第六章特種數(shù)控加工機(jī)床學(xué)習(xí)目的與要求了解電火花加工原理、特點(diǎn)及在模具制造中的應(yīng)用；熟悉數(shù)控電火花機(jī)床基本組成及作用；了解電火花加工時(shí)影響工件質(zhì)量的主要因素；了解數(shù)控線切割機(jī)床的工作原理、加工特點(diǎn)；熟悉數(shù)控線切割機(jī)床的基本組成及作用；了解影響線切割工藝指標(biāo)的主要因素。6.1數(shù)控電火花機(jī)床概述電火花加工也稱為放電加工或電蝕加工在20世紀(jì)40年代開始研究并逐步用于生產(chǎn)，屬于特種加工（利用熱能、電能、聲能、光能、化學(xué)能、電化學(xué)能去除材料的新穎加工方法）方法中的一種。能對(duì)具有高硬度、高韌性、高強(qiáng)度、高脆性等難加工材料，以及精密細(xì)小、形狀復(fù)雜和結(jié)構(gòu)特殊的模具零件進(jìn)行加工，并且能獲得用傳統(tǒng)切削加工方法很難達(dá)到的精度、表面粗糙度以及生產(chǎn)率的要求。

6.1.1電火花加工的基本原理

電火花加工是建立在“電蝕現(xiàn)象”基礎(chǔ)上，在一定介質(zhì)中，通過工具電極和工件之間脈沖性火花放電的電腐蝕作用來蝕除多余的金屬，從而獲得所需零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量。電火花加工實(shí)際是電極和工件間的連續(xù)不斷的火花放電，電極和工件由于電腐蝕不同程度的損耗，電極不斷地向工件進(jìn)給，工件不斷產(chǎn)生電腐蝕，就可將電極的形狀復(fù)制在工件上，加工出所需要的成形表面，整個(gè)加工表面將由無數(shù)個(gè)小凹坑組成。6.1.2電火花加工的主要特點(diǎn)1．電火花加工的優(yōu)點(diǎn)(1)脈沖放電產(chǎn)生的高溫通道足以熔化和氣化任何材料，因此所用的工具電極無須比工件材料硬。

電火花加工原理圖

(2)加工時(shí)工具電極與工件不接觸，兩者之間不存在因切削力而產(chǎn)生的一系列設(shè)備和工藝問題。因此不受工件幾何形狀的影響，有利于加工通常機(jī)械切削方法難以或無法加工的復(fù)雜形狀工件和具有特殊工藝要求的工件，如薄壁、窄槽、各種型孔、立體曲面等。(3)脈沖寬度可以調(diào)節(jié)，在同一臺(tái)機(jī)床上能連續(xù)進(jìn)行粗、中、精加工。(4)直接利用電能加工，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和加工自動(dòng)化。(5）可以改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善結(jié)構(gòu)的工藝性。

2．電火花加工的缺點(diǎn)(1)必須制作工具電極電火花加工的最大問題就是電極制作問題。同別的加工方法相比，它增加了制作電極的費(fèi)用和時(shí)間。(2)加工部分形成殘留變質(zhì)層(3)放電間隙使加工誤差增大(4)加工精度受到電極損耗的影響

6.1.3電火花加工在模具制造中的應(yīng)用

(1)加工各種模具零件的型(2)加工復(fù)雜形狀的型腔

(3)加工小孔

(4)電火花磨削

(5)強(qiáng)化金屬表面

(6)其他加工。如刻文字、花紋、電火花攻螺紋等。1．機(jī)床本體（1）床身和立柱（2）工作臺(tái)（3）主軸頭2.脈沖電源3.自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)4.工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)6.1.4電火花加工機(jī)床的基本組成電火花加工機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)

1．機(jī)床本體電火花加工機(jī)床本體的作用是保證工具電極與工件之間的相互位置尺寸要求。它主要包括床身、立柱、工作臺(tái)和主軸頭。圖7－4是典型的電火花加工機(jī)床的機(jī)床本體和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。

圖7－4電火花加工機(jī)床的機(jī)床本體和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

（1）床身和立柱。床身和立柱是機(jī)床的主要基礎(chǔ)件，要有足夠的剛度。床身、工作臺(tái)與立柱導(dǎo)軌之間有一定的垂直度要求。它們的剛度、精度和耐磨性對(duì)電火花加工質(zhì)量有直接影響。（2）工作臺(tái)。工作臺(tái)是支撐和安裝工件的。工作液槽安裝在工作臺(tái)上。通過轉(zhuǎn)動(dòng)縱、橫手輪，帶動(dòng)絲杠來移動(dòng)縱、橫工作臺(tái)，從而改變工具電極和工具的位置。

（3）主軸頭。主軸頭是電火花加工機(jī)床的一個(gè)關(guān)鍵部件，它是自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制工具電極與工件之間的間隙，主軸頭的性能和質(zhì)量對(duì)電火花加工工藝指標(biāo)起著重大的影響。對(duì)主軸頭的要求是結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)鏈短，傳動(dòng)間隙小，有一定的軸向和側(cè)向剛度及精度，有足夠的進(jìn)給和回升速度；主軸運(yùn)動(dòng)的直線性和防扭性能好，靈敏度要高，無爬行現(xiàn)象，有足夠的負(fù)載電極重量能力。普通電火花加工機(jī)床的主軸頭多為液壓式主軸頭。

