省去了X方向滑板，有助于提高工作臺的承重能力，降低整機總重量。3）高速走絲電火花線切割機的走絲機構，是影響其加工質量與加工穩(wěn)定性的關鍵部件，目前存在的問題較多。目前巳開發(fā)的恒張力裝置與可調速的走絲系統(tǒng)，應在進一步完善的基礎上推廣應用。（3）推廣多次切割工藝，提高綜合工藝水平切割速度與加工表面質量是一種矛盾，欲想在一次切割過程既獲得很高的切割速度，又要獲得很好的加工質量是困難的。提高電火花線切割的綜合工藝水平，采用多次切割是一種有效方法，即用較大的電規(guī)準進行第一次切割，以獲得較高的切割速度，然后依次減小電規(guī)準，進行第二次、第三次切割，逐步修光，以獲得滿意的加工表面粗糙度和加工精度。高速走絲電火花線線切割機采用多次切割工藝不僅是必要的，而且是可行的。發(fā)展PC機控制系統(tǒng)，擴充線切割機的控制功能目前國內已有的基于PC機電火花線切割機數控系統(tǒng)主要用于加工軌跡的編程和控制，PC機的資源并沒有得到充分開發(fā)利用，今后的趨勢是將在以下幾個方面進行深人開發(fā)研究：1）開發(fā)和完善開放式的數控系統(tǒng)。目前高速走絲電火花線切割機所用的數控軟件是在DOS基礎上開發(fā)的，有很大的局限性，難于進一步擴充其功能?，F(xiàn)在應加速向以pc機為基礎的開放式、多任務管理與控制系統(tǒng)發(fā)展，以便充分開發(fā)PC機的資源，擴充數控系統(tǒng)功能。2）繼續(xù)完善數控電火花線切割加工的計算機繪圖、自動編程、加工規(guī)機控制與其縮放等功能，擴充自動定位、自動找中心、低速走絲與自動穿絲、高速走絲與自動緊縮等功能，提高電火花線切割加工的自動化程度。3）研究放電間隙狀態(tài)數值檢測技術，建立伺服控制模型，開發(fā)加工過程伺服進給自適應控制系統(tǒng)。為了提高加工精度，還應對傳動系統(tǒng)的絲距誤差與傳動間隙進行精確檢測，并利用PC機進行自動補償。4）開發(fā)和完善數值脈沖電源，并在工藝試驗基礎上建立工藝數據庫，開發(fā)加工參數優(yōu)化選取系統(tǒng)，以幫助操作者根據不同的加工條件和要求合理選用加工參數，充分發(fā)揮機床潛力。5）深人研究電火花線切割加工工藝規(guī)律，建立加工參數的控制模型，開發(fā)加工參數自適應控制系統(tǒng)，提高加工穩(wěn)定性。6）進一步開發(fā)有自主版權的電火花線切割—和人工智能軟件。積極采用現(xiàn)代技術，促進電火花線切割技術發(fā)展今后的電火花線切割技術開發(fā)研究將會涉與到：用激光測量技術來分析研究機床零部件的制造質量；用有限元技術來分析機床結構的力學性能和熱穩(wěn)定性；用陶瓷等新材料來制造機床的關鍵零部件與其工夾具；用模糊控制技術來開發(fā)伺服進給和加工參數控制系統(tǒng)；用人工神經網絡技術來研究各種復雜系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間的關系.并建立相關的神經網絡模型；用數值模擬（計算機仿真）技術;上過程的各種疑難問題，并預測其結果；用專家系統(tǒng)或人工智能系統(tǒng)來控制加工過程等。圖1-1為電火花線切割加工機床1一貯絲筒2—走絲溜板3—絲架4一上滑板5一下滑板6—床身電源7—電源、控制柜圖1-2往復高速走絲線切割加工設備組成第二章電火花線切割加工的機理與應用2.1電火花線切割加工基本原理電火花線切割加工時，在電極絲和工件之間進行脈沖放電。如圖所示，一般電極絲接脈沖電源的負極，工件接脈沖電源的正極。當一個脈沖發(fā)生時，在電極絲和工件之間產生一次火花放電，在放電通道的中心溫度瞬間可以達到10000℃以上，高溫使得放電附近的金屬瞬間熔化甚至汽化，高溫也使得電極絲和工件之間的工作液產生部分汽化，這些汽化后的工作液和金屬蒸汽瞬間迅速膨脹，并具有爆炸特性。這種熱膨脹和局部爆炸作用，使得金屬材料以熔化和汽化的方式拋出，實現(xiàn)對工件材料進行電蝕切割加工。為了確保每一個脈沖放電時電極絲與工件之間產生火花放電而不是電弧放電，必須要使兩個脈沖之間有足夠的間隔時間，以使間隙中的電離充分消除或轉移，并且恢復本次放電通道處間隙中介質的絕緣強度，以免在同一點上發(fā)生接連放電而產生的電弧放電現(xiàn)象。一般電火花線切割加工的脈沖停歇時間以脈沖寬度的4倍以上（比電火花成形要長一些）。另外，為了確保電極絲不被瞬時的局部高溫燒斷，必須向放電間隙中注入大量的工作液，這些工作液不僅可以使電極絲得到充分的冷卻，還可以起到消除電離和排屑與清洗的作用。圖2.1電火花線切割加工原理示意圖2.1.1低速走絲線切割加工基本原理低速走絲電火花線切割機床的電極絲作低沖單向運動,一般走絲速度為0.2～15m/min。低速走絲電火花線切割加的電極絲為黃銅絲、鍍鋅黃銅絲或者鉬絲，電極絲直徑一般為0.10～0.35mm。圖所示為低速走絲電火花線切割工藝裝置示意圖。電極絲的路徑是從儲絲筒6出來，經過上導輪后穿過要切割的工件，再經過下導輪，被收絲筒11沒收或排出不再重復使用。被切割的工件2固定在工作臺7上，被切割面水平放置。在切割過程中，工件在工作臺上受電動機8、9的拖動，在水平方向按照預置的XY軌跡伺服運動，電極絲除了由上至下不停運轉外，還可以下導輪為軸心，上導輪在上拖板的拖動下按預置軌跡作方向的運行，這些運動的合成可以切割出不同曲面與錐面的工件。脈沖電源1的正、負極性通過進電塊分別加在工件和電極絲上，為放電加工提供脈沖能量。低速走絲的加工方式一般為浸液式，工作液為去離子水，與高速走絲線切割相比，低速走絲對工作液的要求比較高，工作液的電阻率、離子數量、雜質含量都要嚴格控制在允許范圍內。由于低速走絲的電極絲張力可以得到很好的控制，電極絲的振幅影響比較小，在加上工作液的電阻率也比高速走絲的電阻率高許多，因此低速走絲線切割加工時，間隙電壓以與伺服跟蹤速度與電火花成形加工相似。1—脈沖電源2—工件3—工作液箱4一去離子水5—泵6—儲絲筒7—工作臺8—X軸電動機9一數控裝置10—Y軸電動機11一收絲筒12—電極絲13—進電塊圖2.2低速走絲電火花線切割工藝裝置示意圖2.1.2高速走絲線切割加工基本原理高速走絲電火花線切割機床的主要特點是電極絲作高速往復運動，一般走絲速度為7～11m/s，電極絲的直徑為為0.12～0.22mm，電極絲的材料為鉬絲。圖所示為高速走絲電火花線切割工藝裝置示意圖。