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电火花线切割加工技术及常见问题分析
2014-5-8  来源:桂林航天工业学院  作者:杜春平 苏庆勇

      电火花线切割加工技术(简称线切割)是在电火花加工基础上发展起来的,靠电极丝与工件间的火花放电对工件进行切割。线切割机床是以一根沿本身轴线移动的细金属丝作为工具电极, 沿着给定的轨迹加工出相应几何图形的工件。线切割机床按走丝速度可分为快走丝、中走丝和慢走丝三种[1]。快走丝线切割机床的走丝速度一般为8~10 m/s, 可双向往返循环地运行, 加工效率高。低走丝线切割机床的走丝速度一般低于0.2 m/s, 电极丝作单向运动,且电极丝放电后不再使用, 加工精度高。结合快走丝和慢走丝机床的优缺点, 我国独创出中走丝线切割机,其原理为对工件作多次反复的切割,开头几刀用较快丝速、较强高频电流来切割,最后一刀则用较慢丝速、较弱高频电流修光。这样可实现高质量和高生产率的有效结合。本文以DK7732 型中走丝线切割机床为依托,阐述其原理,并总结在使用过程中产生的问题及解决措施。

   

 

1 加工原理

   

      电火花线切割机床的工作原理如图1 所示[2]。缠绕在运丝筒4 上的电极丝5 沿运丝筒的回转方向以特定的速度移动, 装在机床工作台上的工件2 由工作台按预定控制轨迹相对于电极丝作成形运动,就可加工出所需形状的工件。线切割机床常采用钼丝或硬性黄铜丝作为电极丝, 我校所配线切割机床主要是采用直径为0.2mm 的钼丝。脉冲电源3 发出的高频脉冲电压的一极接工件2, 另一极接电极丝5。在电极丝与工件之间加有足够的、具有一定绝缘性的工作液。当电极丝与工件间的距离小到一定程度时(大约为0.01mm),其间的介质被电离击穿出现脉冲放电,产生瞬时高温(可高达10000℃左右),使工件表面的金属局部熔化,乃至气化,把熔化金属材料抛出或被液体介质冲走,从而切割成形。

   

 

                          

   

2 加工中常见问题及解决措施

   

2.1 断丝

   

      在加工过程中经常会出现断丝现象, 既降低产品质量又影响生产效率。造成断丝的因素很多,如传动机构、电极丝及装丝工艺、电参数、机械故障、工件材质及其装夹和加工路线、工作液等[3]。下面就电极丝、装丝工艺、电参数选择、工件、工作液等影响断丝的重要因素进行分析。

   

      (1) 电极丝质量差或损耗造成断丝。为了避免断丝, 也为了保证加工质量, 应选择质量好的电极丝,并及时更换电极丝。

   

      (2) 装丝质量差引起断丝。在实践教学中发现有以下3 种情况会导致装丝质量差: ①很多初学者在装丝时对电极丝的松紧度把握不当, 导致电极丝过紧或过松,出现断丝;②电极丝打折或叠丝造成断丝;③电极丝两端所留余量过小,换向时由转动惯性导致断丝。所以在上丝时一定要注意,最好在距上丝架左边缘10mm 附近开始上丝, 并使用上丝轮紧丝,调节左、右撞块,使钼丝两端余量2~3mm,使用一段时间后可将换向行程开关向里移动一点, 并保证丝筒换向时能及时切断高频电源。另外,很多初学者对线切割机床结构及原理了解不够, 只是照搬书本, 不知各部件具体用途, 在装丝时出现割断导电块、丝不在导轮中、换向时撞块调节不及时等现象,均会导致断丝。

   

      (3) 电参数选择不合理引起断丝。初学者缺乏电参数对工件厚度、加工精度的影响这方面的实践经验,盲目调节各项参数,容易断丝。一般情况下,加工电流、脉冲宽度、变频跟踪调节不当都是造成断丝的重要原因。因此,要兼顾加工速度、表面粗糙度及稳定性,正确选择脉冲电源加工参数,防止或减少断丝故障。以加工大厚度工件为例,电参数的选择如下:加工电流控制在2.5~3A,脉冲宽度选64 μs,丝速为4 m/s,进给速度调至3~5 m/s,间隔比选6 μs,分组脉冲和分组间隔比设置为0 即可。

   