2．脈沖電源電火花加工機(jī)床脈沖電源的作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)變成一定頻率的單向脈沖電流，以提供電火花加工所需要的能量。脈沖電源的性能直接影響到電火花加工的生產(chǎn)效率、加工穩(wěn)定性、電極損耗、加工精度和表面粗糙度。因此，對(duì)脈沖電源的基本要求是：（1）要有足夠的脈沖放電能量，保持一定的生產(chǎn)效率，否則金屬只能被加熱而不能被瞬時(shí)熔化和汽化。（2）脈沖波形基本上是單向脈沖，以便充分利用極性效應(yīng)，來減少電極的損耗。（3）脈沖電源的主要參數(shù)（脈沖寬度、脈沖間隙和峰值電流）應(yīng)該有較寬的調(diào)節(jié)范圍，以滿足粗、半精及精加工的需要。

（4）工具電極損耗要小，粗規(guī)準(zhǔn)時(shí)相對(duì)損耗要小于0.5%，中、精規(guī)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)該更小。（5）脈沖電壓波形的前后沿應(yīng)該較陡，這樣才能減少電極間隙的變化及油污程度等對(duì)脈沖放電寬度和能量等參數(shù)的影響，使工藝過程較穩(wěn)定。因此一般常采用矩形波脈沖電源。

(6)性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單，操作和維修方便。電火花加工機(jī)床脈沖電源的種類很多，關(guān)于電火花加工脈沖電源的分類，目前尚無統(tǒng)一的規(guī)定。脈沖電源按其作用原理和所用的主要元件、脈沖波形等可分為多種類型，見表7－1。

表7－1電火花加工脈沖電源的分類

3.自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在電火花加工中，工件與電極之間發(fā)生火花放電時(shí)要保持一定的距離，這段距離稱為放電間隙。放電間隙隨粗、精加工所選用的電參數(shù)的不同而有所變化，以滿足不同加工的需要。電火花加工是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，工件和電極都有一定的損耗，這就使得放電間隙逐漸增大，當(dāng)間隙大到不足以維持放電時(shí)，加工便告以停止。為了使加工能繼續(xù)進(jìn)行，電極必須不斷地、及時(shí)地進(jìn)給，以維持所需的放電間隙。當(dāng)外來的干擾使放電間隙一旦發(fā)生變化（如排屑不良而造成短路）時(shí)，電極的進(jìn)給也應(yīng)隨之作相應(yīng)的變化，以保持最佳放電間隙。這一任務(wù)由電火花加工機(jī)床的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來完成。目前使用較多的有偶電液自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩大類。

4．工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)電火花加工用的工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)包括工作液泵、容器、過濾器及管道等，它能使工作液強(qiáng)迫循環(huán)。沖、抽油方式如圖7－5所示，其中，圖(a)、圖(b)為沖油式，圖(c)、圖(d)為抽油式。沖油是把經(jīng)過過濾的清潔工作液經(jīng)油泵加壓，強(qiáng)迫沖入電極與工件之間的放電間隙里，并將放電蝕除的電蝕殘物隨同工作液一起從放電間隙中排除，以達(dá)到穩(wěn)定加工的目的。在加工時(shí)，沖油的壓力可根據(jù)不同工件和幾何形狀及加工的深度隨時(shí)改變，一般選在0～200kPa之間。對(duì)盲孔加工采用如圖7－5(b)和圖7－5(d)所示的方式。從圖7－5中可看出，采用沖油方式的循環(huán)效果比抽油式的更好，特別是在型腔加工中，采用這種方式可以改善加工的穩(wěn)定性。

圖7－5沖、抽油方式(a)下沖油式;(b)上沖油式;(c)下抽油式;(d)上抽油式

圖7－6是工作液循環(huán)系統(tǒng)油路，它既能實(shí)現(xiàn)沖油，又能實(shí)現(xiàn)抽油。其工作過程是：儲(chǔ)油箱的工作液首先經(jīng)粗過濾器1、單向閥2吸入渦旋油泵3，這時(shí)高壓油經(jīng)過不同形式的精過濾器7輸向機(jī)床工作液槽。溢流安全閥5控制系統(tǒng)的壓力不超過400kPa。補(bǔ)油閥11為快速進(jìn)油用，待油注滿油箱時(shí)，可及時(shí)調(diào)節(jié)沖油選擇閥10，由壓力調(diào)節(jié)閥8來控制工作液的循環(huán)方式及壓力，當(dāng)沖油選擇閥10在沖油位置時(shí)，補(bǔ)油和沖油都不通，這時(shí)油杯中油的壓力由壓力調(diào)節(jié)閥8控制。當(dāng)沖油選擇閥10在抽油位置時(shí)，補(bǔ)油和抽油兩路都通，這時(shí)壓力工作液穿過射流抽吸管9，利用流體速度產(chǎn)生負(fù)壓，達(dá)到實(shí)現(xiàn)抽油的目的。

圖7－6

工作液循環(huán)系統(tǒng)油路

當(dāng)前我國的電火花加工所用工作液主要是煤油，由于加工中電蝕殘物的顆粒很小，這些小顆粒存在于放電間隙中，使加工處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這就直接影響到了生產(chǎn)率和光潔度。為了解決這些問題，人們采用了介質(zhì)過濾的方法。介質(zhì)過濾器廣泛采用木屑、黃砂或棉紗等作為介質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是材料來源廣泛，可以就地取材，缺點(diǎn)是過濾能力有限，不適于大流量、粗加工，且每次更換介質(zhì)，要消耗大量煤油，故新式機(jī)床中，介質(zhì)過濾器目前已被紙過濾器所代替。