它是利用電極絲4作為工具電極進行切割的，電極絲穿過工件上預鉆好的小孔，經導輪3由儲絲筒2帶動電極絲作正反向交替運轉。加工能量由脈沖電源8供給，靠進電塊分別加在電極絲與工件兩端。工件安裝在工作臺上，由數控裝置1按加工要求發(fā)出指令，控制執(zhí)行電動機11帶動工作臺在水平X、Y兩個坐標方向移動，加工出的零件截面形狀與設計軌跡完全相同。如果機床帶有錐度切割裝置，上下導輪受步進電動機驅動的十字托板控制，使電極絲與中心線偏移角度，并與X、Y軸的運動軌跡合成來實現(xiàn)錐度加工，從而可以實現(xiàn)各種變截面零件加工。在加工時，由噴嘴6將工作液以一定的壓力噴向加工區(qū)。高速走絲線切割加工因為電極絲往復運動后容易松絲，張力不好控制，電極絲振動明顯，極間短路是不可避免的。為了抑制電極絲的振幅，一般都采用過跟蹤方法控制切割的進給速度，換句話說就是加工過程中，間隙電壓偏短路。為了避免由于頻繁短路造成燒絲現(xiàn)象發(fā)生，利用提高電極絲的運轉速度，靠高速運轉的電極絲向放電間隙內帶人的工作液的速度加快，沖液量加大，蝕除物更有效地排出，同時有助于斷弧和消除電離，這也是高速走絲線切割的電極絲運行速度相對較高的原因之一。1一數控裝置2—儲絲筒3—導輪4一電極絲5—工件6—噴嘴7—絕緣板8—脈沖電源9一液壓泵10—工作液箱11—執(zhí)行電動機圖2.3高速走絲電火花線切割工藝裝置示意圖2.2電火花線切割加工物理過程電火花線切割加工的物理過程是非常短暫而復雜的，根據大量實驗資料的分析來看，每次電火花腐蝕的微觀過程是電動力、電磁力、熱動力以與流體動力等綜合作用的過程，并可大致分為介質擊穿和通道形成、能量轉換和傳遞、電極材料的拋出、極間介質消電離等幾個階段。電火花線切割加工實際上是一個重復脈沖放電過程，前一個脈沖放電所形成的電蝕產物與放電凹坑必定會影響后一個脈沖的放電過程，因而實際加工時的放電過程會比單個脈沖放電過程復雜得多。但單個脈沖放電畢竟是研究電火花線切割加工機理的基礎。為有助于掌握電火花線切割加工的基本規(guī)律，并對電火花線切割設備提出合理的要求，仍有必要進一步了解單個脈沖放電的微觀過程。1.單個脈沖瞬時擊穿放電過程電火花線切割加工一般都是在水基工作液（去離子水和皂化油的乳化液，也有用煤油的）中進行的。當脈沖電壓施加在電極絲與工件之間時，極間電場將會因電極表面的微觀不平而變得極不均勻，極間介電液中的雜質以與弱電解質的極性分子都會在極間電場的作用下向電場較強的方向聚集、結鏈，進一步引起極間電場的畸變。當極間距離逐步縮小或是脈沖電壓不斷升高時，極間某處的電場強度將會超過極間介電液的介電強度，使介電液發(fā)生雪崩式的碰撞電離，并形成極間放電通道。此刻，極間電阻將在很短時間內從絕緣狀態(tài)急速下降到數歐姆以下，而電流隨即上升，極間電壓相應下降到火花維持電壓，如圖2.4所示。極間放電通道實際上是高溫、高壓的電離氣體，其初始壓力可達數百甚至數千個大氣壓。這個內部高壓將極力使通道與其周圍瞬時形成的分子團（以后發(fā)展成氣泡）急速擴展，并產生強烈的沖擊波向外傳播。在放電的初始階段，氣泡和放電通道之間并沒有明顯的界面，但因放電通道除受到周圍液體介質慣性的壓縮作用外，還受到它自身電磁場箍束效應作用，因而氣泡會在放電過程中與放電通道界面分離并繼續(xù)擴展，放電通道則被約束成一個細小的通道，其截面甚小，致使通道中的電流密度高達105～106A/cm2.放電通道是由數量大體相等的帶正電和帶負電離子以與中性離子組成的等離子體。通道中的正負帶電離子在極間電場作用下高速運動時，將發(fā)生劇烈碰撞，并產生大量的熱量，使通道溫度升高到10000℃義以上。與此同時，陽極表面和陰極表面分別受到電子流和離子流的高速轟擊，也將產生大量熱量。這樣，在兩極之間將沿放電通道形成--個瞬時高溫熱源。圖2.4矩形脈沖道放電電壓與放電電流波形2）幻電火花放電時的能量轉換極間介質一旦被擊穿放電，脈沖電源就將通過放電通道瞬時釋放能量，并把電能轉換為熱能、動能、磁能、光能、聲能以與電磁波輻射能等：其中大部分轉換成熱能，用于加熱兩極放電點與極間放電通道，使兩極放電點的金屬局部熔化或汽化。熱能與電火花線切割加工密切相關，傳遞（或稱分配）給電極表面的主要有下列幾種形式：①在電場作用下，帶電粒子（電子和正離子）對電極表面的轟擊；②電極材料汽化噴爆時所形成的蒸氣炬對相對的電極表面的沖擊：③放電通道的熱輻射；④放電通道中高溫氣體質點對電極表面的熱沖擊。在上述四種傳遞形式中，帶電粒子對電極表面高速轟擊是主要的。由于負電子的質量和體積都相當小，在電場作用下能獲得很高的加速度和速度，所以在脈沖放電的最初階段就會有大量的高速電子轟擊陽極表面；而正離子則因質量慣性大，加速度小，在短時間內無法獲得很高的速度，所以,采用高頻窄脈沖電源的電火花線切割加工，都應選用正極性加工，即工件接電源正極，以充分利用電子的轟擊作用來提高切割速度。3）電極表面被蝕材料的拋出傳遞給電極表面的能量轉化成熱能，并在電極表面放電點附近形成一瞬時高溫熱源。這個熱源的中心處溫度最高，并向工件材料內部傳導，形成一個溫度梯度場，即離放電點中心愈遠愈低。據工件材料的熔點和汽化點不同，使受熱材料形成余金屬汽化、金屬熔融、金屬固態(tài)受熱三種情況。由于電極材料的熔化和汽化過程十分短促，有爆炸特性。爆炸力將把熔化和汽化的金矚材料拋巧電極表面，而在電極表面留下一個小凹坑，如圖3.14所示。圖2.5放電凹坑形成研究發(fā)現(xiàn)，在高速走絲電火花線切割加工情況下，脈沖放電時所形成的電極表面高溫熱源，不可以簡化成一個固定的點熱源，而只能簡化成快速移動的點熱源。這種熱源所形成的放電凹坑不是半球形，而是鴨蛋形。移動速度愈快，以與脈沖放電持續(xù)時間愈長，其凹坑的長度將愈長。4）消電離和極間介電性能的恢復一個脈沖放電結束之后，極間電場急速減小到零，碰撞電離也隨之停止，而且放電通道會因消電離過程（即通道中的正負帶電粒子復合成中性粒子過程）而使通道中的帶電粒子急速減少，并逐漸恢復極間介電液的介電性能。必須指出，正負帶電粒子的復合速度是比較快的，極間電導將在很短的時間內減少。但是，正負帶電粒子的復合和極間電導的減少，并不等于極間介電性能的恢復。因為放電后的電蝕產物（含有微粒、氣泡給余熱等）在短時間內還來不與擴散，介電液的高溫與大量的電蝕產物都會降低其介電性能。因此，在電火花線切割加工中，為了保證加工的正常進行，在先后二次脈沖放電之間都應有足夠的停歇時間。