《數(shù)控機床》課件項目5

項目5數(shù)控特種加工機床5.1技能解析5.2項目的引出5.3數(shù)控特種加工機床概述5.4數(shù)控電火花成型加工機床5.5數(shù)控電火花線切割加工機床5.6數(shù)控激光切割機床5.7典型數(shù)控特種加工機床介紹5.8典型數(shù)控成型加工機床介紹5.9實訓(xùn)

5.1技能解析

(1)了解特種加工的分類，熟悉數(shù)控電火花成型加工機床、數(shù)控電火花線切割加工機床、數(shù)控激光切割機床的分類、組成及各部分的功用。

(2)通過實訓(xùn)了解數(shù)控電火花成型加工機床、數(shù)控電火花線切割加工機床、數(shù)控激光切割機床相關(guān)的設(shè)備部件構(gòu)成、工作原理、加工零件工藝特點和使用條件。

5.2項?目?的?引?出

典型零件1：

如圖5-1所示的零件為電火花成型加工的型腔。由于機械加工時，沒有足夠長度的刀具，或者這種刀具沒有足夠的剛性，不能加工具有足夠精度的零件，此時可以用電火花進行

加工。圖5-1型腔加工典型零件2：

如圖5-2所示的零件為電火花成型加工的小孔。對各種圓形小孔、異形孔的加工，如線切割的穿絲孔、噴絲板型孔等，以及長深比非常大的深孔，很難采用鉆孔方法加工，而采用電火花或者專用的高速小孔加工機可以完成各種深度的小孔加工。圖5-2小孔加工典型零件3：

如圖5-3所示的零件為電火花成型加工的表面。如刻制文字、花紋，對金屬表面的滲碳和涂覆特殊材料來進行電火花強化等。另外通過選擇合理加工參數(shù)，也可以直接用電火花加工出一定形狀的表面蝕紋。圖5-3表面處理加工典型零件4：

如圖5-4所示的零件為電火花線切割加工的模具。電火花線切割加工主要用于沖模、擠壓模、塑料模及電火花成型加工用的電極等。目前，電火花線切割加工的精度已達到可以與坐標磨床相競爭的程度，而且線切割加工的周期短、成本低，配合數(shù)控系統(tǒng)，操作簡單。圖5-4模具加工典型零件5：

如圖5-5所示的零件為電火花線切割加工的微細結(jié)構(gòu)和復(fù)雜形狀的零件。電火花線切割利用細小的電極絲作為火花放電加工工具，又配有數(shù)控系統(tǒng)，所以可以輕易地加工出具有微細結(jié)構(gòu)和復(fù)雜形狀的零件。圖5-5具有微細結(jié)構(gòu)和復(fù)雜形狀的零件加工典型零件6：

如圖5-6所示的零件為電火花線切割加工的硬質(zhì)導(dǎo)電材料的零件。由于電火花加工不靠機械切削，與材料硬度無關(guān)，所以電火花線切割可以加工硬質(zhì)導(dǎo)電的材料及硬質(zhì)合金材料。圖5-6加工硬質(zhì)合金與高速鋼車刀典型零件7：

如同5-7所示為激光打孔。利用聚焦透鏡直接打孔，孔的大小和圓度取決于激光光斑的大小及圓度。激光加工速度快、表面變形小，可以加工各種材料。圖5-7激光打孔

5.3數(shù)控特種加工機床概述

5.3.1特種加工的產(chǎn)生及發(fā)展

與傳統(tǒng)的機械加工相比，特種加工的不同點包括：

(1)不是主要依靠機械能，而是主要用其他能量(如電、熱、光、聲、化學(xué)等)去除金屬材料。

(2)加工過程中工具和工件之間不存在顯著的機械切削力，故加工的難易程度與工件硬度無關(guān)。目前，國際上對特種加工技術(shù)的研究主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)微細化。目前，國際上對微細電火花加工、微細超聲波加工、微細激光加工、微細電化學(xué)加工等的研究方興未艾，特種微細加工技術(shù)有望成為三維實體微細加工的主流技術(shù)。

(2)特種加工的應(yīng)用領(lǐng)域正在拓寬。例如，非導(dǎo)電材料的電火花加工，電火花、激光、電子束的表面改性等。

(3)廣泛采用自動化技術(shù)。充分利用計算機技術(shù)對特種加工設(shè)備的控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)進行優(yōu)化，建立綜合參數(shù)自適應(yīng)控制裝置、數(shù)據(jù)庫等，進而建立特種加工的CAD/CAM和FMS系統(tǒng)，這是當(dāng)前特種加工技術(shù)的主要趨勢。用簡單工具電極加工復(fù)雜的三維曲面是電解加工和電火花加工的發(fā)展方向。5.3.2特種加工的分類

特種加工的分類還沒有明確的規(guī)定，一般按能量來源和作用形式以及加工原理可分為表5-1所示的形式。

5.4數(shù)控電火花成型加工機床

5.4.1電火花成型加工概述

1．電火花成型加工的原理

電火花成型加工基于電火花腐蝕原理，是在工具電極與工件電極相互靠近時，極間形成脈沖性火花放電，在電火花通道中產(chǎn)生瞬時高溫，使金屬局部熔化，甚至汽化，從而將金屬蝕除。這一過程大致分為以下幾個階段，如圖5-8所示。

(1)極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道，如圖5-8(a)所示。工具電極與工件電極緩緩靠近，極間的電場強度增大，由于兩電極的微觀表面是凹凸不平的，因此在兩極間距離最近的A、B處電場強度最大。工具電極與工件電極之間充滿了液體介質(zhì)，液體介質(zhì)中不可避免地含有雜質(zhì)及自由電子，它們在強大的電場作用下，形成了帶負電的粒子和帶正電的粒子，電場強度越大，帶電粒子就越多，最終導(dǎo)致液體介質(zhì)電離、擊穿，形成放電通道。放電通道是由大量高速運動的帶正電和帶負電的粒子以及中性粒子組成的。

