《机械制造工艺》第八章.pptx

特种加工工艺u8.1 电火花加工u8.2 电解加工u8.3 其他特种加工特种加工又称为非传统加工或非常规加工，是指不属于传统加工工艺范畴的加工工艺方法。特种加工不使用刀具、磨具等工具切除金属，而采用电、磁、声、光等物理、化学能量或组合能量作用于被加工的表面上，使材料被去除、变形或改变性能等。特种加工工具的硬度可以低于被加工材料的硬度，即能做到“以柔克刚”；在特种加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力；特种加工主运动的速度一般都较低；加工后的表面边缘无微观毛刺和残留。特种加工尺寸加工表面加工用途电火花加工电火花加工是一种利用脉冲放电产生的热能进行加工的方法，它利用工具电极和工件间火花放电时瞬时产生的高温，使工件表面的局部金属腐蚀去除而对工件进行加工。8.1.1 电火花加工原理和特点1电火花加工原理电火花加工原理如右图所示，工件与工具电极分别与脉冲电源的两端相连接，两极之间有一个很小的放电间隙，间隙由自动进给装置调节和保证，两极间充满具有一定绝缘性能的液体（工作液）。电火花加工原理其加工过程为：当脉冲电压接入两极，在间隙最小处或绝缘强度最低处击穿工作液，并产生火花放电，瞬时产生的高温足以使工件表面的金属局部熔化、气化而被蚀除，在工件表面上形成微小的凹坑。放电过程可见到火花，故称之为电火花加工。加在两极上的脉冲电压脉冲放电结束后，经过一段时间间隔，工作液恢复绝缘，第二个脉冲电压又加在两极上，又会在电极间隙相对小或绝缘强度最低处击穿放电，重复上述过程。这样，依次下去，工具电极不断向工件进给，工件表面的金属将会不断被蚀除，工具电极的形状就会复制在工件上，从而加工出所需零件的型孔或型腔。这种放电循环每秒能够重复数千次到数万次。电火花加工原理电火花加工的放电过程是非常短暂而复杂的，每次脉冲放电蚀除材料的微观过程是电力、磁力、热力和流体动力等综合作用的过程。这一放电过程大致分为以下几个连续阶段：介质击穿通道放电熔化、气化、热膨胀电蚀产物的抛出极间介质消电离。由于工具电极和工件表面存在着微观的凹凸不平，在两者相距最近处电场强度最大，其间的工作液绝缘性能较低而最先被击穿，即工作液电离成离子和电子。在电场力的作用下，电子高速奔向正极，离子奔向负极，并产生火花放电，形成放电通道。这时，放电间隙的电阻由原来绝缘状态的几兆欧骤降到导电状态的几欧甚至几分之一欧，通过的电流由零增加到相当大的数值，放电间隙的电压由击穿电压下降到20 V左右的火花维持电压，如下图所示。电火花加工原理矩形波脉冲放电电压与放电电流波形电火花加工与机械加工相比具有以下特点。电火花加工是利用火花放电破坏材料的原理来工作的。由于脉冲放电能量密度高，因此可用普通切削加工难以加工或无法加工的金属材料，如淬火钢、硬质合金钢、耐热钢等，甚至可以加工超硬材料，如聚晶金刚石、立方氮化硼等。加工时，工具电极与工件不直接接触，没有机械加工的切削力，没有因切削力而产生的工艺问题，因此适宜微细加工及加工低刚度工件，也适宜加工小孔、窄槽以及各种复杂形状的型孔和型腔，特别是数控技术电火花加工可以简单形状的电极加工复杂形状的零件。2电火花加工的工艺特点 工具电极的材料不必比工件硬，能以柔克刚。因此，工具电极容易制造。目前电极材料多采用紫铜或石墨。电火花加工主要用于加工金属等导电材料，在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料。电火花加工工艺灵活性大，本身有“正极性加工”（工件接电源正极）和“负极性加工”（工件接电源负极）加工之分；还可与其他工艺结合，形成复合加工，如与电解加工复合等。电火花加工可直接利用电能、热能进行加工，便于实现加工过程的自动化。电火花加工时，脉冲能量作用在材料上的时间极短，而流动的工作液起到散热的作用，工件几乎不受热作用，保证了工件的加工精度不受热变形的影响。8.1.2 电火花加工的分类及其应用类别工艺特点用途备注 电火花穿孔成形加工 工具和工件间只有一个相对的伺服进给运动 工具为成形电极，与被加工表面有相同的截面或形状 型腔加工：加工各类型腔模及各种复杂的型腔零件 穿孔加工：加工各种冲模、挤压模、冶金模、各种异形孔及微孔等 约占电火花机床总数的30%，典型机床有D7125，D7140等电火花穿孔成形机床等 电火花线切割加工 工具电极为顺电极丝轴线移动着的线状电极 工具与工件在两个水平方向同时有相对伺服进给运动 切割各种冲模和具有直纹面的零件 下料、截割和窄缝加工 约占电火花机床总数的60%，典型机床有DK7725，DK7732数控电火花线切割机床等 电 火 花内孔、外圆和成形磨削 工具与工件有相对的旋转运动 工具与工件间有径向和轴向的进给运动 加工高精度、良好表面粗糙度的小孔，如拉丝模、挤压模、微型轴承内环、钻套等 加工外圆、小模数滚刀等 约占电火花机床总数的3%，典型机床有D6310电火花小孔内圆磨床等电火花加工工艺方法分类前五类属于电火花成形和尺寸加工，用于改变零件的形状、尺寸，最后一类属于表面加工方法。