其最小脈沖停歇時間的選擇，不僅要考慮極間介電液的消電離汽化的金矚材料拋巧電極表面，而在電極表面留下一個小凹坑，如圖2.5所示。圖2.5放電凹坑形成研究發(fā)現(xiàn)，在高速走絲電火花線切割加工情況下，脈沖放電時所形成的電極表面高溫熱源，不可以簡化成一個固定的點熱源，而只能簡化成快速移動的點熱源。這種熱源所形成的放電凹坑不是半球形，而是鴨蛋形。移動速度愈快，以與脈沖放電持續(xù)時間愈長，其凹坑的長度將愈長。4）消電離和極間介電性能的恢復一個脈沖放電結束之后，極間電場急速減小到零，碰撞電離也隨之停止，而且放電通道會因消電離過程（即通道中的正負帶電粒子復合成中性粒子過程）而使通道中的帶電粒子急速減少，并逐漸恢復極間介電液的介電性能。必須指出，正負帶電粒子的復合速度是比較快的，極間電導將在很短的時間內減少。但是，正負帶電粒子的復合和極間電導的減少，并不等于極間介電性能的恢復。因為放電后的電蝕產物（含有微粒、氣泡給余熱等）在短時間內還來不與擴散，介電液的高溫與大量的電蝕產物都會降低其介電性能。因此，在電火花線切割加工中，為了保證加工的正常進行，在先后二次脈沖放電之間都應有足夠的停歇時間。其最小脈沖停歇時間的選擇，不僅要考慮極間介電液的消電離極限速度，而且還應該考慮電蝕產物的擴散和棑出，以與放電通道中的熱量傳散。5）實際加工時的重復脈沖放電過程從上面的論述中可以看出，一個脈沖經過擊穿放電、能量轉換、電極材料拋出以與極間消電離過程之后，便完成了一次電腐蝕，而在工件表面留下一個小凹坑。這個小凹坑是十分微小的，但無數個脈沖放電累積，就可以加工出所需要的形狀和尺寸。此時，人們非常關心實際加工過程中重復脈沖放電是如何進行的。生產實踐表明，加工過程中的每個脈沖放電，絕不是簡單地在二極之間相對最近的尖端處進行，而是一個復雜的連續(xù)過程。加工時，首先是在二極間介電能力最薄弱的凸起處產生火花放電。由于前一次放電所產生的加工屑與氣泡等使放電周圍的電蝕產物濃度增大，加上放電后的余熱使此處的液溫升高，都會降低此處工作液的介電能力，導致第二個脈沖容易在第一個脈沖放電的附近區(qū)域再次擊穿放電。另一方面，沒有發(fā)生脈沖放電的附近區(qū)域工作液比較干凈，介電性能好，不易發(fā)生擊穿放電。只有當加工區(qū)的間隙增大到超出能擊穿放電的限度時，重復脈沖放電才會轉移另一處相對易擊穿的區(qū)域進行。正因為如此，電極絲移出加工區(qū)域的出口處放電間隙一般要比進口處的放電間隙大：在實際電火花線切割加工過程中，由于電極材料的不斷蝕除，電蝕產物與極間介電液的溫度不斷增加，加上電極絲的持續(xù)進給以與電極絲的振動等，使極間各處的間隙大小與物理狀態(tài)千變萬化，因而極間放電狀態(tài)也是隨機變化的。根據大量的實驗資料可以得出：極間距離減小以與電蝕產物濃度增加，都會減小擊穿延時時間，或降低擊穿初始電壓，以致發(fā)生極間短路，其規(guī)律如圖2.6所示。圖2.6右邊的放電壓波形反映其極間距離較大或介電液的介電性能良好，而左邊的電壓波形則反映其極間距離小且介電液的介電性能差；最左邊的電壓波形是極間短路波形。圖2.6極間放電電壓波形高速走絲電火花線切割加工因電極絲振動較明顯，極間短路是不可避免的。為了抑制電極絲的振幅，一般都采取過跟蹤方法控制線切割的進給速度，所以高速走絲電火花線切割加工時的空載波形出現(xiàn)的概率很小。實驗表明，在一次放電過程中，也會出現(xiàn)空載、正常放電與短路三種不同波形，如圖2.7所示。圖2.7-a為短暫延時立即擊穿放電；圖2.7-b為擊穿放電后產生瞬時短路又發(fā)生擊穿過程；圖2.7-c是從空載到短路再到正常放電。這是用示波器觀察到的放電波形，其發(fā)生的機理有待進一步研究。圖2.7線切割時的極間電壓波形2.3電火花線切割加工的特點 電火花線切割加工與其他電火花加工一樣，其加工速度與工件材料的力學性能（硬度和韌性）無關，常用來加工淬火鋼、硬質合金。磁鋼以與不銹鋼等金屬材料，也可以加工金剛石、陶瓷之類的非金屬材料。電火花線切割的工藝特點可以歸納如下：（1）它是用一根細長（0.03~0.35mm）的金屬絲作工具電極，而不需要制成特定形狀的成形電極；（2）加工對象主要是平面形狀，當機床上裝有能使電極絲上、下導向器相對偏移的裝置之后，還可以加工錐面或上下面異形的以直線為母線的復雜曲面；（3）因電極絲直徑很細，切縫很窄，有利于材料的利用，還適合加工細微零件，如采用0.03mm鉬絲作電極絲，切縫可以減小到0.04mm，內角半徑小到0.04mm；（4）因電極絲細長，并不斷更新（單向低速走絲）或往復使用，電極絲的絲徑損耗很小，因而加工精度很高；（5）常用水基工作液（去離子水或乳化液），不會發(fā)生火災，有助于實現(xiàn)無人看管下的連續(xù)運轉；（6）依靠數控系統(tǒng)的絲徑偏移補償功能，可以方便地調節(jié)凹、凸模的配合間隙，依靠錐度切割功能還可以實現(xiàn)凹、凸模一次同時加工；（7）自動化程度高、操作方便、加工周期短、加工成本低。2.4電火花線切割加工的局限性1.主要用于金屬等導電材料，但在一定的條件下也可加工半導體和非導體材料。2.一般情況下加工速度較慢，生產率不高。3.會損耗電極絲，影響成形精確度。2.5電火花線切割加工的應用電火花線切割加工不僅有很多工藝特點，而且非常經濟有效，為新產品試制、精密零件加工與模具制造開辟了一條新的工藝途徑?，F(xiàn)已廣泛用于國民經濟各個生產制造部門，并成為一種必不可少的工藝手段。目前主要用于沖模、擠壓模、拉伸模、塑料模、電火花成形用的工具電極以與各種復雜零件加工等。加工模具適用于各種形狀的沖模。調整不同的間隙補償量，只需一次編程就可以切割凸模、凸模固定板、凹模與卸料板等。模具配合間隙、加工精度通常都能達到0.01～0.02mm(雙向高速走絲線切割機）和0.002?0.005mm(單向低速走絲線切割機）的要求。此外，還可加工擠壓模、粉末冶金模、彎曲模、塑壓模等，也可加工帶錐度的模具。切割電火花成形加工用的電極一般穿孔加工用的電極以與帶錐度型腔加工用的電極，以與銅鎢、銀鎢合金之類的電極材料，用線切割加工特別經濟，同時也適用于加工微細復雜形狀的電極。加工零件在試制新產品時，用線切割在坯料上直接割出零件，例如試制切割特殊微電機硅鋼片定轉子鐵心，由于不需另行制造模具，可大大縮短制造周期、降低成本。另外修改設計、變更加工程序比較方便，加工薄件時還可多片疊在一起加工。在零件制造方面，可用于加工品種多，數量少的零件，特殊難加工材料的零件，材料試驗樣件，各種型孔、型面、特殊齒輪、凸輪、樣板、成型刀具。