(2)電極材料的熔化、汽化熱膨脹，如圖5-8(b)、(c)所示。液體介質(zhì)被電離、擊穿，形成放電通道后，通道間帶負電的粒子奔向正極，帶正電的粒子奔向負極，粒子間相互撞擊，產(chǎn)生大量的熱能，使通道瞬間達到很高的溫度。通道高溫首先使工作液汽化，然后高溫向四周擴散，使兩電極表面的金屬材料開始熔化直至沸騰汽化。圖5-8電火花成型加工原理

(3)電極材料的拋出，如圖5-8(d)所示。正、負電極間產(chǎn)生的電火花現(xiàn)象，使放電通道產(chǎn)生高溫高壓。通道中心的壓力最高，工作液和金屬汽化后不斷向外膨脹，形成內(nèi)外瞬間壓力差，高壓力處的熔融金屬液體和蒸氣被排擠，拋出放電通道，大部分被拋入到工作液中。仔細觀察電火花加工，可以看到橘紅色的火花四濺，這就是被拋出的高溫金屬熔滴和碎屑。

(4)極間介質(zhì)的消電離，如圖5-8(e)所示。加工液流入放電間隙，將電蝕產(chǎn)物及殘余的熱量帶走，并恢復(fù)絕緣狀態(tài)。若電火花放電過程中產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物來不及排除和擴散，產(chǎn)生的熱量將不能及時傳出，使該處介質(zhì)局部過熱，局部過熱的工作液高溫分解、積炭，使加工無法繼續(xù)進行，并燒壞電極。因此，為了保證電火花加工過程的正常進行，在兩次放電之間必須有足夠的時間間隔讓電蝕產(chǎn)物充分排出，恢復(fù)放電通道的絕緣性，使工作液介質(zhì)消電離。上述步驟(1)～(4)在一秒內(nèi)約數(shù)千次甚至數(shù)萬次地往復(fù)式進行，即單個脈沖放電結(jié)束，經(jīng)過一段時間間隔(即脈沖間隔)使工作液恢復(fù)絕緣后，第二個脈沖又作用到工具電極和工件上，又會在當(dāng)時極間距離相對最近或絕緣強度最弱處擊穿放電，蝕出另一個小凹坑。這樣以相當(dāng)高的頻率連續(xù)不斷地放電，工件不斷地被蝕除，故工件加工表面將由無數(shù)個相互重疊的小凹坑組成，如圖5-9所示。所以電火花加工是大量的微小放電痕跡逐漸累積而成的去除金屬的加工方式。圖5-9電火花表面局部放大圖

2.電火花成型加工的特點

1)主要優(yōu)點

(1)適合于難切削材料的加工：由于加工中材料的去除是靠放電時的電熱作用實現(xiàn)的，材料的可加工性主要取決于材料的導(dǎo)電性及其熱學(xué)特性，而幾乎與其力學(xué)性能無關(guān)。因此可以實現(xiàn)用軟的工具加工硬韌的工件，甚至可以加工像聚晶金剛石、立方氮化硼一類的超硬材料。

(2)可以加工特殊及復(fù)雜形狀的零件：由于加工中工具電極和工件不直接接觸，沒有機械加工宏觀的切削力，因此適宜加工低剛度工件及微細加工。由于可以簡單地將工具電極的形狀復(fù)制到工件上，因此特別適用于復(fù)雜表面形狀工件的加工。

2)電火花成型加工的局限性

(1)主要用于加工金屬等導(dǎo)電材料。

(2)加工速度一般較慢。

(3)存在電極損耗。

3．電火花成型加工的應(yīng)用

由于電火花成型加工具有許多傳統(tǒng)切削所無法比擬的優(yōu)點，因此其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，目前已廣泛應(yīng)用于機械(特別是模具制造)、宇航、航空、電子、電機電器、精密機械、儀器儀表、汽車、拖拉機、輕工等行業(yè)，以解決難加工材料及復(fù)雜形狀零件的加工問題。電火花成型加工的加工范圍已達到小至幾微米的小軸、孔、縫，大到幾十米的超大型模具和零件。5.4.2數(shù)控電火花成型加工機床

1．?dāng)?shù)控電火花成型加工機床的組成

數(shù)控電火花成型加工機床包括主體、數(shù)控裝置、脈沖電源等，如圖5-10所示。圖5-10數(shù)控電火花成型加工機床

2．?dāng)?shù)控電火花成型加工機床的主體

數(shù)控電火花成型加工機床主體主要由床身、立柱、主軸頭、工作臺及潤滑系統(tǒng)等組成，如圖5-11所示。

(1)機床主體部分。主體主要包括：主軸頭、床身、立柱、工作臺和工作液槽幾部分。

(2)主軸頭。主軸頭是電火花成型機床中的關(guān)鍵部件，是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)，對加工工藝指標的影響極大。對主軸頭的要求是：結(jié)構(gòu)簡單，傳動鏈短，傳動間隙小，熱變形小，具有足夠的精度和剛度，以適應(yīng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)慣性小、靈敏度好、能承受一定負載的要求。主軸頭主要由進給系統(tǒng)、導(dǎo)向防扭機構(gòu)、電極裝夾及其調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)組成。

(3)工具電極夾具。工具電極的裝夾及其調(diào)節(jié)裝置的形式很多，其作用是調(diào)節(jié)工具電極和工作臺的垂直度，以及調(diào)節(jié)工具電極在水平面內(nèi)微量的扭轉(zhuǎn)角，常用的有十字鉸鏈式和球面鉸鏈式。圖5-11電火花成型加工機床主體

(4)自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在電火花成型加工設(shè)備中，自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)占有很重要的位置，它的性能直接影響加工穩(wěn)定性和加工效果。

電火花成型加工的自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要包括伺服進給系統(tǒng)和參數(shù)控制系統(tǒng)。伺服進給系統(tǒng)主要用于控制放電間隙的大??；而參數(shù)控制系統(tǒng)主要用于控制電火花成型加工中的各種參數(shù)(如放電電流、脈沖寬度、脈沖間隔等)，以便能夠獲得最佳的加工工藝指標等。伺服進給系統(tǒng)的作用是在電火花成型加工中，電極與工件必須保持一定的放電間隙。由于工件不斷被蝕除，電極也不斷地損耗，故放電間隙將不斷擴大。如果電極不及時進給補償，放電過程會因間隙過大而停止。反之，間隙過小又會引起拉弧燒傷或短路，這時電極必須迅速離開工件，待短路消除后再重新調(diào)節(jié)到適宜的放電間隙。