类别工艺特点用途备注 电火花同步共轭回转加工 成形工具与工件均作旋转运动，但二者角速度相等或成整倍数，相对应接近的放电点可有切向相对运动速度 工具相对工件可作纵、横向进给运动 以同步回转、展成回转、倍角速度回转等不同方式，加工各种复杂型面的零件，如高精度的异形齿轮，精密螺纹环规，高精度、良好表面粗糙度的内、外回转体表面等 约占电火花机床总数的1%，典型机床有JN-2，JN-8内外螺纹加工机床等 电火花高速小孔加工 采用细管（f0.3 mm）电极，管内冲入高压水基工作液 细管电极旋转 穿 孔 速 度 极 高，大 于60 mm/min 加工线切割预穿丝孔 加工深径比很大的小孔，如喷咀等 约占电火花机床总数的1%，典型机床有D7003A电火花高速小孔加工机床等 电火花表面强化、刻字 工具在工件表面上振动 工具相对工件移动 模具、刀具、量具刃口表面强化和镀覆 电火花刻字、打印记 约占电火花机床总数的2%3%，典型机床有D9105电火花强化机床等电火花加工工艺方法分类8.1.3 电火花加工的基本规律电火花加工的工艺指标主要有加工精度、加工表面质量、加工速度以及工具电极的相对损耗。研究电火花加工的基本规律，对于提高电火花加工速度、改善加工表面质量、降低工具电极的损耗是极为重要的。加工精度主要包括尺寸精度和形状精度。与普通的机械加工一样，电火花加工中，机床本身的制造精度、工件与电极的装夹定位误差等，都会影响加工精度，但除此之外影响其加工精度的主要因素为放电间隙的大小、工具电极的损耗及其稳定性等。1影响加工精度的主要因素1）尺寸精度电火花加工中，工具电极与工件间存在一个放电间隙，如果加工过程中放电间隙能保持不变，则可获得较高的尺寸精度。但是，放电间隙的大小随着电参数、电极材料、工作液绝缘性能的变化而变化，要使放电间隙保持相对稳定，就必须使电参数、工作液的绝缘性能甚至机床的精度、刚度保持稳定。间隙均匀性对加工的尺寸精度也有影响，尤其是对形状复杂的加工表面，如棱角部位，电场强度分布不均匀，间隙越大，这种分布不均匀的影响越严重。因此，为了减少加工误差，应该采用较小的电规准，缩小放电间隙，减小放电间隙变化量，提高尺寸精度。此外，工具电极的损耗、加工过程的稳定性对尺寸精度也有影响。目前，电火花加工的精度一般为0.0050.01 mm。2）形状精度影响电火花加工形状精度的主要因素是工具电极损耗和二次放电。（1）工具电极损耗工具电极的损耗是指单位时间内工具电极被蚀除的金属量。工具电极损耗会使工具电极产生斜度，因为工具电极的下端加工时间长，绝对损耗量大，而上端加工时间短，绝对损耗量小，所以工具电极损耗后会形成一个有斜度的锥形电极。电火花加工时，工具电极上的尖角或凹角，很难精确地复制在工件上，而是形成一个小圆角，如下图所示。原因是当工具电极为尖角时，由于尖角处的放电等距性，工件上只能加工出以尖角顶点为圆心、放电间隙为半径的圆弧；当工具电极为凹角时，凹角尖点根本不起放电作用，同时由于积屑，也会使工件尖端倒圆。电火花加工时的圆角（a）加工外表面 （b）加工内表面一般说来，在同一电极上，角上的损耗最大，棱边其次，端面损耗最小。在电火花加工工艺上，采用高频窄脉冲精加工，放电间隙小，圆角半径可以明显减小，一般可以获得圆角半径小于0.01 mm的尖棱。二次放电是指在已加工表面上，由于电蚀产物的介入，使极间实际距离减少或使极间工作液绝缘性能降低，再次发生非正常放电现象，使间隙扩大。在进行深度加工时，侧面上部入口处加工时间长，产生二次放电机会多，间隙扩大，因而会产生加工斜度，如下图所示。电火花加工时的加工斜度1电极无损耗时工具轮廓线；2有损耗而不考虑二次放电时的工件轮廓线二次放电次数越多，单个脉冲能量越大，加工斜度越大。因此应该从工艺上采取措施及时排除电蚀产物，使加工斜度减少，目前电火花精加工的斜度可控制在10以下。（2）二次放电电火花加工后的表面质量包括表面粗糙度、表面变质层、显微裂纹及表面力学性能。2影响加工质量的主要因素1）表面粗糙度电火花加工的表面与机械加工不同，机械加工表面由刀具切削痕迹构成，且具有方向性；而电火花加工表面由无数微小凹坑和光滑的凸边组成。