有些具有錐度切割的線切割機床，可以加工出“天圓地方”等上下異形面的零件。同時還可進行微細加工，異形槽和標準缺陷的加工等。第三章電火花加工實驗設備圖3-1DK7740E電火花數控線切割機床圖中，1為床身，2為工作臺，3為運絲裝置，4為線架，5為夾具，6為防水罩（冷卻液箱在機床后側，圖中為給出）圖3-1實驗的型號為DK7740E電火花數控線切割機床。機床由主機和控制臺兩部分組成。機床主機部分由床身、工作臺、運絲裝置、線架、冷卻液箱、夾具、防水罩等部件組成。工作臺行程400mm*500mm。3.1機床傳動系統(tǒng)3.1.1工作臺的傳動路線（見圖3-2)X向：控制系統(tǒng)發(fā)出進給脈沖步進電機D齒輪4/齒輪3橫向絲杠1螺母8Y向：控制系統(tǒng)發(fā)出進給脈沖步進電機E齒輪5/齒輪6縱向絲杠2螺母7控制系統(tǒng)每發(fā)出一個脈沖，工作臺就移動0.001mm，通過X、Y向兩個搖手柄也可以使工作臺實現(xiàn)X、Y向移動。圖3-2工作臺傳動系統(tǒng)圖3.1.2運絲部件的傳動路線（見圖3-3）電動機G聯(lián)軸器運絲筒高速旋轉齒輪9/齒輪10齒輪11/齒輪12絲杠13螺母14帶動拖板行程開關。運絲裝置帶動電極絲按一定線速度運行，并將電極絲整齊地排繞在運絲筒上，行程開關控制運絲筒的正反轉。圖3-3運絲裝置傳動系統(tǒng)圖3.1.3線架運絲筒旋轉帶動電極絲往復運動，排絲輪、導輪保持電極絲軌跡、導電塊進電。線架由兩步進電機控制線架做U、V方向運動，實現(xiàn)錐度切割。3.2機床搬運和安裝1.機床外包裝箱吊運，主機吊運。吊裝的鋼絲繩長度和角度應適當，鋼絲繩承受的載荷量必須大于4500Kg。吊繩應避免與機床零部件接觸，必要時可以在接觸處填放軟性物，以免損傷機床外觀與機床精度。搬運過程中應避免顛簸、傾斜、沖擊等不平穩(wěn)現(xiàn)象。2.機床安裝方向應盡量使操縱者面對自然光源。機床周圍不允許有強烈的振動源和強電磁場以與噪音干擾，否則會直接影響機床的正常工作。如果工作場地條件欠佳，可采用防震式地基將機床與震源隔離，防震溝內可填充軟性物消震。本機床屬精密機床，建議工作環(huán)境溫度控制在20土5℃。3.機床拆箱后，將四只防震墊鐵安裝在機床床身下面，然后進行平面布置。拆去工作臺上下兩層導軌兩端壓緊用壓板共8件，換上DK7750EJ.2-21擋板。同樣拆去運絲導軌兩端壓緊用壓板共4件，換上DK7725J.3-12擋板。4.絲杠副、導軌、導輪等關鍵件和重要運動部件應擦干凈，不得有紗頭之類雜物粘附其上面，凡已經去除防銹油脂的部位應立即擦上機械油N46以防止生銹，并使各部位在工作之前充分潤滑。5.調節(jié)四只防震墊鐵，將機床調節(jié)水平，要求水平儀在工作臺面縱橫向的讀數允差為0.04/1000。3.3機床操作和調整3.3.1班前準備工作1.啟動電源開關，讓機床空載運行，觀察其工作狀態(tài)是否正常。內容包括：控制臺必須正常工作十分鐘以上。機床各部件運動副正常工作。脈沖電源和機床電器工作正常無失誤。各個行程開關觸點動作靈敏。工作液各個進出管路暢通無阻，壓力正常，揚程符合要求。2.按機床潤滑要求注油3.添加或更換工作液一般以每隔10-15天更換一次為宜。決定是否調換電極絲3.3.2工作臺調整按下控制臺鍵盤的ENGAGE（電機吸）鍵，手搖工作臺縱橫向手輪，檢查步進電機是否吸住,手捏刻度盤并輕輕左右抒動，檢查刻度值相對“0”位刻線有無左右松動，無松動時可進行隨后加工。3.3.3調整線架1.導輪與排絲輪的調整調整時既要保證導輪與排絲輪轉動靈活，又要無軸向間隙，更換時，導輪與排絲輪軸承內要加高速潤滑油。用角尺或鉬絲校正器檢測鉬絲與工作臺垂直度，若鉬絲與工作臺不垂直，可用錐度旋鈕與懸臂上的調整套來調節(jié)。3.3.4鉬絲繞裝1.機床操縱面板SA1旋鈕左旋。2.上絲起始位置在貯絲筒右側（遠離運絲電機一端〉，用抓DK77324J9.1搖手柄將貯絲筒右側停在線架中心位置。將右邊撞塊壓住換向行程開關觸點，左邊撞塊盡量拉遠。4.松開上絲器上螺母4，裝上鉬絲盤5后擰上螺母4。5.調節(jié)螺母8，將鉬絲盤壓力調節(jié)適中。6.將鑰絲一端通過上絲輪后固定在貯絲筒右側螺釘上。7.空手逆時針轉動貯絲筒幾圈，轉動時撞塊不能脫開換向行程開關觸點。8.按操縱面板SB2旋鈕（運絲開關〕，貯絲筒轉動，鉬絲自動纏繞在筒上，達到要求后，按操縱面板SB1急停旋鈕，上絲結束。9.手動上絲按上述2至7操作后用SK7720J.9.2搖手柄轉動貯絲筒即可。10.剪斷鉬絲，松開上絲器上螺母4，取下鉬絲盤5后擰上螺母。11.繞絲，將鉬絲另一端固定在貯絲筒左側螺釘上。12.用DK7720J.9.3緊絲輪手動緊絲二至三遍，用力應均勻。注意：開運絲時必須拿掉搖手柄以防飛出傷人!3.3.5.工件裝夾1.裝夾工件前先校正電極絲與工作臺的垂直度。2.選擇夾具，A型機切割錐度零件時夾具需安裝墊塊，切割無錐度零件時取下墊塊。E型機為一種夾具。3.將夾具固定在工作臺上。4.裝夾工件時應根據工件圖紙要求用百分表等量具找正基準面，使其與工作臺的X向或Y向平行。5.裝夾工件位置應使工件的切割區(qū)控制在機床行程范圍內。6.裝夾工件時應保證在切割過程中工件與夾具不應碰到線架的任何部分。7.工件裝夾完畢要清除工作臺面上的一切雜物。圖3-4工件裝夾3.3.6.機床操作步驟1.開機，電源開關QS左旋。2.把加工程序輸入控制臺。3.E型機床根據工件的厚度調整線架跨距（切割工件時不允許調整線架跨距）。4.安裝工件。5.繞電極絲。6.開運絲開關。7開水泵開關，調節(jié)噴水量。開水泵時，應先把調節(jié)閥關掉，然后逐漸開啟，調節(jié)至水柱包容電極絲射向切割區(qū)即可，水量不必太大。注意：開水泵時，如不關閉或關小調節(jié)閥，會造成冷卻液飛濺開脈沖電源選擇電參數將控制臺上的波段開關旋到自動加工檔，啟動程序運行，進入切割時調節(jié)電位器旋鈕，觀察機床電流表，調節(jié)使指針穩(wěn)定(允許電流表指針略有晃動)。10.加工結束后應先關閉水泵開關，然后關閉運絲開關，檢查X、Y座標是否到達終點，到終點時拆下工件，清洗并檢查質量。未到終點時應檢查程序是否有錯、控制臺是否有故障。注意：機床電氣操縱面板和控制臺控制面板上都有紅色急停按鈕開關，工作中如有意外情況，按下此開關即可斷電停機！下圖為加工現(xiàn)場畫面如圖3-5圖3-5加工過程圖3.3.7機床的維護與故障的排除1.