7.1.5電火花加工機(jī)床的主要附件及其作用

1．可調(diào)節(jié)工具電極角度的夾頭裝夾在主軸下的工具電極，在加工前需要調(diào)節(jié)到與工件基準(zhǔn)面垂直，在加工型腔時(shí)，還需要在水平面內(nèi)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，使工具電極的界面形狀與工件型腔預(yù)定的位置一致。前一垂直度調(diào)節(jié)功能，常用球面鉸鏈來實(shí)現(xiàn)；后一調(diào)節(jié)功能，靠主軸與工具電極安裝面的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)。垂直度與水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)正確后，都應(yīng)用螺釘卡緊(見圖7－7)。此外，機(jī)床主軸、床身在電路上連成一體接地，而裝工具電極的夾持調(diào)節(jié)部分應(yīng)單獨(dú)絕緣。這種有絕緣層的主軸夾頭如圖7－8所示。

圖7－7垂直和水平轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)裝置的夾頭

圖7－8

帶有絕緣層的主軸夾頭

2．平動(dòng)頭

1）平動(dòng)頭的作用我們知道，電火花加工時(shí)粗加工的火花間隙比中加工的要大，而中加工的火花間隙比精加工的又要大一些。當(dāng)用一個(gè)電極進(jìn)行粗加工時(shí)，將工件的大部分余量蝕除掉后，工件底面和側(cè)壁四周的表面粗糙度值很大，為了將其修光，就得轉(zhuǎn)換規(guī)準(zhǔn)逐擋進(jìn)行修整。由于后擋規(guī)準(zhǔn)的放電間隙比前一擋小，因此，對(duì)工件底面可通過主軸進(jìn)給進(jìn)行修光，而四周側(cè)壁就無法修光了。平動(dòng)頭就是為解決修光側(cè)壁和提高其尺寸精度而設(shè)計(jì)的。普通加工與平動(dòng)加工的比較如圖7－9所示。

圖7－9普通加工與平動(dòng)加工的比較

2)平動(dòng)頭的動(dòng)作原理利用偏心機(jī)構(gòu)將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過平動(dòng)軌跡保持機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)化成電極上每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都能圍繞其原始位置在水平面內(nèi)作平面小圓周運(yùn)動(dòng)。這樣，許多小圓的外包絡(luò)線就形成了加工表面。平動(dòng)加工時(shí)電極的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7－10所示。電極的運(yùn)動(dòng)半徑Δ通過調(diào)節(jié)可由零逐步擴(kuò)大，以補(bǔ)償粗、中、精加工的火花放電間隙d之差，從而達(dá)到修光型腔的目的。其中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑就稱為平動(dòng)量。圖7－10

平動(dòng)加工時(shí)電極的運(yùn)動(dòng)軌跡

3)平動(dòng)頭的結(jié)構(gòu)一般平動(dòng)頭都由兩部分組成，即由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的偏心機(jī)構(gòu)和平動(dòng)軌跡保持機(jī)構(gòu)。（1）偏心機(jī)構(gòu)。國內(nèi)生產(chǎn)的平動(dòng)頭，其偏心機(jī)構(gòu)大都采用雙偏心式(偏心軸、偏心套)。后來北京機(jī)床研究所設(shè)計(jì)的DPDT型平動(dòng)頭采用45°斜滑軌機(jī)構(gòu)，比原來的雙偏心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作可靠，可以三向伺服平動(dòng)。一旦發(fā)生短路，工具電極不是垂直回退，而是斜向向中心回退，很快就可消除短路，因此對(duì)加工型孔、型腔有較好的效果。

（2）平動(dòng)軌跡保持機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在平動(dòng)頭的形式基本上取決于平動(dòng)軌跡保持機(jī)構(gòu)。國內(nèi)最早生產(chǎn)的彈簧片式平動(dòng)頭，是通過兩對(duì)不同平面的彈簧片約束電極支撐板，使之產(chǎn)生給定軌跡半徑的剛體圓周平移運(yùn)動(dòng)，并由兩對(duì)彈簧片及兩塊支撐板組成平動(dòng)軌跡保持機(jī)構(gòu)。以后又有以四連桿、十字滾動(dòng)溜板等組成的平動(dòng)軌跡保持機(jī)構(gòu)，它們分別被稱之為四連桿式平動(dòng)頭及十字滾動(dòng)溜板平動(dòng)頭等。近年來，有少數(shù)專業(yè)生產(chǎn)單位已研制出能用于工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)控平動(dòng)頭，它除了可作圓形平動(dòng)外，還可作X、十字平動(dòng)等，功能大有擴(kuò)展，是非常有用的功能附件。

4）對(duì)平動(dòng)頭的技術(shù)要求（1）精度要高，剛性要好。在最大偏心量平動(dòng)時(shí)，橢圓度允差要求小于0.01mm，其回轉(zhuǎn)平面與主軸頭進(jìn)給軸線的不垂直度要求小于0.01／100mm，其扭擺允差要求小于0.01／100mm，最小偏心量(即回零精度)要求小于0.02mm。平動(dòng)頭在承受一定的電極質(zhì)量和沖油壓力等外力作用下，除變形應(yīng)小外，還要保證各項(xiàng)精度要求。（2）調(diào)量方便，最好能微量調(diào)節(jié)偏心量，能在加工過程中不停機(jī)調(diào)節(jié)。

（3）平動(dòng)頭回轉(zhuǎn)速度可調(diào)，方向可變，中規(guī)準(zhǔn)n=10～100r/min，精規(guī)準(zhǔn)n=30～120r／min。（4）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量小，便于制造和維修保養(yǎng)。