在相同的表面粗糙度和有润滑油的条件下，电火花加工表面的润滑性能和耐磨性能比机械加工表面好。电火花加工表面粗糙度一般用表面微观算术平均偏差Ra表示，也可以用轮廓最大高度Rz表示。影响电火花加工表面粗糙度的因素有单个脉冲能量、脉冲持续时间和峰值电流、加工速度、工件材料的性能以及工具电极表面粗糙度。其中影响最大的是单个脉冲能量的大小。单个脉冲能量大，每次脉冲放电的蚀除量大，放电凹坑既大又深，表面粗糙度值大。因此，要减小表面粗糙度值，必须减小单个脉冲能量，使脉冲电流幅值和脉冲宽度减小。目前，电火花加工的表面粗糙度，粗加工时，Ra值为12.525 m；精加工时，Ra值可达到0.83.2 m；微细加工时，Ra值可达到0.20.8 m。但改善电火花加工的表面粗糙度会使加工速度明显降低，因此，一般加工到Ra为0.632.5 m后，采用研磨方法改善其表面粗糙度更为经济。工件材料的性能对表面粗糙度也有影响，在脉冲能量相同时，熔点高的材料（如硬质合金），其表面粗糙度比熔点低的材料（如钢）好；但熔点高的材料，其加工速度会减小。由于电极的相对运动，工件侧面的表面粗糙度比底面好。精加工时，工具电极的表面粗糙度会影响工件加工表面的粗糙度。由于石墨电极的表面很难加工到非常光滑的程度，因此石墨电极加工的表面粗糙度较差。2）表面变质层电火花加工过程中，由于火花放电时的高温及随后工作液的快速冷却，材料的表面会产生变质层，包括凝固层和热影响层，其物理、化学及力学性能均有所变化，有时还会伴随产生显微裂纹。凝固层：位于电火花加工表面的最上层，它是材料表面被火花放电瞬间产生的高温熔化，随后又受到工作液的快速冷却而形成的。它与基体金属的组织不同，是一种淬火组织，与内层金属结合不甚牢固。凝固层的厚度随脉冲能量的增大而增厚，一般为0.010.1 mm。热影响层：是位于凝固层和基体金属之间的一层金属层。热影响层只是受热影响而改变金相组织，并没有熔化，与基体组织没有明显界限。不同金属材料的热影响层金相组织是不同的；不同的温度场分布和冷却速度下，热影响层的厚度也是不同的。显微裂纹：电火花加工表面由于受高温作用后又迅速冷却会产生残余拉应力。当拉应力足够大时，会出现微细裂纹。不同材料对裂纹的敏感性是不同的，硬脆材料容易产生裂纹。淬火钢表面残余拉应力比未淬火钢大，所以淬火钢表面质量不高时，更容易产生裂纹。脉冲能量对显微裂纹的影响非常明显，能量越大，显微裂纹越宽、越深，并会扩展到热影响区；脉冲能量较小时，一般不出现显微裂纹。因此，对表面层质量要求高的工件应尽量避免使用较大的脉冲能量，并注意工件加工前的热处理质量。减少工件表面的残余应力是消除裂纹的有效措施。3）表面力学性能表面力学性能包括表面层显微硬度、残余应力以及耐疲劳性能。电火花加工过程中，加工的电参数、冷却条件和工件材料的热处理状态不同，加工后表面层的硬度也不同。一般说来，加工表面凝固层的硬度比较高，耐磨性好；热影响区硬度次之，基体材料硬度最低。在电火花线切割加工中，加工区有可能暴露在空气中，含碳量较高的材料会因表面脱碳造成工件表面凝固区的硬度大大降低。因此，对于要求高的零件，应把电火花加工后的表面层预先研磨掉。电火花加工后的表面由于存在着较大残余拉应力，甚至存在显微裂纹，其耐疲劳性能比机械加工的表面低很多。采用回火处理、喷丸处理等有助于降低残余应力，或使残余拉应力转变为压应力，从而提高其耐疲劳性能。电火花加工中，工具电极的损耗是产生加工误差的主要原因。影响工具电极损耗的因素十分复杂，研究表明，工具电极的损耗与极性效应、电参数、工作液、电极材料、工件材料的热物理常数等都有着密切的关系。3影响工具电极损耗的因素1）极性效应极性效应是指电火花加工中正、负极电蚀量不同的现象。在电火花加工中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀，即使是相同的材料（如钢加工钢），正、负极的电蚀量也是不同的；如果正、负极材料不同，其极性效应更加复杂。生产中，通常把工件接脉冲电源的正极、工具接负极，称为“正极性”加工；把工件接脉冲电源的负极、工具接正极，称为“负极性”加工，也称为“反极性”加工。一般来说，为了减小电极损耗，宽脉冲粗加工时采用负极性加工，窄脉冲精加工时采用正极性加工。不同脉冲宽度t与相对损耗的关系如下图所示。当峰值电流一定时，不论是正极性加工还是负极性加工，随着脉冲宽度的增加，电极的相对损耗都下降；而在脉宽小于15 s的窄脉宽范围内，正极性加工的相对损耗比负极性加工要小。