機床的維護1)整機應保持清潔，停機8小時以上應揩抹干凈并涂防銹。2)線架部件導電塊、排絲輪、導輪周圍應經常用煤油清洗干凈，清洗的臟油不得漏至工作臺的回水槽內。3)為保持機床加工精度，導輪、排絲輪與其支承軸承一般使用6-8個月后即應成套更換。4）冷卻液循環(huán)系統(tǒng)如有堵塞應與時疏通，特別要防止冷卻液滲入機床內部造成短路，以致燒毀電氣元件。5）機床裝有斷絲停機保護機構，一旦斷絲應與時將電極絲清理干凈。6）當供電電壓超過額定電壓土10V時，建議控制臺接專用電源。7）本機床按照使用規(guī)則在兩班制條件下，其規(guī)定精度保持兩年。機床到第一次大修的時間不大于8年。3.4機床控制系統(tǒng)圖3-6機床控制面板3.4.1操作面板機床電器裝在控制柜的后面門內，工作過程大致如下：1、合上三相四線電源閘刀，再合上控制柜內右側（從后門打開看）的空氣開關，放開11緊急停止按鈕，控制柜電源接通。2、按下12走絲停止按鈕，啟動變頻器，走絲電機開始轉動。3、切割工件前按下15工作液開啟按鈕4、停止加工可按13走絲啟動按鈕和16電源開關，或者直接按下11緊急停止按鈕。（盡量少按急停按鈕）1間隙電壓表2加工電流表3脈沖寬度選擇檔指示燈4脈沖間隔選擇檔指示燈5功放管數選擇檔指示燈6電流選擇檔指示燈7顯示屏8選擇按鈕9增加按鈕10減少按鈕11緊急停止按鈕12走絲停止按鈕13走絲啟動按鈕14工作液關閉按鈕15工作液開啟按鈕16電源開關圖3-7控制面板圖3-8顯示屏圖3-9系統(tǒng)主屏幕示意圖圖3-10屏幕顯示圖表說明圖3-11遠程操縱板第四章加工試驗與分析4.1試驗簡介4.1.1試驗方式試驗方式是對幾種不同材料進行不同參數加工試驗。在電火花線切割加工試驗之前，對所需要的相關參數進行了選擇。如：電流、脈寬、脈間、間隙、電極規(guī)格與工件材料、加工面積、加工深度等，試驗這些參數對加工生產率、精度、表面粗糙度的影響規(guī)律。4.1.2試驗設備試驗所采用的設備是電火花線切割加工機，型號為DK7740E，通過選擇不同的參數對工件進行試驗。4.1.3試驗過程（1）裝夾工件。工件在電火花線切割加工前，必須借助通用或專用的夾具與測量儀器進行裝夾和校正。（2）對刀。（3）設置加工參數并進行加工。對刀以后，開啟工作液，在機床電腦上設置加工參數。加工參數設定好后待工作液達到規(guī)定的深度后，按下啟動按鈕進行加工。4.1.4試驗結果記錄加工參數與波形的記錄。加工的各種參數直接可以從顯示器中讀出，包括脈沖寬度，脈沖間隔，峰值電流的記錄。輸入電壓可利用示波器測量其波形，通過RS232接口記錄采集的波形。以下為實驗記錄:第1次加工試驗4月23日圖4-1上鉗體零件圖圖4-2-1厚度：36cm材料：40Cr脈寬：40μs電流：3.3A電壓：85V運絲速度：10m/s工作液：專用乳化液（絕緣）絲直徑：0.18mm進給速度：40mm2/min加工時間：6h精度：0.02mm粗糙度：3.2μm第2次加工試驗5月5日圖4-3硅鋼片零件圖厚度：1mm*10片材料：硅鋼脈寬：40μs電流：2A電壓：85V運絲速度：10m/s工作液：專用乳化液（絕緣）絲直徑：0.18mm進給速度：10mm2/min加工時間：2.5h精度：0.02mm粗糙度：3.2μm圖4-2-2加工成果圖4.2電極工具頭制作4.2.1電火花線切割技術加工微凸起工具電極微細電火花線切割加工技術一個重要應用就是制備電加工用的微細工具電極。1基礎設備圖4-4電火花線切割機使用低速如圖走絲精密電火花線切割機。機床由床身、立柱、X、Y坐標工作臺、Z軸升降系統(tǒng)、U、V坐標軸、走絲系統(tǒng)、夾具、工作液系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)組成。2電火花線切割加工工具電極選用表4.1所示的微細線切割加工電參數進行加工。表4.1微細線切割加工電參數1線切割絲φ0.10mm鍍鋅銅絲2放電電流（A）133沖液壓力（MPa）0.024閑置脈沖百分（%）205電極絲張力（N）4.06加工速度（mm/min）8.6等寬槽、不等度槽端面工具頭加工結果如圖4.9（a）、（b）所示。500500μm（a）等寬槽（b）不等寬槽圖4-2等寬與不等寬槽工具電極經體視測量顯微鏡測量，工具頭尺寸為：等寬端面槽寬0.3918mm，槽軸向長度2.9619mm；不等寬端面槽寬為0.2590mm、0.365mm、0.5210m，槽軸向長度2.9477mm。圖4.10（a）所示加工陣列正方形微凸起，先在一個方向進行“方波軌跡”微細線切割加工，切割的微凸起寬度：0.50mm，深度：3.0mm，間距：0.50mm，一個方向加工完畢，將工件旋轉90°，再次進行“方波軌跡”線切割，完成陣列正方形微凸起的加工。加工結果如圖4.10（b）所示。500500μm(a)微細精切割方波軌跡(b)正方形微凸起工具圖4-3陣列正方形微凸起工具電極制作500500μm(a)微細精切割方波與斜波軌跡(b)菱形微凸起工具圖4-4陣列菱形微凸起工具電極制作陣列菱形微凸起工具電極加工方法與正方形微凸起相似，區(qū)別在于加工菱形微凸起時，如圖4.11（a）在一個方向進行“方波軌跡”微細線切割加工后，是將工件旋轉45°，再進行“方波軌跡”線切割，完成菱形微凸起的加工，切割的微凸起寬度：0.70mm，深度：3.0mm，間距：0.50mm。加工結果如圖4.11（b）所示。用同樣的加工方法，可以制作高密度的陣列正方形和菱形微凸起工具陰極，如圖4.12(a)、(b)所示。(a)陣列菱形微凸起工具(邊長0.20mm)(b)陣列正方形微凸起工具(邊長0.20mm)圖4-5高密度的陣列正方形和菱形微凸起電極經體視測量顯微鏡測量，工具頭尺寸為：正方形邊長：0.4921mm，深度為：2.9443mm；菱形邊長：0.7269mm，深度為：2.9566mm。3.電極工具頭的制作精度與表面質量1）復制精度利用前述微細電加工技術組合制作的微細電極表面粗糙度可達到Ra0.20μm，尺寸精度一般可達到±0.001mm。圓柱電極制作過程中的放電損耗、電火花放電加工的圓角效應、微細超聲復合電加工中的機械磨損在圓周方向均勻分布，不影響孔、軸類電極形狀精度，但影響尺寸精度；對于非圓電極，在其制作與加工試驗中，尖端放電損耗、圓角效應與復合加工中機械磨損的不均勻性，影響了零件形狀精度與尺寸精度；所以，電極設計、制作中應充分考慮，并給予補償。