5）平動(dòng)加工的特點(diǎn)與一般電火花加工工藝相比較，采用平動(dòng)頭電火花加工有如下特點(diǎn)：（1）它可以通過改變軌跡半徑來調(diào)整電極的作用尺寸，因此，尺寸加工不再受放電間隙的限制。（2）用同一尺寸的工具電極，通過軌跡半徑的改變，可以實(shí)現(xiàn)換規(guī)準(zhǔn)修整。即采用一個(gè)電極就能由粗至精直接加工出一副型腔。

（3）在加工過程中，工具電極的軸線與工件的軸線相偏移，除了電極處于放電區(qū)域的部分外，工具電極與工件的間隙都大于放電間隙，實(shí)際上減小了同時(shí)放電的面積，這有利于電蝕殘物的排除，提高加工穩(wěn)定性。（4）工具電極移動(dòng)方式的改變，可使加工的表面粗糙度大大改善，特別是底平面處。（5）由于有平動(dòng)軌跡半徑的存在，因此它無法加工有清角的型腔。只有采用數(shù)控平動(dòng)頭或數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)行兩軸或三軸聯(lián)動(dòng)搖動(dòng)加工，才能加工出清棱清角的型孔和型腔。

6）平動(dòng)頭的操作方法及維護(hù)保養(yǎng)（1）平動(dòng)頭的操作方法。平動(dòng)頭一般可分為停車調(diào)節(jié)與不停車調(diào)節(jié)兩大類型。停車調(diào)節(jié)的平動(dòng)頭操作時(shí)，要將主軸回升，切斷電源，然后松開平動(dòng)頭的鎖緊螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)。不停車調(diào)節(jié)的平動(dòng)頭可在放電加工的同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。偏心量最好能微量調(diào)節(jié)，這一點(diǎn)在不停車調(diào)節(jié)的平動(dòng)頭中容易實(shí)現(xiàn)。（2）平動(dòng)頭的維護(hù)保養(yǎng)。不停車調(diào)節(jié)的平動(dòng)頭，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)的蝸輪副是外裸的，因此一定要用牛油或其他油脂進(jìn)行潤滑，并經(jīng)常注意除塵保潔。平動(dòng)頭使用一段時(shí)期后，可用百分表校對(duì)X、Y方向偏心量的大小，看是否有差異。若差異較大，可將平動(dòng)頭拆開進(jìn)行清洗加油，并調(diào)換磨損件。

3．油杯

圖7－11所示為一種油杯的結(jié)構(gòu)。在電火花加工中，油杯是實(shí)現(xiàn)工作液沖油或抽油強(qiáng)迫循環(huán)的一個(gè)主要附件，其側(cè)壁和底邊上開有沖油和抽油孔。在放電加工時(shí)，可使電蝕殘物及時(shí)排出，因此，油杯的結(jié)構(gòu)好壞對(duì)加工效果有很大影響。放電加工時(shí)，工件也會(huì)分解產(chǎn)生氣體，這種氣體如不及時(shí)排出，就會(huì)積存在油杯里。當(dāng)這種氣體被電火花放電引燃時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生放炮現(xiàn)象，造成電極與工件位移，給加工帶來很大麻煩，從而影響被加工工件的尺寸精度。因此，對(duì)油杯的應(yīng)用要注意以下幾點(diǎn)：

（1）油杯要有合適的高度，應(yīng)具備沖、抽油的條件，但不能在頂部積聚氣泡。（2）油杯的剛度和精度要好，油杯的兩端面不平度應(yīng)小于0.01mm，同時(shí)密封性要好，以防止漏油現(xiàn)象的發(fā)生。（3）圖7－11中油杯底部的抽油孔，如在底部安裝不方便，也可安置在靠底部側(cè)面，或省去抽油抽氣管4和底板5，而直接安置在油杯側(cè)面的最上部。

圖7－11油杯結(jié)構(gòu)

7.1.6影響工件質(zhì)量的主要因素

1．影響加工精度的主要因素與通常的機(jī)械加工一樣，機(jī)床本身的各種誤差以及工件和工具電極的定位、安裝誤差都會(huì)影響到加工精度，這里主要討論與電火花加工工藝有關(guān)的因素。

1）放電間隙的大小及其一致性電火花加工時(shí)，工具電極與工件之間存在著一定的放電間隙，如果加工過程中放電間隙保持不變，則可以通過修正工具電極的尺寸對(duì)放電間隙進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得較高的加工精度。然而，放電間隙的大小實(shí)際上是變化的，影響著加工精度。

除了間隙能否保持一致性外，間隙大小對(duì)加工精度(特別是仿形精度)也有影響，尤其是對(duì)復(fù)雜形狀的加工表面，棱角部位電場強(qiáng)度分布不均，間隙越大，影響越嚴(yán)重。因此，為了減少加工誤差，應(yīng)該采用較弱小的加工電規(guī)準(zhǔn)，縮小放電間隙，這樣不但能提高仿形精度，而且放電間隙愈小，可能產(chǎn)生的間隙變化量也愈??；另外，還必須盡可能使加工過程穩(wěn)定。電參數(shù)對(duì)放電間隙的影響是非常顯著的，精加工的放電間隙一般只有0.01mm(單面)，而在粗加工時(shí)則為0.5mm左右。

2）工具電極的損耗工具電極的損耗對(duì)尺寸精度和形狀精度都有影響。電極損耗分為絕對(duì)損耗和相對(duì)損耗，絕對(duì)損耗是指單位時(shí)間內(nèi)工具電極損耗的長度、重量或體積。相對(duì)損耗是指工具電極的絕對(duì)損耗與加工速度的百分比。在實(shí)際生產(chǎn)中，常常用相對(duì)損耗作為衡量工具電極損耗指標(biāo)。工具電極損耗的不均勻是使加工精度下降的重要因素。