电火花加工时的圆角2）电参数（电规准）电参数是指在电火花加工过程中的脉冲波形、电压、脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流、极性等参数。一般认为，电火花加工中，无论正极还是负极，都存在单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量在一定的范围内成正比的关系，工件电极在单位时间内的蚀除量就是电火花加工的生产率。脉冲电流波形ti脉冲宽度；to脉冲间隔；T脉冲周期；Ie电流峰值单个脉冲放电所释放的能量W取决于极间放电电压、放电电流和放电持续时间。脉冲电流的波形如图8-6所示。电火花加工中，火花维持电压与电极材料及工作液有关，其在煤油中，用纯铜加工钢时约为25 V，用石墨加工钢时约为3035 V；在乳化液中，用铜加工钢时约为1618 V。因此，对具体电极材料，工件的蚀除量与平均放电电流和脉冲宽度成正比。3）工作液工作液对电蚀量有较大的影响。电火花加工中，工作液的作用有：形成火花击穿电通道，并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态；对放电通道产生压缩作用，有利于脉冲能量充分作用；帮助电蚀产物抛出和排除；工作液的流动对工具、工件有冷却作用。目前，电火花成形加工主要采用油类为工作液。粗加工时，采用的脉冲能量大、加工间隙较大、爆炸排屑抛出能力强，一般选用介电性能和黏度较大的机油作为工作液；中、精加工时，放电间隙较小、排屑比较困难，故一般选用黏度小、流动性好、渗透性好的煤油作为工作液。用煤油等碳氢化合物作工作液时，在放电过程中，工作液将发生热分解产生大量的游离碳，它们能和金属结合形成中性金属碳化物微粒，称为胶团。中性的胶团经电离后会产生带负电荷的碳胶粒。碳胶粒在电场作用下向正极移动，并吸附在正极表面。此时，如果电极表面温度合适（高于400，低于电极熔点）且能保持一定时间，则能形成一定厚度的化学吸附层，通常称为黑膜。黑膜的存在对电极起着保护和补偿的作用，从而实现低损耗加工。由于黑膜只能吸附在正极，因此此时必须采用负极性加工。实验表明，峰值电流一定时，脉冲间隔不变，黑膜厚度随脉冲宽度的增加而增加；在脉冲宽度不变时，黑膜厚度随脉冲间隔的增加而减薄。4）电极材料电火花加工中，选择合适的电极材料，对减小电极损耗、保证电火花加工质量有着重要的意义。电火花加工用的电极材料要求熔点高、导热性好、加工稳定性好、损耗小。其中，银钨、铜钨合金熔点高、沸点高、加工稳定性好、损耗小；铜的熔点较低，但它的导热性好，因此损耗也小；石墨熔点高、导热性好，而且在长脉宽粗加工时，能形成黑膜保护层，电极损耗也小。在常用电极材料中，黄铜损耗最大。5）工件材料的热物理常数金属材料的热物理常数一般指比热容、熔化潜热、气化潜热、熔点、沸点、热导率等。比热容：使单位质量的金属材料温度升高1 K所需的热量（J/(kgK)）。熔化潜热：单位质量的金属熔化时所需热量（J/kg）。气化潜热：单位质量的金属气化时所需热量（J/kg）。热导率：单位时间、单位面积、温差为1 K时所传递的热量（W/(mK)）。热导率越大，表明传热能力越强。当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化潜热、气化潜热愈高，熔化和气化所需热量越多，蚀除量就愈少，工件就愈难加工。另一方面，金属的热导率愈大，表示金属传递热量的能力愈大，放电处瞬时获得的热能较多地传散到工件的其他部分，因此，加工速度较低。4电火花的加工速度在电火花加工中，正极和负极同时受到不同程度的腐蚀，单位时间内工件的蚀除量称为加工速度，又称为生产率。如果蚀除量以体积表示，就称为体积加工速度（mm3/min），如果蚀除量以质量表示，就称为质量加工速度（g/min）。加工速度的计算公式为 或式中：体积加工速度（mm3/min）；工件被蚀除的体积（mm3）；t 单位时间（min）；质量加工速度（g/min）；G 工件被蚀除的质量（g）。8.1.4 电火花线切割加工电火花线切割加工是在电火花加工基础上发展起来的一种新的工艺形式，是用线状电极（钼丝或铜丝）靠火花放电对工件进行切割，故称为电火花线切割，简称为线切割。它已获得广泛的应用，目前国内外线切割机床已占电加工机床的60%以上。电火花线切割加工与电火花成形加工一样，都是基于电极间脉冲放电时的电腐蚀原理；但它有别于电火花成形加工的是不需要制作复杂的成形电极，而是用一根很细的电极丝作工具电极。1线切割加工的工作原理与特点右图所示为高速走丝电火花线切割工艺及装置的示意图。