2）表面質量實踐中，需根據加工件表面的粗糙度要求來確定制作電極的允許表面粗糙度值。選擇微細組合電加工的電參數值愈小，制作電極的表面粗糙度值愈小，尺寸精度愈高，但電極制作效率將會顯著降低，所以在保證電極表面粗糙度與加工精度要求的基礎上，盡量選擇較高的電參數，以提高效率。4.小結了解了微結構加工工具——微細工具電極的工作要求、材料的選擇、總體與端面形狀設計；總結了微細工具電極的幾種制作方法，實際設計、制作了微軸型、等寬與不等寬槽型、等寬與不等寬米字形筋型、陣列微凸起、微齒輪等工具電極；為后續(xù)的電火花線切割加工做好了準備。4.3試驗數據與現(xiàn)象分析4.3.1影響切割速度的主要因素電火花線切割加工是基于脈沖放電時的電腐蝕原理，即每次脈沖放電都會在工件表面形成一個高溫熱源而使一定的工件材料被蝕除，并在工件表面留下一個微小的放電凹坑。而且，脈沖放電能量見愈大，傳遞給工件上的熱量就愈多，被蝕除的材料也愈多，并近似于正比例關系。設在一個脈沖當量的作用下蝕除的材料體積為Vi，則有Vi=kw根據疊加原理，1min重復脈沖放電的蝕除量（即加工速度，或稱蝕除率）V為式中，V為加工速度，即1min內工件材料的蝕除量，mm3/min；Vi為一個脈沖放電時工件材料的蝕除量，mm3；f為重復脈沖放電頻率，s-1;k為系數，與電極絲材料、工件材料、脈沖參數、工作液以與排屑條件等有關；w為單個脈沖放電能量，J；λ為有效脈沖利用率。單個脈沖放電所釋放的能量w切取決于極間電壓u（t）、放電電流與脈沖放電持續(xù)時間ton，即：實際上，擊穿后的極間火花維持電壓Ut是一個與電極對材料與工作液種類有關的數值（如在煤油中用銅絲加工鋼時約為25V，而在乳化液中用銅絲加工鋼時則為20V左右），而與脈沖電壓幅值、放電電流大小關系不大，如圖4-9所示。在實際加工過程中電火花線切割加工的切割速度Vs和上述描述的加工速度V(蝕除率）略有不同，在相同的脈沖能量下，由于電極絲的直徑不同導致加工速度有所差異，二者之間大致相差一個切縫寬度b：式中，Vs為切割速度，mm2/min；V為加工速度（蝕除率），mm3/min；b為切割縫寬度，mm；d為電極的直徑，mm；δ為單向放電間隙，mm；w為單個脈沖放電能量，J；k為系數，與電極對材料、脈沖參數、工作液以與排肩條件等有關的系數；λ為有效脈沖利用率。由此可知，影響電火花線切割加工切割速度的因素很多，包括脈沖參數、電極絲的直徑以與與系數k相關的眾多因素，下面將有重點地分別加以論述。圖4-9極間放電電壓與電流1.脈沖參數對切割速度的影響1）峰值電流Im的影響在其他條件保持不變的情況下，提高脈沖峰值電流總可以按比例提高單個脈沖放電能量，因而可以按比例提高切割速度。從圖4-10a中不難看出：①在高速走絲的情況下，切割速度在一定范圍內隨脈沖峰值電流的增大而增大；②當峰值電涑增大到一定程度時，由于加工電流增大，電蝕產物濃度增加，會影響加工穩(wěn)定性而使切割速度增大速度減慢，甚至會導致切割速度因峰值電流繼續(xù)增大而下降。電極絲直徑愈細，這種現(xiàn)象出現(xiàn)得愈早；③較粗的電極絲在較大的峰值電流情況下仍可穩(wěn)定加工，不僅是因為電極絲橫截面積大，能承受較大的峰值電流，還因為用粗電極絲加工時切縫較寬，有助于電蝕產物的排出。正因如此，在加二過程中可以體會到在峰值電流小而排屑條件良好的情況下，細電極絲的切割速度會比粗電極絲高一些。圖4-10b所示的低速走絲情況，在一定的范圍內，切割速度幾乎與單脈沖能量（峰值電流）成比例增加，但若峰值電流過大加上沖液狀況不良而影響其切縫排屑，切割速度就會減慢，并有可能引起斷絲。一般來講，慢速運絲線切割機的切縫排屑主要靠高壓沖洗強制排屑，切縫寬一點有利于高壓水流進人，排屑效果好。圖中粗絲在相同條件下切割速度高一點，主要是因為低速走絲排肩條件差，粗絲加工時切縫較寬有助于排屑。圖4-10峰值電流與切割速度脈寬ton對切割速度影響在其他條件保持不變的情況下，切割速度將隨著脈沖寬度ton的增加而增加。如圖4-11所示。但當脈寬增大到一定范圍時，切割速度將明顯偏離其正比關系，甚至還會隨脈寬的增加反而下降。另外，脈沖寬度過大還有可能使正常的脈沖放電狀態(tài)轉變?yōu)樗查g電弧放電狀態(tài)，燒壞工件或造成斷絲。由于低速走絲時排屑條件較差，一般都不采用增加脈寬的方法來提高切割速度，而是以窄脈沖高峰值電流方式來提高切割速度。高峰值電流有助于增大放電爆炸力，擴大放電間隙，以改善排屑條件。目前,低速走絲線切割所用的脈寬都在10μs以下，有的采用亞微秒級脈寬，最小可小至50ns左右。而最大峰值電流Im可達1000A。此外，在低峰值電流情況下，脈沖寬度過大也會導致熱量向工件內部傳散的比重增大，不僅會影響切割速度，而且還會影響加工表面熱影響層厚度。脈沖間隔toff對切割速度的影響在其他加工條件保持不變的情況下，減小脈沖間隔toff會使脈沖放電頻率增加,從而使切割速度隨之提高，如圖4-12所示。實驗結果表明，當脈沖間隔toff遠遠大于脈寬ton時，脈沖間隔的減小會便切割速度成比例地增大；當toff減到可以與脈寬ton比擬時，這種反比例關系將會明顯偏離，加上脈沖間隔過小會使切割中的電蝕產物濃度劇增而使加工變得不穩(wěn)定，嚴重影響切割速度的提高，甚至因脈沖間隔過小而產生電弧放電使電極絲燒斷，致使線切割加工無法繼續(xù)進行。脈沖間隔的合理選取，與其他脈沖參數、走絲速度、電極絲直徑、工件材料與厚度等多種因素有關，應視不同條件而異。在高速走絲的條件下，因其脈沖峰值電流一般都在20A以下，一般認為脈沖間隔為脈沖寬度的3～5倍為佳。如果工件厚，排屑條件惡劣時,可以適當增加脈沖間隔，降低加工切割速度，提高切割的穩(wěn)定性。.圖4-11脈沖寬度與切割速度的關系圖4-12脈沖間隔與切割速度的關系2.非電參數對切割速度的影響電極絲與其移動速度對切割速度影響電極絲直徑我們可以采用增大電極絲直徑的方法來提高切削速度，電極絲承受峰值電流的大小是與其截面積成正比的，增大電極絲直徑有利于施加大峰值電流，從而提高切割速度。在追求高效切割時，一般還是采用粗絲并加大峰值電流進行加工。電極絲材質電極絲張力走絲速度電極絲振動進電方式工作液對切割速度的影響工作液的種類乳化液成分和濃度表4-1乳化液濃度與切割速度噴液方式與壓力工件材料與厚度對線切割速度影響表4-2不同材料的電火花切割速度進給控制對切割速度的影響進給速度在高速走絲電火花線切割加工時，采取過跟蹤進給，可以抑制其開路波形出現(xiàn)。