3）“二次放電”與加工斜度二次放電是指已加工表面上由于電蝕殘物等的介入而再次進(jìn)行的非必要的放電，它能使加工深度方向產(chǎn)生斜度和使加工棱角棱邊變鈍。電火花加工時(shí)的加工斜度如圖7－12所示，由于工具電極下端部加工時(shí)間長，絕對(duì)損耗大，而電極入口處的放電間隙則由于電蝕殘物的存在，以致“二次放電”的概率大，而使得放電間隙擴(kuò)大，因此產(chǎn)生了加工斜度，俗稱喇叭口。

圖7－12電火花加工時(shí)的加工斜度

電火花加工時(shí)，工具的尖角或凹角很難精確地復(fù)制在工件上，這是因?yàn)楫?dāng)工具為凹角時(shí)，工件上對(duì)應(yīng)的尖角處放電蝕除的概率大，容易遭受腐蝕而成為圓角，如圖7－13(a)所示。當(dāng)工具為尖角時(shí)，一則由于放電間隙的等距性，工件上只能加工出以尖角頂點(diǎn)為圓心、放電間隙s為半徑的圓??；二則，工具上的尖角本身因尖端放電蝕除的概率大而損耗成圓角，如圖7－13(b)所示。采用高頻窄脈寬精加工，放電間隙小，圓角半徑可以明顯減少，因而提高了仿形精度，可以獲得圓角半徑小于0.01mm的尖棱，這對(duì)于加工精密小模數(shù)齒輪等沖模是很重要的。

圖7－13電火花加工時(shí)尖角變圓(a)工具為凹角；(b)工具為尖角

2．影響表面粗糙度的因素

影響表面粗糙度的因素主要是脈寬ti與峰值電流ie的乘積，即單個(gè)脈沖能量的大小。但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，即使單脈沖域很小，但當(dāng)電極面積較大時(shí)，Rmax也很難低于2μm，也就是說，加工面積越大，可達(dá)到的最佳表面粗糙度越差。工件材料對(duì)加工表面粗糙度也有影響，在相同能量下，對(duì)熔點(diǎn)高的材料(如硬質(zhì)合金)加工的表面粗糙度要比熔點(diǎn)低的材料(如鋼)的好。當(dāng)然，加工速度會(huì)相應(yīng)下降。

精加工時(shí)，工具電極的表面粗糙度也將影響到加工粗糙度。由于石墨電極的表面很難加工得非常光滑，因此用石墨電極加工的表面粗糙度較差。電火花加工的表面粗糙度和加工速度之間存在著很大的矛盾，例如從Ra2.5μm提高到Ra1.25μm，加工速度要下降十多倍。按目前的工藝水平，較大面積的電火花加工要達(dá)到優(yōu)于Ra0.32μm是比較困難的，但是如果采用平動(dòng)或搖動(dòng)加工工藝，其表面粗糙度可大為改善。

3．影響表面結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的因素經(jīng)電火花加工后的工件表面將產(chǎn)生包括凝固層和熱影響層等在內(nèi)的表面變化層，其剖面示意圖如圖7－14所示。其化學(xué)、物理及金相組織性能均有所變化。凝固層是由未被拋出的殘留熔融的部分金屬再凝固后形成的，晶粒結(jié)構(gòu)非常細(xì)小，其化學(xué)成分因工作介質(zhì)和石墨電極的碳元素滲入工件表面而發(fā)生變化，表面上留有許多微細(xì)裂紋。熱影響層位于凝固層和工件基體材料之間，該層金屬受到放電高溫影響，使材料的金相組織發(fā)生了變化。一般熱影響層硬度達(dá)60HRC以上，而凝固層的硬度更高。

圖7－14表面變化層剖面示意圖

表面變化層的厚度與工件材料的種類和加工電規(guī)準(zhǔn)參數(shù)有關(guān)。單個(gè)脈沖能量越大，表面變化層就越厚。由于凝固層和熱影響層的高硬度特性，使得加工后的工件耐磨性和使用壽命都大大提高，但給后續(xù)加工工序(研磨、拋光等)增加了困難。另外，由于表面變化層金相組織的變化，使得工件抗疲勞強(qiáng)度下降，并造成表面裂紋。采用回火處理和噴丸處理等，有助于降低殘余應(yīng)力，或使殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，從而提高其耐疲勞性能。

7.2數(shù)控電火花線切割加工機(jī)床

7.2.1電火花線切割加工的基本原理、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

1．電火花線切割加工的基本原理電火花線切割加工的基本原理是利用移動(dòng)的細(xì)金屬絲(銅絲或鉬絲)作為工具電極(接高頻脈沖電源的負(fù)極)，對(duì)工件(接高頻脈沖電源的正極)進(jìn)行脈沖火花放電，切割成型。根據(jù)電極絲的運(yùn)行速度，電火花線切割加工機(jī)床通常分為兩大類：一類是高速走絲電火花線切割加工機(jī)床(WEDM－HS)，這類機(jī)床的電極絲作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一般走絲速度為8～12m/s，這是我國生產(chǎn)和使用的主要機(jī)種，也是我國獨(dú)創(chuàng)的電火花線切割加工模式；另一類是低速走絲電火花線切割加工機(jī)床(WEDM－LS)，這類機(jī)床的電極絲作低速單向運(yùn)動(dòng)，一般走絲速度為0.2m／s，這是國外生產(chǎn)和使用的主要機(jī)種。