3．脈沖電源及工作液系統(tǒng)

1)脈沖電源

在電火花加工過程中，脈沖電源的作用是把工頻正弦交流電流轉(zhuǎn)變成頻率較高的單向脈沖電流，向工件和工具電極間的加工間隙提供所需要的放電能量以蝕除金屬。脈沖電源的性能直接關(guān)系到電火花加工的加工速度、表面質(zhì)量、加工精度、工具電極損耗等工藝指標。脈沖電源輸入為380V、50Hz的交流電，其輸出應(yīng)滿足如下要求：

(1)要有一定的脈沖放電能量，否則不能使工件金屬汽化。

(2)火花放電必須是短時間的脈沖性放電，這樣才能使放電產(chǎn)生的熱量來不及擴散到其他部分，從而有效地蝕除金屬，提高成型性和加工精度。

(3)脈沖波形是單向的，以便充分利用極性效應(yīng)，提高加工速度和降低工具電極損耗。

(4)脈沖波形的主要參數(shù)(峰值電流、脈沖寬度、脈沖間歇等)有較寬的調(diào)節(jié)范圍，以滿足粗、中、精加工的要求。

(5)有適當(dāng)?shù)拿}沖間隔時間，使放電介質(zhì)有足夠時間消除電離并沖去金屬顆粒，以免引起電弧而燒傷工件。

(1)弛張式脈沖電源。弛張式脈沖電源是最早使用的電源，它是利用電容器充電儲存電能，然后瞬時放出，形成火花放電來蝕除金屬的。因為電容器時而充電，時而放電，一弛一張，故又稱“弛張式”脈沖電源(如圖5-12所示)。由于這種電源是靠電極和工件間隙中工作液的擊穿作用來恢復(fù)絕緣和切斷脈沖電流的，因此間隙大小、電蝕產(chǎn)物的排出情況等都影響脈沖參數(shù)，使脈沖參數(shù)不穩(wěn)定，所以這種電源又稱為非獨立式電源。圖5-12馳張式脈沖電源

(2)閘流管脈沖電源。閘流管是一種特殊的電子管，當(dāng)對其柵極通入一脈沖信號時，便可控制管子的導(dǎo)通或截止，輸出脈沖電流。由于這種電源的電參數(shù)與加工間隙無關(guān)，故又稱為獨立式電源。閘流管脈沖電源的生產(chǎn)率較高，加工穩(wěn)定，但脈沖寬度較窄，電極損耗較大。

(3)晶體管脈沖電源。晶體管脈沖電源是近年來發(fā)展起來的以晶體元件作為開關(guān)元件的用途廣泛的電火花脈沖電源，其輸出功率大，電規(guī)準調(diào)節(jié)范圍廣，電極損耗小，故適用于型孔、型腔、磨削等各種不同用途的加工。晶體管脈沖電源已越來越廣泛地應(yīng)用在電火花加工機床上。

2)工作液

數(shù)控電火花成型加工機床的工作液主要為煤油、變壓器油和專用油，專用油是為放電加工專門研制的鏈烷烴系，以碳化氫為主要成分的礦物油為主體，其黏度低、閃電高、冷卻性好、化學(xué)穩(wěn)定性好，但分餾工藝要求高、價格較貴。

工作液在放電過程中的作用是：壓縮放電通道，使能量高度集中；加速放電間隙的冷卻和消除電離，并加劇放電的液體動力過程。工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)由工作液箱、油泵、電動機、過濾器、工作液分配器、閥門、油泵等組成，可進行沖液和抽液。有的機床上還采用脈動沖液方式，與電極抬升同步使用，這樣既能充分排除加工產(chǎn)物，又可降低沖液壓力，使電極損耗與加工穩(wěn)定性有所改善。

工作液過濾裝置常用介質(zhì)有紙質(zhì)、硅藻土等，過濾器的過濾精度一般為10μm，微精度加工要求1～2μm。使用中應(yīng)注意濾芯堵塞程度，及時更換。

(1)自然沉淀法：這種方法速度太慢，周期太長，只用于單件小用量或精微加工。

(2)介質(zhì)過濾法：此法常用黃砂、木屑、棉紗頭、過濾紙、硅藻土、活性炭等過濾介質(zhì)。

(3)高壓靜電過濾、離心過濾法等：這些方法技術(shù)上比較復(fù)雜，采用較少。

5.5數(shù)控電火花線切割加工機床

5.5.1電火花線切割加工概述

1．電火花線切割加工的原理

電火花線切割加工的基本原理是利用移動的細金屬導(dǎo)線(銅絲或鉬絲)作電極，對工件進行脈沖火花放電、切割成型。圖5-13所示為高速走絲電火花線切割工藝及裝置的示意圖。利用細鉬絲4作工具電極進行切割，儲絲筒7使鉬絲做正反向交替移動，加工能源由脈沖電源3供給。在電極絲和工件之間澆注工作液介質(zhì)，工作臺在水平面兩個坐標方向各自按預(yù)定的控制程序并根據(jù)火花間隙狀態(tài)做伺服進給移動，從而合成各種曲線軌跡，使工件切割成型。圖5-13電火花線切割工作原理

2．電火花線切割加工的特點

(1)由于電極工具是直徑較小的細絲，故脈沖寬度、平均電流等不能太大，加工工藝參數(shù)的范圍較小，屬中、精正極性電火花加工，工件常接電源正極。

(2)采用水或水跡工作液，不會引燃起火，容易實現(xiàn)安全無人運轉(zhuǎn)，但由于工作液的電阻率遠比煤油小，因而在開路狀態(tài)下，仍有明顯的電解電流。

(3)一般沒有穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)。因為電極絲與工件始終有相對運動，尤其是快速走絲點火花線切割加工，因此，線切割加工的間隙狀態(tài)可以認為是由正?；鸹ǚ烹姟㈤_路和短路這三種狀態(tài)組成的，但往往在單個脈沖內(nèi)有多種放電狀態(tài)，有“微開路”、“微短路”現(xiàn)象。