它利用电极丝作工具电极进行切割，将电极丝5装在一个旋转的贮丝筒9上，经过丝架以一定的速度作正反向交替移动，加工能源由脉冲电源供给。电极丝接高频脉冲电源的负极，工件接脉冲电源的正极，以煤油或乳化液作为工作液。电火花线切割加工示意图1坐标工作台；2夹具；3工件；4脉冲电源；5电极丝；6导轮；7丝架；8工作液箱；9贮丝筒当电极丝和工件相对运动并接近工件时，工作液被击穿而形成火花放电，工件表面的金属瞬时熔化和气化。若电极丝按规定的方向移动，且移动速度与电极丝对工件的电腐蚀速度一致，即能达到切割加工的目的。工作台在水平面两个坐标方向各自按预定的控制程序，根据火花间隙状态作伺服进给移动，从而合成各种曲线轨迹，使工件切割成形。与电火花成形加工相比，电火花线切割加工有如下特点。采用水或水基工作液不会引燃起火，容易实现安全无人运转，而且工作液的电阻率远比煤油小。采用一根很细的金属丝做工具电极，不需要再制作复杂的成形电极，且被加工工件一般不需要预加工，降低了成本，缩短了生产周期，对新产品试制非常有利。能方便加工任意形状的复杂型孔、窄槽、微缝和小孔，可加工最小切缝宽0.04 mm，最小圆角半径R为0.03 mm，表面粗糙度值Ra为0.41.6 m，加工精度可达0.005 mm；且实际金属去除量很少，材料的利用率和能量利用率都很高。这尤其对加工贵重金属有重要意义。采用移动的长电极丝进行加工，单位长度电极丝的损耗少，对加工精度的影响小，特别在低速走丝线切割加工时，电极丝一次使用，电极损耗对加工精度的影响更小。加工电流小，属半精、精加工范围，采用正极性加工。在加工时，一般采用一个规准一次加工成形，中途不转换规准。机床的自动化程度较高，编制的程序可以重复使用，而且可以利用间隙补偿来加工不同要求的工件。在实体部分开始切割时，需要预先加工出穿丝用的孔。正因为有许多突出的长处，电火花线切割加工在国内外发展很快，得到了广泛的应用。但电火花线切割不能加工盲孔类零件表面和阶梯成形表面。线切割加工为零件（特别是精密零件）的加工制造、新产品试制以及模具制造找到了一条新的工艺途径，主要应用于以下三个方面。2线切割加工的应用范围1）加工零件在零件制造方面，线切割可用于加工品种多、数量少的零件，特殊难加工材料的零件，材料试验样件，如各种型孔、凸轮、样板、成形刀具等。在试制新产品时，可用线切割在板料上直接割出零件，如切割特殊微电机硅钢片定、转子铁心等，由于不需另行制造模具，可大大缩短制造周期、降低成本。线切割加工薄件时，还可多片叠在一起加工；同时，还可进行微细加工或异形槽的加工等。2）加工电火花成形加工用的电极一般，铜钨、银钨合金类材料的电极、带锥度型腔的电极等，用线切割加工特别经济；同时，线切割也适用于加工微细复杂形状的电极。3）加工模具线切割适用于加工各种形状的冲模；调整不同的间隙补偿量，只需一次编程就可以切割凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等，其模具配合间隙、加工精度通常都能达到要求。此外，线切割还可加工挤压模、粉末冶金模、弯曲模、塑压模等带锥度的模具。3电火花线切割机床1）电火花线切割机床的类型电火花线切割机床按电极丝运行方式分为往复走丝和单向走丝两种。这两类线切割机床在加工范围、加工工艺水平、机床的自动化程度、价格等方面都有较大差别。往复走丝机床又称为快速走丝或高速走丝线切割机床（WEDM-HS），是我国使用和生产的主要机型。它通常采用直径0.080.25 mm的钼丝或0.3 mm左右的铜丝作电极；走丝速度约810 m/s，通过贮丝筒和丝架往复运动；工作液采用5%的乳化液或去离子水。电极丝的快速运动能把工作液带进狭窄的加工缝隙，并把电蚀产物及时带出，不但生产率高，而且可稳定地加工较厚的工件。快速走丝速度一般不超过10 m/s，目前能达到的加工精度为0.01 mm，表面粗糙度Ra为0.632.5 m，最大切割速度可达50 mm3/min，切割厚度最大可达500 mm，可满足不同零件的加工要求。单向走丝机床又称为慢速走丝或低速走丝线切割机床（WEDM-LS），它是国外使用和生产的主要机型，我国也在进行开发生产。慢速走丝线切割机床采用直径0.030.35 mm的铜丝作电极；走丝速度为312 m/min；电极丝只是单向通过间隙，不重复使用，这样可避免电极损耗对加工精度的影响；工作液主要是去离子水和煤油。慢速走丝线切割机床的加工精度可达到0.001 mm，表面粗糙度可达到Ra 0.32 m以下。这类机床还能自动穿电极丝和自动卸除加工废料，自动化程度高；但电蚀产物排除较困难，不易切割厚工件，其售价比快速走丝线切割机床要高得多。