圖7－15高速走絲電火花線切割加工原理圖

2．電火花線切割加工的特點(diǎn)電火花線切割加工具有電火花加工的共性，金屬材料的硬度和韌性并不影響加工速度，常用來加工淬火鋼和硬質(zhì)合金；對(duì)于非金屬材料的加工，也正在開展研究，當(dāng)前絕大多數(shù)的線切割機(jī)都采用數(shù)字程序控制，其工藝特點(diǎn)為：（1）不像電火花加工那樣制造特定形狀的工具電極，而是采用直徑不等的細(xì)金屬絲(銅絲或鉬絲等)作為工具電極，因此切割用的刀具簡單，大大降低了生產(chǎn)準(zhǔn)備工時(shí)；（2）利用計(jì)算機(jī)輔助制圖自動(dòng)編程軟件，可方便地加工形狀復(fù)雜的直紋表面；

（3）電極絲直徑較細(xì)(?0.025mm～?0.3mm)，切縫很窄，這樣不僅有利于材料的利用，而且適合細(xì)小零件的加工；（4）電極絲在加工中是移動(dòng)的，不斷更新(低速走絲)或往復(fù)使用(高速走絲)，可以完全或短時(shí)間不考慮電極絲損耗對(duì)加工精度的影響；（5）依靠計(jì)算機(jī)對(duì)電極絲軌跡的控制和偏移軌跡的計(jì)算，可方便地調(diào)整凹凸模具的配合間隙，依靠錐度切割功能，有可能實(shí)現(xiàn)凹凸模一次加工成型；

(6)對(duì)于粗、中、精加工，只需調(diào)整電參數(shù)即可，操作方便、自動(dòng)化程度高；（7）加工對(duì)象主要是平面形狀，臺(tái)階盲孔型零件還無法進(jìn)行加工，但是當(dāng)機(jī)床加上能使電極絲作相應(yīng)傾斜運(yùn)動(dòng)的功能后，就可實(shí)現(xiàn)錐面加工；（8）當(dāng)零件無法從周邊切入時(shí)，工件上需鉆穿絲孔。

3．電火花線切割加工的應(yīng)用范圍（1）加工模具。適用于各種形狀的沖模。調(diào)整不同的間隙補(bǔ)償量，只需一次編程就可以切割凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等。還可以用于加工擠壓模、粉末冶金模、彎曲模和塑料模等通常帶錐度的模具。（2）加工電火花加工用的電極。一般穿孔加工用的電極和帶錐度型腔加工用的電極，以及銅鎢、銀鎢合金之類的電極材料，都可以用線切割機(jī)來加工。另外也適用于加工微細(xì)復(fù)雜形狀的電極。

（3）加工零件。試制新產(chǎn)品時(shí)，直接用線切割在坯料上切割零件，不需要另行制造模具，大大縮短了生產(chǎn)周期，降低了成本。另外，修改設(shè)計(jì)、變更加工程序比較方便，多片薄件零件可疊加在一起加工?？捎糜诩庸て贩N多、數(shù)量少的零件，特殊難加工材料的零件，材料試驗(yàn)樣件，各種型孔、特殊齒輪凸輪、樣板和成型刀具。同時(shí)還可進(jìn)行微細(xì)加工，異形槽和標(biāo)準(zhǔn)缺陷的加工等。

7.2.2電火花線切割加工機(jī)床的基本組成數(shù)控電火花線切割加工機(jī)床如圖7－16所示，它由脈沖電源、機(jī)床本體、工作液循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)字程序控制系統(tǒng)四大部分組成。

圖7－16數(shù)控電火花線切割加工機(jī)床

1．脈沖電源電火花線切割加工和電火花成型加工一樣，都是利用火花放電對(duì)金屬工件進(jìn)行電腐蝕加工的，因此加在電極絲和工件間隙上的電壓必須是脈沖電壓，否則放電將成為連續(xù)的電弧，加工過程將變成電弧焊接或切割，達(dá)不到尺寸加工的目的。在電火花線切割加工中，蝕除量較少，而且一般都用精規(guī)準(zhǔn)一次切割成型，加工中不必考慮電極絲的損耗，因此要求脈沖電源能保證較高的加工速度，較高的加工質(zhì)量和電極絲允許的承載電流等因素。目前電火花線切割加工機(jī)床采用高頻脈沖電源，其功率較小，脈沖寬度窄（2～60μs），單個(gè)脈沖能量和平均電流（1～5A）一般較小，頻率較高，峰值電流較大，因此，線切割加工總是采用正極性加工。

脈沖電源的形式很多，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。電火花線切割加工機(jī)床的高頻脈沖電源主要是晶體管脈沖電源，利用晶體管作開關(guān)元件控制RC電路進(jìn)行精微加工，一般電源的電規(guī)準(zhǔn)設(shè)有粗、中、精三種，以滿足不同加工的要求。脈沖寬度為2～50μs，脈沖間隙為10～200μs，峰值電流為4～40A，加工電流為0.2～7A，開路電壓為80～100V。這其中，粗規(guī)準(zhǔn)一般采用較大的峰值電流，較長的脈沖寬度（20～60μs）；中規(guī)準(zhǔn)采用的脈沖寬度一般為6～20μs；精規(guī)準(zhǔn)采用小的峰值電流，高頻率和短的脈沖寬度（2～6μs）。