(4)電極與工件之間存在著“疏松接觸”式輕壓放電現(xiàn)象。近年來的研究結(jié)果表明，當(dāng)柔性電極絲與工件接近到通常認為的放電間隙(例如8～10μm)時，并不發(fā)生火花放電。甚至當(dāng)電極絲已接觸到工件，從顯微鏡中已看不到間隙時，也常?？床坏交鸹?。只有當(dāng)工件將電極絲頂彎，偏移一定距離(幾微米到幾十微米)時，才發(fā)生正常的火花放電。亦即每進給1μm，放電間隙并不減小1μm，而是鉬絲增加一點張力，向工件增加一點側(cè)向壓力，只有電極絲和工件之間保持輕微接觸壓力，才形成火花放電?？梢哉J為，在電極絲和工件之間存在著某種電化學(xué)產(chǎn)生的絕緣薄膜介質(zhì)，當(dāng)電極絲被頂彎所造成的壓力和電極絲相對工件的移動摩擦使這種介質(zhì)減薄到可被擊穿的程度，才發(fā)生火花放電。

(5)省掉了成型的工具電極，大大降低了成型工具電極的設(shè)計和制造費用，縮短了生產(chǎn)準備時間，加工周期短，這對新產(chǎn)品的試制是很有意義的。

(6)電極絲比較細，可以加工微細異形孔、窄縫和復(fù)雜形狀的工件。由于切縫很窄，且只對工件材料進行“套料”加工，因此實際金屬去除量很少，材料的利用率很高，這對加工、節(jié)約貴重金屬有重要意義。

(7)由于采用移動的長電極絲進行加工，使單位長度電極絲的損耗較少，從而對加工精度的影響比較小，特別在低速走絲線切割加工時，電極絲一次性使用，電極絲損耗對加工精度的影響更小。

3．電火花成型加工與電火花線切割加工的區(qū)別

1)共同特點

(1)二者的加工原理相同，都是通過電火花放電產(chǎn)生的熱來熔解去除金屬的，所以二者加工材料的難易與材料的硬度無關(guān)，加工中不存在顯著的機械切削力。

(2)二者的加工機理、生產(chǎn)率、表面粗糙度等工藝規(guī)律基本相似，可以加工硬質(zhì)合金等一切導(dǎo)電材料。

2)不同特點

(1)從加工原理來看，電火花加工是將電極形狀復(fù)制到工件上的一種工藝方法，如圖5-14(a)所示，在實際中可以加工通孔(穿孔加工)和盲孔(成型加工)，如圖5-14(b)、(c)所示，而線切割加工是利用移動的細金屬導(dǎo)線(銅絲或鉬絲)做電極，對工件進行脈沖火花放電、切割成型的一種工藝方法。圖5-14電火花成型加工

(2)從產(chǎn)品形狀角度看，電火花加工必須先用數(shù)控加工等方法加工出與產(chǎn)品形狀相似的電極；線切割加工中產(chǎn)品的形狀是通過工作臺按給定的控制程序移動而合成的，只對工件進行輪廓圖形加工，余料仍可利用。

(3)從電極角度看，電火花加工必須制作成型用的電極(一般用銅、石墨等材料制作而成)；線切割加工用移動的細金屬導(dǎo)線(銅絲或鉬絲)做電極。

(4)從電極損耗角度看，電火花加工中電極相對靜止，易損耗，故通常采用多個電極加工；而線切割加工中由于電極絲連續(xù)移動，使新的電極絲不斷地補充和替換在電蝕加工區(qū)受到損耗的電極絲，避免了電極損耗對加工精度的影響。

(5)從應(yīng)用角度看，電火花加工可以加工通孔、盲孔，特別適宜加工形狀復(fù)雜的塑料模具等零件的型腔以及刻文字、花紋等，如圖5-15(a)所示；而線切割加工只能加工通孔，能方便地加工出小孔、形狀復(fù)雜的窄縫及各種形狀復(fù)雜的零件，如圖5-15(b)所示。圖5-15加工產(chǎn)品實例5.5.2數(shù)控電火花線切割加工機床

1．?dāng)?shù)控電火花線切割加工機床的分類和型號

1)分類

數(shù)控電火花線切割加工機床可按多種方法進行分類，通常按電極絲的走絲速度分成快速走絲線切割機床(WEDM-HS)與慢速走絲線切割機床(WEDM-LS)。

(1)快速走絲線切割機床。如圖5-16所示為快速走絲線切割機床。這類機床的線電極運行速度快(鉬絲電極以8～10m/s做高速往復(fù)運動)，而且是雙向往返循環(huán)的運行，即成千上萬次地反復(fù)通過加工間隙，一直使用到斷線為止。線電極主要是鉬絲(直徑為0.1～0.2?mm)，工作液通常采用乳化液，也可采用礦物油(切割速度低，易產(chǎn)生火災(zāi))、去離子水等。由于電極線的快速運動能將工作液帶進狹窄的加工縫隙，起到冷卻作用，同時還能將加工的點蝕物帶出加工間隙，以保持加工間隙的“清潔”狀態(tài)，有利于切割速度的提高。相對來說，快速走絲電火花線切割加工機床的結(jié)構(gòu)比較簡單，但是由于它的運絲速度快、機床的振動較大，線電極的振動也大，導(dǎo)絲導(dǎo)輪耗損也大，給提高加工精度帶來較大的困難。數(shù)控線切割機床的床身是安裝坐標工作臺和走絲系統(tǒng)的基礎(chǔ)，應(yīng)有足夠的強度和剛度。坐標工作臺由步進電動機經(jīng)雙片消隙齒輪、傳動滾珠絲杠螺母副和滾動導(dǎo)軌實現(xiàn)X、Y方向的伺服進給運動，當(dāng)電極絲和工件間維持一定間隙時，即產(chǎn)生火花放電。

走絲系統(tǒng)的儲絲筒由單獨電動機、聯(lián)軸節(jié)和專門的換向器驅(qū)動，做正反向交替運轉(zhuǎn)，走絲速度一般為6～10m/s，并且保持一定的張力。圖5-16快速走絲數(shù)控電火花線切割機床