低速走絲電火花線切割加工時，因排屑條件差不允許瞬間短路。進給控制方式4.3.2影響加工精度的主要因素加工尺寸精度機床種類放電間隙變化脈沖電源電壓平均加工電壓單脈沖能量加工進給速度工作液的電阻率工件厚度與電極絲振動影響加工尺寸精度的其他因素電極絲絲徑精度與損耗工件材質與加工方法環(huán)境條件形位精度平直度走絲方式導向支點位置導向支點愈靠近工件上下端面，愈有助于減小平直度誤差。工件厚度隨著工件厚度的增加，電火花線切割加工時的進給速度相應降低。棱角形狀精度由于放電力的作用而產生的電極絲（放電點）滯后現(xiàn)象對小圓角影響遠遠要超過電極絲半徑和放電間隙的影響。間距精度定位精度電火花線切割加工的定位方式主要有兩種：一是以孔為基準，通過電極絲與工件的接觸（或產生火花）自動找正孔的中心；另一種是以端面為基準，找正加工的相對位置。工件基準面狀態(tài)作為基準面，必須清潔且無毛刺，保證垂直度和平行度。裝夾在工作臺上后，其基準面必須與坐標軸平行，與工作臺面保證垂直度。電極絲的張緊力與振動情況電極絲不允許有彎曲現(xiàn)象，且保證與工作臺垂直。工作臺的運動慣性自動定位時，限制機床的移動速度，避免超調現(xiàn)象發(fā)生，以提高定位精度。4.3.3影響加工表面質量的主要因素影響加工表面粗糙度主要因素脈沖參數工件材料工作液影響切割條紋的主要因素脈沖參數降低脈沖電壓或者減少單脈沖放電能量，有利于減小單面放電間隙與電極絲的振動振幅，也有利于減小切割條紋的深度。走絲方式提高低速走絲的電極絲張緊力、縮短導向器與工件之間的距離、降低電極絲移動速度以與選用與電極絲絲徑相匹配的導向器，都有助于電極絲運行穩(wěn)定，減小條紋深度。對高速走絲，由于電極絲的高速移動，必然會引起強烈振動，加上導向輪不可避免的會產生徑向跳動和軸向竄動，都會導致有規(guī)則的切割條紋的產生。采用高耐磨性導向器，并使導向器盡量靠近工件，也能改善加工表面切割條紋，提高表面質量。工件厚度與材質切割的工件厚度越小，或是導向器離工件越遠，起切割條紋就越明顯。工作液工作液的作用如下：在加工區(qū)起冷卻作用，即對電極絲和工件進行冷卻壓縮放電通道，以集中放點能量。在放電區(qū)既要有具有快速的擊穿效果，又必須具備消電離作用，快速恢復極間的絕緣狀態(tài)。對放電產物的清楚作用。影響加工表面組織變化層的主要因素加工表面層的組織變化在電火花線切割加工過程中，由于脈沖放電時所產生的瞬時高溫和工作液冷卻作用，工件表面會發(fā)生組織變化，并可粗略地分為熔融凝固層、淬火層和熱影響層。變化層的厚度變化層厚度是指熔融凝固層的厚度。因放電的隨機性較大，在同樣的加工條件下，不同點的熔融凝固層的厚度明顯不均勻。變化層的厚度主要與脈沖放電能量有關，大約為Rmax的2～3倍。實驗表明，熔融凝固層的厚度總體上來說隨脈沖能量的增加而增加。顯微硬度電火花線切割加工獲得的表面總體上是硬脆的，適于用超聲波拋光等方法去除加工表面軟化層，提高模具使用壽命。顯微裂紋與應力電火花線切割就愛共表面由于受高溫作用并在工作液中迅速冷卻，一般都會產生拉應力，甚至出現(xiàn)顯微損耗。一般裂紋僅在熔融凝固層出現(xiàn)，且脈沖能量愈大或是工件材料愈硬脆，愈容易產生顯微裂紋并出現(xiàn)某些空穴。所以，在切割硬脆材料時，應盡量選用窄脈沖精規(guī)準加工。4.3.4影響電極絲損耗的主要因素脈沖參數增大單脈沖能量，增大脈沖寬度和峰值電流以與提高電流電壓，有利于提高切割速度，對于降低電極絲的絲徑損耗來說，增大脈沖寬度更為有效。一般來說，增大脈沖峰值電流會使電極絲損耗增大，但只要適當控制電流的上升速度，其電極絲損耗的增加是有限的。但峰值電流增加有利于提高切割速度，得根據實際加工的側重點，合理調配脈沖組合，以達到最佳狀態(tài)。脈沖波形脈沖電流上升速度增大脈沖電流的上升速度會增大電極絲的絲徑損耗，且上升速度越快，電極絲的絲徑損耗也愈大。脈沖前沿時間并非愈長愈好，而是有一個最佳值。脈沖電流波形電極絲材料與移動速度為了獲得好的工藝效果，應選用加工穩(wěn)定性好、抗拉強度高，且耐損耗的材料做電極絲。常用的有黃銅絲、紫銅絲、鎢絲、鉬絲、鎢鉬絲等。工作液低速走絲電火花線切割加工主要用去離子水做工作液，極間污染程度不僅會影響工藝效果，也會影響電極相對損耗。實驗表明，加工過程中的電化學所發(fā)生的陽極溶解有助于提高切割速度和改善加工表面粗糙度，而陰極所發(fā)生的陰極電鍍現(xiàn)象有助于補償電極絲的損耗。高速走絲電火花線切割加工采用皂化油乳化液。第五章試驗總結結論體會與展望5.1實驗總結本課題進行電火花線切割加工零件試驗，熟悉其加工特性，進行參數優(yōu)化，為其實際應用建立工藝基礎。5.1.1反映電火花加工工藝效果的主要指標反映電火花線切割加工工藝效果的主要指標有:切割速度、表面粗糙度、加工精度和電極絲損耗量等。電火花加工線切割參數一般分為電參數和非電參數,它們相互影響,關系錯綜復雜。切割速度、表面粗糙度、加工精度和電極絲損耗量的主要影響表現(xiàn)在以下幾個方面:1.切割速度在保持一定的表面粗糙度的切割過程中，單位時間內電極絲中心線在工件上切出的面積總和稱為切割速度，單位為mm2/min。最高切割速度是指在不計切割方向和表面粗糙度等條件下，所能達到的切割速度。通常高速走絲線切割速度為80～180mm2/min，它與加工電流大小有關。為了比較不同輸出電流脈沖電源的切割效果，將每安培電流的切割速度稱為切割效率，一般切割效率為20mm2/（min·A）。2.表面粗糙度和電火花加工表面粗糙度一樣，我國和歐洲常用輪廓算術平均偏差（μm）來表示，高速走絲線切割一般的表面粗糙度為義Ra5～2.5μm，最佳也只有Ra1μm左右；低速走絲線切割一般可達Ra1.25μm，最佳可達Ra0.04μm。用高速走絲方式切割鋼工件時，在切割出表面的進出口兩端附近，往往有黑白相間交錯的條紋，仔細觀察時能看出黑的微凹，白的微凸，電極絲每正、反向換向一次，便有一條黑白條紋，這是由于工作液出人口處的供應狀況和蝕除物的排除情況不同所造成的。如圖所示，電極絲入口處工作液供應充分，冷卻條件好，蝕除量大但蝕除物不易排出，工作液在放電間隙中受高溫熱裂分解出的碳黑和鋼中的碳微粒，被移動的鉬絲帶入間隙，致使放電產生的碳黑等物質凝聚附著在該處加工表面上，使該處呈黑色。而在出口處工作液少，冷卻條件差，但因靠近出口排除蝕除物的條件好，又因工作液少，蝕除量小，在放電產物中碳黑也較少，且放電常在小包泡等氣體中發(fā)生，因此表面呈白色。