2．機(jī)床本體（這里我們以DK7725型線切割機(jī)床為例）

機(jī)床本體由床身、工作臺(tái)、儲(chǔ)絲走絲部件、絲架、導(dǎo)輪部件、錐度切割裝置、工作液箱、附件和夾具等幾部分組成。

1）床身床身是機(jī)床本體的基礎(chǔ)，支撐和安裝坐標(biāo)工作臺(tái)、繞絲機(jī)構(gòu)及絲架，應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度和剛度。一般電火花線切割機(jī)床的床身為鑄造箱式結(jié)構(gòu)和焊接箱式結(jié)構(gòu)，精密電火花線切割機(jī)床也有采用大理石結(jié)構(gòu)的。床身內(nèi)部安置電源和工作液箱，考慮電源的發(fā)熱和工作液泵的振動(dòng)，也有機(jī)床將電源和工作液箱搬移出床身外另行安置的。

2）工作臺(tái)

DK7725型線切割機(jī)床工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖7－17所示。工作臺(tái)分上、下拖板(上拖板為工作臺(tái)面)均可獨(dú)立前、后運(yùn)動(dòng)，下拖板21移動(dòng)表示橫向運(yùn)動(dòng)(Y坐標(biāo))，上拖板3移動(dòng)表示縱向運(yùn)動(dòng)(X坐標(biāo))，如同時(shí)運(yùn)動(dòng)可形成任意復(fù)雜圖形。工作臺(tái)移動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)16帶動(dòng)無間隙精密雙齒輪14通過絲杠7和滾動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)X和Y方向的伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電極絲和工件間維持一定間隙時(shí)，即產(chǎn)生火花放電。工作臺(tái)的定位精度和靈敏度是影響加工曲線輪廓精度的重要因素。為了保證工作臺(tái)的移動(dòng)精度，本機(jī)床采用復(fù)合螺母自動(dòng)消除絲杠與螺母間隙，使其失動(dòng)量小于0.004mm。工作臺(tái)移動(dòng)的靈敏度由中間放有高精度滾柱的V形平臺(tái)導(dǎo)軌獲得。

圖7－17DK7725型線切割機(jī)床工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)

3）儲(chǔ)絲走絲部件

DK7725型線切割機(jī)床的儲(chǔ)絲走絲部件如圖7－18所示，它由儲(chǔ)絲筒組合件、上下拖板、齒輪副、絲杠副、換向裝置和絕緣件等部分組成。儲(chǔ)絲筒7由電機(jī)2通過聯(lián)軸器4帶動(dòng)以1400r／min的轉(zhuǎn)速正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)。儲(chǔ)絲筒另一端通過3對(duì)齒輪減速后帶動(dòng)絲杠11。儲(chǔ)絲筒、電機(jī)、齒輪都安裝在兩個(gè)支架上。支架及絲杠則安裝在拖板12上，調(diào)整螺母9裝在底座10上，拖板與底座采用裝有滾珠的V形滾動(dòng)導(dǎo)軌1連接，拖板在底座上來回移動(dòng)。螺母具有消除間隙的副螺母及彈簧，齒輪及絲杠螺距的搭配為滾筒每旋轉(zhuǎn)一圈拖板移動(dòng)0.275mm。因此，該儲(chǔ)絲筒適用于?0.25mm以下的鉬絲。圖7－18

DK7725型線切割機(jī)床的儲(chǔ)絲走絲部件

4)絲架和導(dǎo)輪部件

DK7725型線切割機(jī)床的絲架和導(dǎo)輪部件如圖7－19所示。上絲架3與立柱連接，下絲架6固定不動(dòng)；上線架可以轉(zhuǎn)動(dòng)立柱上方的手輪使其在200mm的范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，下絲架有兩個(gè)導(dǎo)輪，上、下絲架的兩個(gè)導(dǎo)輪為藍(lán)寶石導(dǎo)輪。導(dǎo)輪座用金屬材料制作，內(nèi)裝精密型軸承，用于支撐導(dǎo)輪，在絲架上的兩個(gè)前導(dǎo)輪座裝配過程中，調(diào)整鉬絲在X向的垂直度。Y向垂直度的調(diào)整只需平移下絲架上的兩個(gè)前導(dǎo)輪座即可。鉬絲與工作臺(tái)面的調(diào)整是否合適，可采用鉬絲垂直度量具(測量杯)采用透光法檢查。

圖7－19DK7725型線切割機(jī)床的絲架和導(dǎo)輪部件

絲架與走絲機(jī)構(gòu)組成了電極絲的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。絲架的主要功用是在電極絲按給定絲速運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)電極絲起支撐作用，并使電極絲的工作部分與工作臺(tái)平面保持一定的幾何角度。導(dǎo)輪是線切割機(jī)床的關(guān)鍵零件，它影響到切割的質(zhì)量，對(duì)導(dǎo)輪部件的要求如下：（1）導(dǎo)輪V形槽面應(yīng)有較高的精度，V形槽底的圓弧半徑必須小于選用的電極絲半徑，以保證電極絲在導(dǎo)輪槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生軸向移動(dòng)。

（2）在滿足一定強(qiáng)度的要求下，應(yīng)盡量減輕導(dǎo)輪質(zhì)量，以減少電極絲換向時(shí)的電極絲與導(dǎo)輪間的滑動(dòng)摩擦。導(dǎo)輪槽工作面應(yīng)有足夠的硬度，以提高其耐磨性。（3）導(dǎo)輪裝配后，轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)輕便靈活，盡量減小軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)。（4）進(jìn)行有效的密封，以保證軸承的正常工作條件。