(2)慢速走絲線切割機床。如圖5-17所示為慢速走絲線切割機床，運行速度一般為3m/min左右，最高為153m/min?？墒褂眉冦~、黃銅、鎢、鉬和各種合金以及金屬涂覆線作為線電極，其直徑為0.03～0.35mm。慢速走絲線切割機床，由于解決了能自動卸除加工廢料、自動搬運工件、自動穿電極絲和自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用，因而已能實現(xiàn)無人操作的加工。圖5-17慢速走絲數(shù)控電火花線切割機床

2)型號

數(shù)控電火花線切割機床型號的含義如下：

2．?dāng)?shù)控電火花線切割加工機床的組成

(1)坐標工作臺。坐標工作臺是安裝工件相對線電極進行移動的部分，由工作臺驅(qū)動電動機(直流或交流電動機和步進電動機)、測速反饋系統(tǒng)、進給絲杠(一般使用滾珠絲杠)、X向拖板、Y向拖板、安裝工件工作臺和工作液盛盤所組成。工作臺驅(qū)動系統(tǒng)與其他數(shù)控機床一樣，有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)方式。

(2)錐度切割。為了切割有落料角的沖模和某些有錐度(斜度)的內(nèi)外表面，線切割機床一般具有錐度切割功能。一般可采用上(或下)絲臂沿X或Y方向平移，如圖5-18(a)所示，這種方法錐度不宜過大，否則導(dǎo)輪易損壞；上、下絲臂同時繞一中心移動，如圖5-18(b)所示，此方法加工錐度也不宜過大；上、下絲臂分別沿導(dǎo)輪徑向平動和軸向擺動，如圖5-18(c)所示，此方法不影響導(dǎo)輪磨損，最大切割錐度通?？蛇_15°。圖5-18錐度切割(a)上(下)絲臂平動法；(b)上(下)絲臂繞一中心移動；(c)上(下)絲臂沿導(dǎo)輪徑向平動和軸向擺動在一些高功能的線切割機床上，上導(dǎo)向器具有U、V軸(平行X、Y軸)的驅(qū)動，與工作臺的X、Y軸形成四軸同時控制，如圖5-19所示。這種方式的數(shù)控系統(tǒng)須強有力的軟件支持，可

實現(xiàn)上下異形截面形狀的加工，最大傾斜角可達5°，甚至達30°。圖5-19U、V、X、Y四軸同時控制

(3)線電極驅(qū)動裝置。線電極驅(qū)動裝置也叫走絲系統(tǒng)?？焖僮呓z線切割的線電極，被排列整齊地繞在一只由電動機(交流或直流)驅(qū)動的儲絲筒上，如圖5-20所示，線電極經(jīng)絲架，由導(dǎo)輪和導(dǎo)向器定位，穿過工件，再經(jīng)過導(dǎo)向器、導(dǎo)輪返回到儲絲筒。加工線電極在儲絲筒電動機的驅(qū)動下，將它經(jīng)導(dǎo)輪、導(dǎo)向器送到加工間隙進行放電加工，從間隙出來后，再由導(dǎo)向器、導(dǎo)輪送回儲絲筒，并排列整齊地收回到儲絲筒上，這樣反復(fù)地通過加工間隙。如果驅(qū)動貯絲筒的電動機是交流電動機，則一般線電極通過加工區(qū)的速度(450m/min左右，取決于儲絲筒的外徑)是固定的。采用直流電動機驅(qū)動儲絲筒的，其結(jié)構(gòu)大致相同，但是它可以根據(jù)加工工件的厚度調(diào)節(jié)線電極走絲速度，使加工參數(shù)更為合理。尤其在進行大厚度工件切割時，要有較高的走絲速度，這樣會更有利于線電極的冷卻和電蝕物的排除，以獲得較小的表面粗糙度。圖5-20快速走絲架結(jié)構(gòu)示意圖慢速走絲電火花線切割加工機床的走絲系統(tǒng)如圖5-21所示。它是單向運絲，即新線電極只一次通過加工間隙，因而線電極的損耗對加工精度的影響較小。線電極通過加工間隙的速度(走絲速度)可根據(jù)工件厚度進行調(diào)節(jié)。加工時，要保持線電極的恒速、恒張力，因而使加工切縫能自始至終穩(wěn)定(切縫的一致性還與脈動電源、伺服方式和導(dǎo)向器形式等有關(guān))，具有更高的加工精度。圖5-21慢速走絲電火花線切割機走絲系統(tǒng)

3．脈沖電源及工作液系統(tǒng)

(1)脈動電源是數(shù)控電火花線切割機床最重要的組成部分，是決定線切割加工工藝指標的關(guān)鍵部件，即數(shù)控電火花線切割加工機床的切割速度、加工面的表面粗糙度、加工尺寸精度、加工表面的形狀和線電極的損耗，主要決定于脈動電源的性能。數(shù)控電火花線切割脈沖電源與電火花成型加工電源基本相同，不過受表面粗糙度和電極絲允許承載電流的限制，線切割加工脈沖電源的脈寬較窄(2～60μs)，單個脈沖能量、平均電流(1～5A)一般較小，所以線切割加工總是采用正極性加工。脈沖電源的形式和品種很多，如晶體管矩形波脈沖電源、高頻分組脈沖電源、并聯(lián)電容型脈沖電源和低損耗電源等。

(2)工作液系統(tǒng)。在電火花線切割加工過程中，需要穩(wěn)定地供給有一定絕緣性能的工作液，以冷卻電極絲和工件，排除電蝕物等，保證線切割加工的持續(xù)進行。工作液系統(tǒng)由工作液、工作液箱、工作液泵和循環(huán)導(dǎo)管等組成。線切割機床工作液系統(tǒng)圖如圖5-22所示。圖5-22線切割機床工作液系統(tǒng)圖工作液一般采用7%～10%的植物性皂化液或DX-1油酸鉀乳化油水溶液。工作方式為由工作液泵提供工作液循環(huán)噴注的壓力進行工作。每次脈沖放電后，工件與電極絲之間必須迅速恢復(fù)絕緣狀態(tài)，這是靠工作液的絕緣作用實現(xiàn)的。工作液噴注到切口中，使得脈沖放電不能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定持續(xù)的電弧放電，否則會影響加工質(zhì)量和精度。工作液一般采用從電極絲四周進液的方法流向加工區(qū)域，通常是用噴嘴直接沖到工件與電極絲之間，如圖5-23所示。由于液流實際上是不穩(wěn)定的，容易使電極絲產(chǎn)生振動，因此當(dāng)線架的跨距較大，且直接進液產(chǎn)生的沖擊力和振動會影響到工件的精度時，建議采用環(huán)形噴嘴結(jié)構(gòu)，如圖5-24所示。圖5-23噴嘴