由于在氣體中放電間隙比在液體中的放電間隙小，所以電極絲人口處的放電間隙比出口處大。由于電極絲人口處和出口處的切縫寬度不同，就使電極絲在一次換向期間的切縫不是直壁縫，而具有一定的斜度，如圖所示。圖5.1線切割表面黑白條紋與其切縫形狀電極絲往復運動產生黑白條紋b）電極絲入口和出口處的寬度c）電極絲不同走向處的剖面圖1一電極絲運動方向2—微凹的黑色部分3—微凸的白色部分3.電極絲損耗量 對高速走絲機床，用電極絲在切割10000mm2面積后電極絲直徑的減少量來表示。每切割10000mm2后，鉬絲直徑減小不應大于0.01mm。4.加工精度加工精度是指所加工工件的尺寸精度、形狀精度（如直線度、平面度、圓度等〉和位置精度（如平行度、垂直度、傾斜度等）的總稱?？焖僮呓z線切割的可控加工精度在胃0.01～0.02mm左右，低速走絲線切割可達0.002?0.005μm左右。5.1.2電參數的影響1.脈沖寬度ti通常ti加大時加工速度提高而表面粗糙度變差。一般ti＝2～60μs，在分組脈沖與光整加工時，ti可小至0.5μs以下。 2.脈沖間隔t0t0減小時平均電流增大，切割速度加快，但t0不能過小，以免引起電弧和斷絲。一取取t0＝（4～8）ti，在剛切人、或大厚度加工時，應取較大的t0值。3開路電壓?i該值會引起放電峰值電流和放電加工間隙的改變。?i提高，加工間隙增大，排肩變易,提高了切割速度和加工穩(wěn)定性，但易造成電極絲振動，通常?i的提高還會使絲損加大。4放電峰值電流?ε這是決定單脈沖能量的主要因素之一。?ε增大時，切割速度提高，表面粗糙度變差,極絲損耗比加大甚至斷絲。一般?ε小于40人，平均電流小于5A。低速走絲線切割加，因脈寬很窄，電極絲又較粗且使用一次，故?ε常大于100A甚至達1000A。5放電波形在相同的工藝條件下，高頻分組脈沖常常能獲得較好的加工效果。電流波形的前沿上升比較緩慢時.電極絲損耗較少。不過當脈寬很窄時，必須要有陡的前沿才能進行有效的加工。5.1.3非電參數的影響電極絲與其移動速度對工藝指標的影響對于高速走絲線切割，廣泛采用0.06 ～0.20mm的鉬絲，因它耐損耗、抗拉強度高、絲質不易變脆且較少斷絲。提高電極絲的張力可減輕絲振的影響，從而提高精度和切割速度。絲張力的波動對加工穩(wěn)定性影響很大，產生波動的原因是：導輪、導輪軸承磨損偏擺、跳動；電極絲在卷絲筒上纏繞松緊不均；正反運動時張力不一樣；工作一段時間后電極絲伸長，張力下降。采用恒張力裝置可以在一定程度上改善絲張力的波動。電極絲的直徑決定了切縫寬度和允許的峰值電流。最高切割速度一般都是用較粗的絲實現(xiàn)的。在切割小模數齒輪等復雜零件時，采用細絲才能獲得精細的形狀和很小的圓角半徑。隨著走絲速度的提高，在一定范圍內，加工速度也提高。提高走絲速度有利于電極絲把工作液帶人較大厚度的工件放電間隙中，有利于電蝕產物的排除和放電加工的穩(wěn)定。但走絲速度過高，將加大機械振動，降低精度和切割速度，表面粗糙度也惡化，并易造成斷絲，一般以小于10m/s為宜。低速走絲線切割機床，電極絲的材料和直徑有較大的選擇范圍。高生產率時可用0.3mm以下的鍍鋅黃銅絲，允許較大的峰值電流和氣化爆炸力。精微加工時可用0.03mm以上的鉬絲、鎢絲。由于電極絲張力均勻，振動較小，所以加工穩(wěn)定性、表面粗糙度、精度指標等均較好。2.工件厚度與材料對工藝指標的影響工件材料薄，工作液容易進人并充滿放電間隙，對排屑和消電離有利，加工穩(wěn)定性好。但工件太薄，電極絲易產生抖動，對加工精度和表面粗糙度不利。工件厚，工作液難于進入和充滿放電間隙，加工穩(wěn)定性差，但電極絲不易抖動，因此精度較高，表面粗糙度較小。切割速度（指單位時間內切割的面積，單位為mm2/min）先隨厚度的增加而增加，當達到某一最大值（一般為50～100mm）后開始下降，這是因為厚度過大時，沖液和排屑條件變差。工件材料不同，其熔點、氣化點、熱導率等都不一樣，因而加工效果也不同。例如采用乳化液加工時：（1）加工銅、鋁、淬火鋼時，加工過程穩(wěn)定，切割速度高。（2）加工不銹鋼、磁鋼、未淬火高碳鋼時，穩(wěn)定性較差，切割速度較低，表面質量不太好。（3）加工硬質合金時，比較穩(wěn)定，切割速度較低，表面粗糙度小。3.預置進給速度對工藝指標的影響預置進給速度（指進給速度的調節(jié)，俗稱變頻調節(jié)）對切割速度、加工精度和表面質量的影響很大。因此，應調節(jié)預置進給速度，緊密跟蹤工件蝕除速度，保持加工間隙恒定在最佳值上。這樣可使有效放電狀態(tài)的比例大，而開路和短路的比例少，使切割速度達到給定加工條件下的最大值，相應的加工精度和表面質量也好。如果預置進給速度太快，超過工件可能的蝕除速度，會出現(xiàn)頻繁的短路現(xiàn)象，切割速度反而低（欲速則不達，表面粗糙度也差，上下端面切縫呈焦黃色，甚至可能斷絲；反之，進給速度調得太慢，大大落后于工件可能的蝕除速度，極間將偏開路，有時會時而開路時而短路，上下端面切縫發(fā)焦黃色，這兩種情況都大大影響工藝指標。因此，應按電壓表、電流表調節(jié)進給旋鈕，使表針穩(wěn)定不動，此時進給速度均勻、平穩(wěn)，是線切割加工速度和表面粗糙度均好的最佳狀態(tài)。此外，機械部分精度（例如導軌、軸承、導輪等磨損、傳動誤差）和工作液（種類、質量分數與其臟污程度）都會對加工效果產生相當的影晌。當導輪、軸承偏擺，工作液沖水不均勻時，會使加工表面產生上下凹凸相間的條紋，惡化工藝指標。5.2所獲結論5.2.1合理選擇電參數1.要求切割速度高時當脈沖電源的空載電壓高、短路電流大、脈沖寬度大時，則切割速度高。但是切割速庚和表面粗糙度的要求是互相矛盾的兩個工藝指標，所以，必須在滿足表面粗糧度的前提下再追求高的切割速度。切割速度還受到間隙消電離的限制，也就是說，脈沖間隔也要適宜。2.要求表面粗糙度好時若切割的工件厚度在80mm以內，則選用分組波的脈沖電源為好。它與同樣能量的矩形波脈沖電源相比，在相同的切割速度條件下，可以獲得較好的表面粗糙度。無論是矩形波還是分組波，其單個脈沖能量小，則Ra值小，亦即脈沖寬度小、脈沖間隔適當、峰值電壓低、峰值電流小時，表面粗糙度較好。3.要求電極絲損耗小時應選用前階梯脈沖波形或脈沖前沿上升緩慢的波形，由于這種波形電流的上升率低(即di/dt?。士梢詼p小絲損。4.要求切割厚工件時選用矩形波、高電壓、大電流、大脈沖寬度和大的脈沖間隔可充分消電離，從而保證加工