2）电火花线切割机床的组成快速走丝电火花线切割加工机床1贮丝筒；2走丝溜板；3丝架；4纵向滑板；5横向滑板；6床身；7控制箱低速走丝电火花线切割加工机床1脉冲电源；2工件；3工作液箱；4去离子水；5泵；6新丝放丝卷筒；7工作台；8x轴电动机；9数控装置；10y轴电动机；11废丝卷筒下面两个图分别为快速和低速走丝线切割加工机床组成图。下面主要以我国快速走丝线切割机床为例介绍电火花线切割机床的组成。快速走丝线切割机床主要由机床本体、脉冲电源、数控系统等三部分组成，它是通过坐标工作台与电极丝的相对运动来完成对工件加工的。机床本体主要由床身、坐标工作台、运丝机构以及工作液循环系统等组成。床身：是坐标工作台、运丝机构支承和固定的基础，一般是用铸铁做成的箱体件。其内部还可安置脉冲电源和工作液箱，因而要求具有足够的强度和刚度。坐标工作台：安置在床身上，它由纵向滑板、横向滑板、导轨、滚珠丝杠和螺母运动副等组成。工件装在十字滑板上，加工时通过十字滑板在x，y方向上的移动来实现工件的进给。坐标工作台有很高的定位精度和移动精度，传动副之间必须消除间隙。（1）机床本体运丝机构：主要由贮丝筒和丝架组成，它们的作用是保证电极丝以一定的速度往复循环运行。在走丝时，电极丝整齐地排绕在贮丝筒上，并通过换向装置作正反方向转动。在运丝过程中，电极丝由丝架支承和导向，并依靠导轮保持其与工作台面垂直或倾斜成一定角度（锥度切割）。工作液及其循环系统：对电火花线切割加工的切割速度、切割精度、切割表面粗糙度等工艺指标影响很大。低速走丝线切割机床大多采用去离子水作工作液，在特殊精加工时才使用绝缘性能较高的煤油。快速走丝线切割机床大都采用专用的乳化液，生产中也可根据加工的具体条件进行选择。由于线切割切缝很窄，顺利排除电蚀产物极为重要，对快速走丝机床，通常采用浇注式供液；而对低速走丝机床，近年来有些采用浸泡式供液方式。目前用于电火花线切割的高频脉冲电源主要是晶体管脉冲电源。它的工作原理与电火花成形加工中所用的脉冲电源相同，不同的是电源的功率较小、频率较高。由于电火花线切割的电极丝直径很小，线切割的蚀除量很少，一般都用于精规准正极性加工成形。因此，高频输出端电压为100 V左右，加工电流15 A，脉冲宽度0.560 s，单个脉冲能量较小，并在维持火花放电的前提下，尽量缩短脉冲间隔。电火花线切割的脉冲电源频率、脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流等均应根据加工需要进行调整。（2）脉冲电源数控系统是进行电火花线切割加工的重要环节。它的主要作用是按加工要求自动控制电极丝相对工件的运动轨迹和进给要求，实现工件形状和尺寸的加工。电火花线切割机床的运动轨迹控制系统已普遍采用数字程序控制，并进入到微型计算机直接控制阶段。电火花线切割的数控控制过程是把图样上的工件形状和尺寸编制成程序信号，通过键盘、或使用穿孔纸带或磁带，输送给电子计算机，计算机根据输入指令控制驱动电机，由驱动电机带动精密丝杆，使工件相对于电极丝作轨迹运动。如下图所示为数控过程方框图。（3）数控系统数控过程方框图电火花线切割机床的数控系统能够控制加工同一平面上由直线和圆弧组成的任何图形的工件，这是最基本的控制系统。此外，还有带锥度切割、间隙补偿、螺距补偿、图形编程、图形显示等功能的控制。4电火花线切割编程技术电火花线切割加工过程是数控加工的一种。目前，高速走丝线切割机床一般采用3B，4B数控程序格式，而以3B格式用得最多。而低速走丝切割机床通常采用国际上通用的ISO（国际标准化组织）或EIA（美国电子工业协会）格式。我国生产的线切割控制系统也将逐步采用ISO代码。数控编程的方法手工编程计算机编程手工编程是数控编程的基本功。1）程序格式常见的平面图形很多都是由直线或圆弧线段组成的。任何复杂的图形都要分解为直线段和圆弧段依次编程。编程时需用的参数有五个：起点或终点坐标值X，Y；计数长度J（切割长度在X轴或Y轴上的投影长度）；计数方向G；轨迹的类型（被称为加工指令）Z。我国数控线切割机床统一采用五指令3B程序格式，如下表所示。BXBYBJGZ分隔符号X坐标值分隔符号Y坐标值分隔符号计数长度计数方向加工指令3B程序格式（1）分隔符号B因为X，Y，J均为数码，故用分隔符号B将其隔开。（2）坐标值X，Y为了简化数控装置，规定只输入坐标的绝对值，其单位为m，当X，Y为零时，可以不写，但必须保留分隔符号B。加工斜线（不与X，Y轴重合的直线段）时，取加工起点为坐标的原点，X，Y值为斜线终点坐标值；加工与X，Y轴重合的直线段时，Y值或X值为零；加工圆弧时，取圆心为切割坐标系的原点，X，Y为圆弧切割起点的坐标值。