圖5-24環(huán)形噴嘴5.6數(shù)控激光切割機床

5.6.1激光加工的原理及特點

1．激光加工的原理

由于激光的發(fā)散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的(微米甚至亞微米)小斑點上，加上它本身強度高，故可以使其焦點處的功率密度達到107～1011W/cm2，溫度可達10?000℃以上。激光加工是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程，如圖5-25所示。圖5-25激光加工示意圖

2．激光加工的特點

(1)激光加工的功率密度高達107～1011W/cm2，幾乎可以加工任何材料。例如，耐熱合金、陶瓷、石英、金剛石等硬脆性材料都能加工。

(2)激光光斑大小可以聚焦到微米級，輸出功率可以調(diào)節(jié)，因此可用于精密微細加工。

(3)加工所用的工具是激光束，是非接觸加工，所以沒有明顯的機械力，沒有工具損耗問題；加工速度快、熱影響區(qū)小，容易實現(xiàn)加工過程自動化；還能通過透明體進行加工，如對真空管內(nèi)部進行焊接加工等。

(4)與電子束加工等比較起來，激光加工裝置比較簡單，不要求復(fù)雜的抽真空裝置。

(5)激光加工是一種瞬時、局部熔化、汽化的熱加工，影響因素很多，因此，精微加工時，精度，尤其是重復(fù)精度和表面粗糙度不易保證，必須進行反復(fù)試驗，尋找合理的參數(shù)，才能達到一定的加工要求。由于光的反射作用，對于表面光澤或透明材料的加工，必須預(yù)先進行色化或打毛處理。

(6)加工過程中會產(chǎn)生金屬氣體及火星等飛濺物，要注意通風(fēng)抽走，操作者應(yīng)戴防護眼鏡。5.6.2數(shù)控激光切割機床的組成

1．激光器

目前常用的激光器按激活介質(zhì)的種類可以分為固體激光器和氣體激光器；按激光器的工作方式大致分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。表5-2列出了激光加工常用激光器的主要性能特點。二氧化碳激光器是以二氧化碳為工作物質(zhì)的分子激光器，連續(xù)輸出功率可達萬瓦，是目前連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器，它發(fā)出的譜線是在10.6μm附近的紅外區(qū)，比其他加工用的激光的波長要長得多，非金屬材料對其的吸收性能好。二氧化碳激光器的效率可以高達20%以上，這是因為二氧化碳激光器的工作能級壽命比較長，大約在范圍內(nèi)。工作能級壽命長有利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的積累。另外，二氧化碳的工作能級離基態(tài)近，激勵閾值低，而且電子碰撞分子時把分子激發(fā)到工作能級的幾率比較大。為了提高激光器的輸出功率，二氧化碳激光器一般都加進氮(N2)、氦(He)、氙(Xe)等輔助氣體和水蒸氣。

二氧化碳激光器的一般結(jié)構(gòu)如圖5-26(a)所示，主要包括放電管、諧振腔、冷卻系統(tǒng)和激勵電源等部分。圖5-26二氧化碳激光器的結(jié)構(gòu)示意圖放電管一般用硬質(zhì)玻璃管做成，對要求高的二氧化碳激光器可以采用石英玻璃管來制造，放電管的直徑約幾厘米，長度可以從幾十厘米至十米。二氧化碳氣體激光器的輸出功率與放電管的長度成正比，通常每米長的管子其輸出功率平均可達40～50W。為了縮短空間長度，長的放電管可以做成折疊式，如圖5-26(b)所示。折疊的兩段之間用全反射鏡來連接光路。二氧化碳氣體激光器的諧振腔多采用平凹腔，一般總以凹面鏡作為全反射鏡，而以平面鏡作輸出端反射鏡。全反射鏡一般鍍金屬膜，如金膜、銀膜或鋁膜。這三種膜對10.6μm的反射率都很高，金膜穩(wěn)定性最好，所以用的最多。輸出端的反射鏡可有幾種形式：第一種形式是在一塊全反射鏡的中心開一個小孔，外面再貼上一塊能透過10.6μm波長的紅外材料，激光就從這個小孔輸出；第二種形式是用鍺或硅等能透過紅外的半導(dǎo)體材料做成反射鏡，表面也鍍上金膜，而在中央留個小孔不鍍金，效果和第一種差不多；第三種形式是用一塊能透過10.6μm波長的紅外材料，加工成反射鏡，再在它上面鍍以適當(dāng)反射鏡的金膜或介質(zhì)膜。二氧化碳激光器的激勵電源可以用射頻電源、直流電源、交流電源和脈沖電源等，其中交流電源用得最為廣泛。二氧化碳激光器一般都用冷陰極，常用電極材料有鎳、鉬和鋁。因為鎳發(fā)射電子的性能比較好，濺射比較小，而且在適當(dāng)溫度時還有使CO還原成CO2分子的催化作用，有利于保持功率穩(wěn)定和延長壽命。

2．激光電源

電源為激光器提供所需的能量。大功率激光器一般用特殊負載的電源來激勵工作物質(zhì)(例如固體和氣體工作物質(zhì))。在氣體激光器中，電源直接激勵氣體放電管；在固體激光器中，激勵工作物質(zhì)的是泵浦燈。根據(jù)激光器的不同工作狀態(tài)，電源可在連續(xù)或脈沖狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。

3．光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)是激光加工設(shè)備的主要組成部分之一，它由導(dǎo)

光系統(tǒng)(包括折反鏡、分光鏡、光導(dǎo)纖維及耦合元件等)、觀察系統(tǒng)及改善光束性能裝置(如勻光系統(tǒng))等部分組成，如圖5-27所示。圖5-27激光導(dǎo)光系統(tǒng)