      (4) 工件的因素也会导致断丝。在实际操作过程中,有学生在线切割练习中对铝件进行加工,出现严重的断丝现象。其实,这主要是学生对线切割原理及应用了解不够。线切割时,放电间隙中会产生瞬时高温,使部分工件材料发生氧化反应,并粘附在电极丝上。当切割钢铁、铜钛等金属材料时,其氧化物属于导电性物质, 导电性良好, 能保证切割的正常进行。而加工铝及铝合金材料时, 其金属氧化物是陶瓷性物质,导电性差,导致出现切不动工件、断丝、加快导电块的消耗等现象[4]。可见,采用线切割加工工件时必须对材质特点有所熟悉, 并合理选择切割装置。另外,易变形的工件或工件表面有毛刺、锐边等也会造成夹丝、短路现象,引起断丝。因此,线切割加工时,采用合理的装夹方式避免工件出现装夹变形、消除工件内应力减少工件的变形、加工前仔细清理工件等都是有必要的。

   

      (5) 工作液浓度不合理、冲刷不足、工作液不够或堵塞均会造成断丝。工作液在电火花线切割加工中除了对电极、工件起冷却作用外, 还具有冲刷切缝、排除电蚀物和润滑工件表面及防锈的作用。若工作液配制比例不合理将会引起放电异常影响加工。工作液工作时, 如果冲击力过大会使电极丝偏移,使放电不均匀;反之,如果冲击力过小,工作液无法冲入切缝中, 电极丝无法正常放电且无法排除电蚀物。因此,在使用过程中要按要求的比例配制工作液,并定期检查,还可通过观察切削液的颜色,发现异常及时更换。

   

2.2 短路

   

      在线切割加工中出现短路现象也是学生们碰到的一个棘手问题。短路就是电极丝与工件接触而不放电切削的现象。排屑不良是引起短路的主要原因之一[5]。导轮和导电块上的电蚀物堆积严重,不能及时清理;工作液浓度太高;加工参数选择不当等都可能导致排屑不畅。另外,切割时产生大量不导电物质也可引起短路导致无法继续加工。若加工中频繁短路也会引起断丝,影响加工质量。因此,制定加工工艺时,需设置合理的放电间隙、运丝速度、电规准、进给速度、切削液流量等参数。若加工时出现短路现象,可使用设备短路回退的功能,将电极丝脱离短路状态,停车及时清洗出工件中的电蚀物(但注意电极丝走丝机构不能停,否则加工位置将会发生改变)

   

2.3 工件质量差

   

      线切割制件质量的好坏直接关系着其能否在制造业中占有一席之地。零件质量的评价指标除了表面质量和加工精度, 还要考虑到加工速度和电极损耗情况。线切割产品的质量主要受机械系统、工件、工作液、电极丝、电参数、工艺流程及操作人员水平等多方面的因素影响。以在线切割培训中操作员加工中出现的情况为例, 很多学生不清楚切入点和切割路线对制件的影响,胡乱选择,导致所加工产品质量差。切入点是电极丝开始切割成品零件的第一点,应尽可能选在切割表面的拐角处, 如直线与直线的交点或直线与圆弧的交点或切点。如果没有这些点,则选择精度要求不高且便于钳工修整的位置切入[6-7]。切割路线应向远离工件夹具的方向进行,即先加工非固定边,后加工固定边,尽量保持材料对工件的支持刚度, 防止因工件强度下降或材料内应力的释放而产生过量变形。由此可见,图2 所示的四种切割路线中,图2(d)的切割路线最为合理。

   

                

   

      另外, 手工编程时尺寸补偿的设定也令广大初学者头疼。线切割加工时受电极丝与火花放电间隙的影响, 导致切割后工件的实际尺寸与理论尺寸不一致。因此在编程时要根据工件的尺寸要求和电极丝的实际直径对工件理论尺寸进行补偿。尺寸补偿包括尺寸大小(电极丝实际半径与放电间隙0.0lmm 之和)和方向的补偿[8]。在手工编程时,学生在确定尺寸的补偿值时一般不会出错, 但在补偿方向选择上容易出错,致使加工出来的工件尺寸超差。为解决此问题, 本人建议学生在生成轨迹时先选择大补偿值, 可根据工件形状和切割路线的相对位置来确定工件加工时的电极丝的补偿方向, 再重新生成加工轨迹。 

   

3 结束语

   

      线切割产品的质量主要受多方面的因素综合影响,而因素之间又是相互联系和制约的。为了达到最佳的线切割效果,首先要注意机床机械部分的保养、熟悉线切割加工原理和特点, 还要对工件材料性能有所了解,选择合理的加工参数和工艺流程,优化各项性能指标。 

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