允许将X，Y值同时放大或缩小相同的倍数。在同一工件加工过程中，X，Y坐标轴的方向保持不变，即X滑板和Y滑板的运动方向保持不变。加工不同的曲线时，取的坐标原点不同，坐标只能平移，不能转动，即每加工一段圆弧或斜线都要把坐标系平移到圆弧的圆心或斜线的起点。（3）计数方向G加工斜线时，斜线在哪个坐标轴上的投影长度最长就取该坐标轴的方向为计数方向，即斜线在X轴上的投影长度最长时，计数方向为X方向，用Gx表示；在Y轴上的投影长度最长时，计数方向为Y方向，用Gy表示；在X轴和Y轴上的投影长度相等时，可任意选择取Gx或Gy。（4）计数长度J计数长度（控制长度）是从起点加工到终点时某一拖板进给的总长度，即加工图形在计数方向的投影长度（绝对值）总和，以m为单位。对于计数长度不足六位的，应写成六位，如1 949 m，应写成001949（近年生产的线切割机床，由于数控功能较强，也可不必补足六位，只写有效位数即可）。（5）加工指令Z加工指令Z有12种，根据被加工图形的形状、所在象限和加工方向等的不同，加工指令可分为直线L与圆弧R两大类。直线按走向和终点所在象限可分为L1，L2，L3，L4四种，如下图所示。直线加工指令（a）斜线 （b）与坐标轴重合的直线 圆弧按第一步进入的象限及走向的顺时针、逆时针划分，依顺时针走向的圆分为SR1，SR2，SR3，SR4；依逆时针走向的圆分为NR1，NR2，NR3，NR4，如下图所示。圆弧加工指令（a）顺时针 （b）逆时针2）直线的编程方法 把直线的起点作为坐标的原点；把直线的终点坐标值作为X，Y，可用公约数将X，Y缩小整倍数；计数长度J按计数方向Gx或Gy取X值或Y值，通常，计数长度和计数方向一起考虑；加工指令按前面所述方法确定，与X，Y轴重合的直线编程时，X，Y均可作0，且在B后可不写。3）圆弧的编程方法 把圆弧的圆心作为坐标原点；把圆弧的起点坐标值作为X，Y，均取绝对值，单位为m；计数长度J应取计数方向从起点到终点拖板移动的总距离，即圆弧在计数方向坐标轴（取X或Y轴上）的投影值上投影长度的总和。计数方向取终点坐标绝对值较小的方向，这与直线是相反的。一般地，取与该圆弧终点走向较平行的轴向作为计数方向，以减少编程和加工误差。加工指令按前面所述方法确定，即用SR(14)表示顺时针圆弧，用NR(14)表示逆时针圆弧。电解加工如下图所示，将两片金属（Fe，Cu）插入导电溶液中（如NaCl溶液），两者将出现电位差，形成所谓“原电池”，然后用导线把两金属片连接起来，就会有电流从导线中通过，并出现了铁的加速溶解。当按原电流方向加上一个直流电源时，电流加大，铁的溶解也加快。8.2.1 概述电化学加工原理电解质溶液是靠溶液中正、负离子定向移动而导电的。溶液中的正离子移向阴极并在阴极上得到电子进行还原反应，负离子移向阳极并在阳极表面失去电子进行氧化反应。这种在阳极、阴极表面产生得、失电子的化学反应称为电化学反应，通过电化学反应可从工件上去除或镀覆金属材料，这种工艺称为电化学加工。根据电化学加工原理，电化学加工可分为以下三类。电化学反应过程中，工件作为阳极溶解去除金属材料来进行加工，包括电解加工和电解抛光。电化学反应过程中，工件作为阴极表层沉积金属来进行加工，包括电镀、电铸、电刷镀。电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺，主要有电解磨削、电解电火花复合加工等。8.2.2 电解加工原理及其特点 电解加工示意图如下图所示为电解加工原理示意图。加工时，工件接直流电源的正极，工具电极接直流电源的负极。工具电极向工件缓慢进给，使两极之间保持较小的间隙（0.11 mm），这时阳极工件的金属被逐渐电解腐蚀。同时，具有一定压力（0.52 MPa）的电解液从间隙中高速（550 m/s）流过，将电解产物冲走。1电解加工原理电解加工成形原理加工刚开始时，工件加工面的初始形状与工具电极（阴极）不同，工件上各加工点距工具表面的距离不相同，如下图（a）所示，阴极与阳极距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的流速也较高，阳极溶解的速度较快；而阴极与阳极距离较远的地方，电流密度小，且电解液的流速也较慢，阳极溶解速度较慢。（a）（b）由于工具电极相对工件不断进给，工件表面上各点就以不同的溶解速度进行溶解，电解产物不断被电解液冲走，使工件表面逐渐接近工具电极表面的形状，直到把工具电极表面形状复印在工件上，如下图（b）所示。电解加工与其他加工方法相比较，具有以下特点。