(1)將激光束從激光器輸出窗口引導(dǎo)至被加工工件的表面，并在加工部位獲得所需的光斑形狀、尺寸及功率密度。

(2)指示加工部位。為了便于激光束對準加工部位，多采用可見的氦-氖激光器或白熾燈光同軸對準，以指示激光器加工位置，便于調(diào)整整個光路系統(tǒng)。

(3)觀察加工過程及加工零件。尤其在微小型件的加工中光學(xué)系統(tǒng)是必不可少的。

4．機械系統(tǒng)

激光加工是一種微細精密加工，機床設(shè)計時要求機械傳動鏈短，盡可能減少傳動間隙，光路系統(tǒng)調(diào)整靈活方便，并牢靠鎖緊；激光加工不存在明顯的機械力，強度問題不必過多考慮，但機床剛度問題不可忽視，還要防止受環(huán)境溫度影響而引起的變形；為保持工件表面及聚焦物鏡的清潔，必須及時排除加工產(chǎn)物，因此機床上都設(shè)計有吹氣或吸氣裝置。激光加工中激光束與工件位置的控制，可用以下三種方式實現(xiàn)：

(1)工件移動，而激光頭和光束制導(dǎo)裝置固定不動。

(2)激光頭和光束制導(dǎo)裝置移動，工件固定不動。

(3)光束制導(dǎo)裝置移動，激光頭和工件不動。

5．控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)還能隨運動狀態(tài)而自動調(diào)節(jié)激光功率、連續(xù)與脈沖運行方式，并對激光加工過程所需的氣體、添加材料等進行控制。以濟南鑄造鍛壓機械研究所生產(chǎn)的LC系列數(shù)控激光切割機為例，簡要介紹其主要組成，如圖5-28所示。圖5-28LC系列數(shù)控激光切割機外形圖該機床主要由床身、工作臺、橫梁、Z軸切割箱、數(shù)控系統(tǒng)和激光發(fā)生器等組成。板材放于工作臺上，由氣動夾鉗固定，工作臺做X軸運動，切割箱在橫梁上做Y軸向運動，切割嘴相對板材的距離隨板材的起伏上下(Z軸)移動。加工時，從激光器發(fā)出的激光經(jīng)反射光道由切割嘴射出，聚焦在板材內(nèi)部。數(shù)控系統(tǒng)主要進行加工軌跡插補控制、補償控制和作為輔助功能的開關(guān)光、切割嘴的提升、落下等控制，還有顯示、自診斷等功能。

數(shù)控激光切割機工作臺上插有板材支撐桿，使工作臺不被激光束損壞，并能使切割下的廢渣料落入下面的廢料槽中，再由不銹鋼拖鏈自動排出廢渣料。切割頭下面帶有壓力傳感器，壓力傳感器通過探腳將切割嘴距板材的距離信號傳回數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)板材的上下起伏，控制Z軸伺服電動機使切割頭上下浮動，保持切割嘴與板材的距離恒定，以保證激光束的聚焦點落在板材內(nèi)部。

5.7典型數(shù)控特種加工機床介紹

5.7.1數(shù)控電火花成型加工機床

在眾多的數(shù)控電火花成型加工機床中，典型的有漢川機床廠生產(chǎn)的HCD300K型精密數(shù)控電火花成型機床，如圖5-29所示。圖5-29HCD300K型精密數(shù)控電火花成型機床外形圖

HCD300K型精密數(shù)控電火花成型機床是一種中等規(guī)格的高精密特種加工機床，該機床兼?zhèn)鋰鴥?nèi)外同類機床的特點，是以用戶的實際需要為目的設(shè)計開發(fā)的一種結(jié)構(gòu)新穎、性能可靠的精密電火花成型機床，具有造型美觀、操作方便、附件齊全等特點。它采用紫銅、石墨、鋼、銅鎢合金等電極材料，能對碳素鋼、工具鋼、合金鋼、淬火鋼、硬質(zhì)合金及其他高硬度金屬材料進行放電加工，可加工沖壓模(落料模、復(fù)合模、級進模等)、型腔模(精鍛模、壓注模、壓延模、注塑模等)以及各種零件的坐標孔及復(fù)雜的異形曲面，還可以加工0.1mm以上的小孔和0.2mm的窄縫，廣泛應(yīng)用于電機、儀表、儀器、汽車、航空、航天、輕工、軍工、模具等行業(yè)。

1．HCD300K機床的性能特點

(1)該機床具有三軸數(shù)控的特點。

(2)機床主軸采用方形結(jié)構(gòu)，具有剛性好、抗扭轉(zhuǎn)性能高的特點，主軸用精密直線滾動導(dǎo)軌塊，精密滾珠絲杠傳動，靈敏度高，伺服性能好，加工穩(wěn)定。

(3)機床伺服坐標采用精密滾珠絲杠副作為坐標定位元件，配以高品質(zhì)的直線滾動導(dǎo)軌，定位精度高。

(4)機床除了具有電機夾頭及安裝工件用的必備附件外，還備有用戶選用附件及用戶特殊選用附件，增強了機床的使用功能，擴大了機床的使用范圍。

(5)機床的工作液槽采用雙開門結(jié)構(gòu)，操作空間大，方便工件的裝卸。簡捷的管路可快速地上油或放油，節(jié)約輔助時間，提高工作效率。

2．HCD300K機床的主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)

(1)工作臺。

工作臺面積(長×寬) 630mm×350mm

工作臺最大行程縱向(X) 300mm

橫向(Y) 200mm

工作臺允許承載最大重量 300kg

(2)工作液槽。

內(nèi)部尺寸(長×寬×高)1070mm×550mm×340mm

容量 200L

(3)主軸。

主軸垂直行程(Z)