導(dǎo)輪部件的結(jié)構(gòu)主要有三種形式：懸臂支撐導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)、雙邊支撐導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)和雙軸尖支撐結(jié)構(gòu)。（1）懸臂支撐導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)如圖7－20所示。其結(jié)構(gòu)簡單、上絲方便，但因懸臂支撐，張緊的電極絲運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性較差，因此難于維持較高的運(yùn)動(dòng)精度，同時(shí)也影響到導(dǎo)輪和軸承的使用壽命。

圖7－20懸臂支撐導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)

圖7－21雙邊支撐導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)

（2）雙邊支撐導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)如圖7－21所示。其中導(dǎo)輪居中，兩端用軸承支撐，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，上絲較麻煩，但此種結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較好，剛度較高，不易發(fā)生變形及跳動(dòng)。

（3）雙軸尖支撐結(jié)構(gòu)的導(dǎo)輪兩端加工成30°的錐形軸尖，硬度在60HRC以上，軸承由紅寶石或錫磷青銅制成。該結(jié)構(gòu)易于保證導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件的同軸度，導(dǎo)輪軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)量均可控制在較小的范圍內(nèi)。缺點(diǎn)是軸尖運(yùn)動(dòng)副摩擦力大，易于發(fā)熱和磨損。為補(bǔ)償軸尖運(yùn)動(dòng)副的磨損，常利用彈簧的作用力使運(yùn)動(dòng)副良好接觸。

5）錐度切割裝置（1）偏移式絲架。偏移式絲架主要用于在高速走絲線切割機(jī)床上實(shí)現(xiàn)錐度切割，其工作原理如圖7－22所示。圖7－22(a)為上（或下）絲臂平動(dòng)，上（或下）絲臂沿X、Y方向平移，此法錐度不宜過大，否則鉬絲易拉斷，導(dǎo)輪易磨損，工件上有一定的加工圓角。圖7－22(b)為上、下絲臂同時(shí)繞中心移動(dòng)的方法，如果模具刃口放在中心“O”上，則加工圓角近似為電極絲半徑。此法加工錐度也不宜過大。圖7－22(c)為上、下絲臂分別沿導(dǎo)輪徑向平動(dòng)和軸向擺動(dòng)的方法，此法加工錐度不影響導(dǎo)輪磨損，最大切割錐度可達(dá)1.5°。圖7－22偏移式絲架實(shí)現(xiàn)錐度切割的原理

（2）雙坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)裝置。它在低速走絲線切割機(jī)床上廣泛采用。走絲結(jié)構(gòu)的上、下絲架臂不動(dòng)，通過電極絲上、下導(dǎo)輪在縱橫兩個(gè)方向的偏移，使電極絲傾斜，可以切割各個(gè)方向的斜度。電極絲的偏移通過U、V軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡和加工軌跡由計(jì)算機(jī)同時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)X、Y、U、V

四軸聯(lián)動(dòng)。最大傾斜角度為5°，有的甚至可達(dá)30°。

3．工作液循環(huán)系統(tǒng)在線切割加工中，工作液對(duì)加工工藝指標(biāo)的影響很大，如對(duì)切割速度、表面粗糙度和加工精度等都有影響。高速走絲時(shí)采用的工作液是乳化液，由于高速走絲能自動(dòng)排除短路現(xiàn)象，因此可用介電強(qiáng)度較低的乳化油水溶液。低速走絲常用的是去離子水，即將水通過離子交換樹脂凈化器，驅(qū)除水中的離子。采用去離子水作工作液，冷卻速度快，容易流動(dòng)，不易燃，但去離子水電阻率的大小對(duì)加工性能有一定影響。工作時(shí)，通過被加工工件的材料和厚度，將電阻率調(diào)整到最佳狀態(tài)。去離子水電阻率的大小，通過測量去離子水的微弱電流值即可測定。不管哪種工作液都應(yīng)具有以下性能：

（1）具有一定的絕緣性能；（2）具有較好的洗滌性能；（3）具有較好的冷卻性能；（4）對(duì)環(huán)境無污染，對(duì)人體無危害。

此外，工作液還應(yīng)具有配置方便，使用壽命長，乳化充分，沖制后不能油水分離，儲(chǔ)存時(shí)間較長及不應(yīng)有沉淀或變質(zhì)現(xiàn)象等特性。工作液一般采用從電極絲四周進(jìn)液的方法流向加工區(qū)域。通常是用噴嘴將工作液直接沖到工件與電極絲之間，噴嘴如圖7－23所示。由于工作液液流實(shí)際上是不穩(wěn)定的，因此容易使電極絲產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)絲架的跨距較大，且直接進(jìn)液產(chǎn)生的沖擊力和振動(dòng)會(huì)影響到工件的精度時(shí)，建議使用環(huán)形噴嘴結(jié)構(gòu)，如圖7－24所示。

圖7－23

噴嘴

圖7－24

環(huán)形噴嘴

4．?dāng)?shù)字程序控制系統(tǒng)在電火花切割加工中，數(shù)字程序控制系統(tǒng)的作用是：按照加工要求自動(dòng)控制電極絲和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡和進(jìn)給速度，完成對(duì)工件形狀和尺寸的加工。電極絲和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，是根據(jù)被加工工件的形狀尺寸，分解成XY平面的直線和圓弧組成的平面幾何圖形。在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)控制的同時(shí)，通過放電間隙大小和放電狀態(tài)，使進(jìn)給速度和工件蝕除速度相平衡，維持正常的穩(wěn)定加工，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度的自動(dòng)控制。數(shù)字程序控制系統(tǒng)主要由一臺(tái)專用小型計(jì)算機(jī)或通用小型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。數(shù)字程序控制系統(tǒng)的工作原理如圖7－25所示。

圖7－25數(shù)字程序控制系統(tǒng)工作原理圖