加工范围广。电解加工的加工范围不受金属材料本身硬度、强度以及加工表面复杂程度的限制，如可以加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度及高韧性金属材料，也可加工叶片、锻模等各种复杂型面。生产率高。电解加工可一次进给，进给速度可达0.315 mm/min，直接成形，无需粗、精加工分开，生产率约为电火花加工的510倍。在某些情况下，电解加工比切削加工的生产率还高，且生产率不受加工精度和表面粗糙度的直接限制。2电解加工特点 表面质量好。电解加工过程不存在机械切削力和切削热作用，故加工表面无残余应力和飞边、毛刺，表面粗糙度为Ra 0.21.25 m、平均加工精度为0.1 mm，电解微细加工钢件的精度可达1070 m。加工过程中阴极工具理论上不会耗损，可长期使用。电解加工受诸多因素的影响，技术难度高，不易达到较高的加工精度和保证加工稳定性。加工细的窄缝、小孔及小棱角比较困难，一般圆角半径大于0.2 mm。电解液对设备、工装有腐蚀作用，电解产物必须妥善处理，否则将污染环境。电解加工的附属设备比较多，占地面积较大，机床需有足够的刚性和防腐蚀性能，造价较高，因此单件小批生产时成本比较高。8.2.3 电解液电解液是电解加工的工作液，对电解加工的各项工艺指标有很大影响。正确选择电解液，对保证电解加工的正常进行有重要作用。电解液的主要作用如下。作为导电介质，传递电流。在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能顺利而有控制地进行。将加工间隙内产生的电解产物及热量及时带走，起到更新和冷却的作用。1电解液的作用电解加工对电解液总的要求是保证加工精度要高、加工表面质量好、加工效率高、实用性好。具体要求如下。具有足够的蚀除速度。电解质在溶液中应具有较高的溶解度和离解度，电解液中所含的阴离子应具有较正的标准电位，以免在阳极上产生析氧等副反应，降低电流效率。例如，NaCl在水溶液中几乎能完全离解为Na+和 离子，并能与水中的H+和 离子共存。2对电解液的基本要求 具有较高的加工精度和表面质量。电解液中的金属阳离子不应在阴极上产生放电反应而沉积到阴极工具上，以免改变工具电极的形状和尺寸，影响加工精度和表面质量。因此，所用电解液中的金属阳离子必须具有较负的标准电极电位，如Na+，K+等活泼金属离子。阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物。最终产物为不溶性化合物，可保证不再进入加工区域，保持电解过程和精度的稳定；同时便于收集处理，避免阳极溶解下来的金属阳离子在阴极上沉积。电解液性能要稳定，操作安全，对设备的腐蚀性小，价格便宜。NaCl是强电解质，在水溶液中几乎完全电离，导电能力强；电解液中含有活性 离子，阳极工件表面不易生成钝化膜，所以具有较大的蚀除速度，电流效率高，表面粗糙度也小；价格便宜，货源充足；腐蚀性小，使用时较安全，所以是应用最广泛的一种电解液，但其复制精度较差。3常用电解液的种类电解液中性盐溶液酸性溶液碱性溶液常用的有NaCl，NaNO3，NaClO3三种电解液。1）NaCl电解液NaNO3电解液是一种钝化型电解液，非加工区由于处于钝化状态受到钝化膜的保护，可以减少杂散腐蚀，提高加工精度。它主要用于高精度、小间隙、细长孔以及锗、钼、铌等难溶金属的加工。2）NaNO3电解液NaClO3电解液散蚀小，加工精度高，当加工间隙达1.25 mm以上时，阳极溶解几乎完全停止，能获得较小的表面粗糙度；它有很高的溶解度，导电能力强；但对人体有所损害，且会生成难溶性阳极薄膜，影响阳极溶解，因此仅用于加工钨、钼等金属材料。3）NaClO3电解液电解加工主要用于切削加工难以完成的领域，如硬质合金、淬火钢等硬度高、韧性大的材料和复杂的型面，在航空、航天行业和军工机械制造生产中有着广泛的应用，如航空发动机的叶片、涡轮转子、枪管和炮管的膛线加工等。1叶片的加工8.2.4 电解加工的应用叶片是航空发动机制造中最关键的零件，其形状复杂、壁薄易变形、材料难加工、精度要求高，且为批量生产，特别适合电解加工。叶片电解加工工艺路线如下图所示。其特点是加工效率高、生产周期短、手工劳动量小。叶片的电解加工工艺路线2枪炮管膛线加工膛线是在枪炮内膛表面加工出的一组从弹膛到管口始终贯穿的、均布于圆周方向的螺旋凹槽，如下图所示，其断面多为矩形。枪炮管膛线的电解加工在专用的机床上进行，枪、炮管接直流电源正极，工具电极接负极，从工具电极中喷出高压电解液，工具电极从弹膛移动到管口，移