250mm

主軸端面距工作臺面最大距離≥510mm

允許最大電極重量 50kg

電極連接板尺寸124mm×180mm

(4)坐標定位精度。

X軸：0.014Y軸：0.011

(5)油箱。

容量 330L

液泵流量 60L/min

外形尺寸(長×寬×高)1120mm×800mm×520mm

(6)效率。

最大加工電流 50A

最大加工生產(chǎn)率 400mm3/min

最佳加工表面粗糙度 Ra≤0.3μm

最低電極損耗 ≤0.3%

(7)主機外形尺寸(長×寬×高)1335mm×1110mm×2213mm

(8)機床質(zhì)量 1600kg

(9)整機噪聲 ≤70dB5.7.2數(shù)控電火花線切割加工機床

在眾多的數(shù)控電火花線切割機床中，典型的有江蘇東成機床制造有限公司生產(chǎn)的DK7725數(shù)控電火花線切割機床，如圖5-30所示。圖5-30DK7725數(shù)控電火花線切割機床的外形圖

DK7725數(shù)控電火花線切割機床屬于中型電火花線切割設(shè)備，主要由機床、高頻電源控制柜、PC586型計算機、驅(qū)動電源組成。

該機床適用切割厚度120mm以內(nèi)的各種淬火金屬材料制作的通孔模具，以及用其他手段無法加工的形狀復(fù)雜的精密金屬零件。該機床利用電蝕加工原理由高頻電源控制柜提供電蝕電源(可調(diào))，用金屬絲(鉬絲)作為工具電極，零件作為另一極進行電蝕加工。機床工作臺的運動是按預(yù)先編制的程序由PC586型計算機控制的，因此該設(shè)備可以自動切割出任意角度的直線和半徑在9.999m以內(nèi)圓弧所組成的復(fù)雜平面圖形。

1．DK7725機床的性能特點

(1)具有大錐度、大厚度、高效率、高精度、新結(jié)構(gòu)等特色，處于同行業(yè)領(lǐng)先地位。

(2)機床控制柜集計算機、機床電氣、脈沖電源為一體。

(3)主機有單板機和微機兩種。

(4)微機控制系統(tǒng)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，編程和加工可同時

進行。

(5)剛性好、運行平穩(wěn)、功能強、操作方便可靠。

(6)全封閉床身、臺面帶T形槽、方框夾具。

(7)適合加工高精度、高韌性、難加工的導(dǎo)電金屬模具，以及復(fù)雜的金屬零件和模板。

(8)可加工平面、斜面、上下異形面，大大地擴展了線切割機床的加工范圍。

(9)可根據(jù)用戶需要增配半閉環(huán)。

2．DK7725機床的技術(shù)規(guī)格

(1)主要規(guī)格。

工作臺面尺寸(長×寬×高) 500mm×320mm

工作臺最大行程(縱×橫)

320mm×250mm

切割工件最大厚度 120mm

切割零件總重量 ≤125kg

(2)主要參數(shù)。

切割用鉬絲直徑 φ0.12～φ0.25mm

儲絲筒直徑 φ120mm

鉬絲移動速度 約8.8m/s

儲絲筒回轉(zhuǎn)速度 1400r/min

儲絲筒最大往復(fù)行程 150mm

手轉(zhuǎn)刻度盤每一格 0.01mm手轉(zhuǎn)刻度盤每轉(zhuǎn)一周工作臺移動 1mm

上下拖板標尺每一格 1mm

工作臺面T形槽槽數(shù) 5條

T形槽槽寬?×?槽距 10mm×63mm

步進電機步距角 1.5°

步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩 9kgf·cm

工作臺移動脈沖當(dāng)量 0.001mm儲鉬絲筒電機功率 250W

張緊機構(gòu)可逆電機功率 10W

冷卻泵電機功率 60W

冷卻泵流量 25dm3/min

設(shè)備總功耗 1.5kW

(3)外形尺寸及重量。

機床外形最大尺寸(長×寬×高)1585mm×1120mm

×1326mm

機床重量 約1.2t

設(shè)備總重量 約1.25t5.7.3數(shù)控激光切割機床

廣東大族粵銘激光科技股份有限公司生產(chǎn)的YM-1218型恒定光路激光切割機床是典型的數(shù)控激光切割機床，如圖5-31所示。該機床廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、彩盒、電子、輕工等各類模切板加工；碳鋼、不銹鋼、鋁合金等金屬薄板的切割加工；亞克力、塑膠、復(fù)合材料等各類非金屬中厚板材的切割加工。圖5-31YM-1218型恒定光路激光切割機床外形圖

1．YM-1218機床的性能特點

(1)?YM-1218型數(shù)控激光切割機床采用“恒定光路”的原理進行設(shè)計、制造，切割功率不受光程遠近的影響，確保切割縫隙均勻一致，校光及維護保養(yǎng)便利。該數(shù)控激光切割機床工作臺的運行方式為十字滑臺式。

(2)?YM-1218型數(shù)控激光切割機床配置了性能優(yōu)良的軸快流二氧化碳激光器，激光器輸出激光束，經(jīng)外光路系統(tǒng)處理及傳輸，再經(jīng)切割頭聚焦，并吹以輔助切割氣體，在數(shù)控機床的精密驅(qū)動下，實現(xiàn)對各種非金屬以及金屬板材的激光切割加工。

(3)YM-1218型數(shù)控激光切割機床的控制軟件運行在Windows操作系統(tǒng)上，具有CAD/CAM自動編程功能，可識別多種CAD圖形文件。為方便使用，客戶還可在系統(tǒng)中建立自己的激光切割工藝數(shù)據(jù)庫，使用時可直接從工藝數(shù)據(jù)庫中選取適宜的工藝方案。

(4)YM-1218型數(shù)控激光切割機床的關(guān)鍵器件，如CNC數(shù)控系統(tǒng)、交流伺服電動機及其驅(qū)動器、精密滾動直線導(dǎo)軌、精密滾珠螺桿、光學(xué)鏡片等均采用原裝進口，以保證設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

2．YM-1218機床的技術(shù)規(guī)格

工作面積 1800mm×1250mm

定位精度 ±0.03

重復(fù)定位精度±0.01

最大速度 10m/min

額定功率 1200W

機組重量4200kg

占地面積 35m2

5.8典型數(shù)控成型加工機床介紹

5.8.1數(shù)控壓力機床

1．主要組成

如圖5-32所示，該機床主要可分為沖壓主體、送進工作臺和數(shù)控柜三大部分。主體部分包括主傳動部件、轉(zhuǎn)盤部件、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動部件等，這些均在外罩2