提高电火花线切割加工精度的措施研究

引言

电火花线切割加工是利用移动的细金属丝(线状电极,通常直径为0.02～0.3mm)与工件之间脉冲火花放电的腐蚀作用对工件进行切割加工的一种新工艺形式,具有制造成本低、生产周期短、加工精度高、加工余量小等诸多优势。近年来,随着模具需求量的增加,电火花线切割技术的应用范围已经逐渐扩大至各种模具和机械零件的加工中。目前,电火花线切割加工技术精度可达到5μm。随着大量新技术的应用,促使电火花线切割进一步朝着无人化、自动化、高速度、高精度方向发展。

1电火花线切割加工的工作原理

电火花线切割加工机床主要由床身、工作台、工具电极、电动机、走丝系统、工作液循环系统、高频脉冲电源等部分构成,其中工作台通常由X轴和Y轴的电动机驱动:工具电极,也称为电极丝,是指直径0.02～0.3mm的金属丝,在工作时由走丝系统带动,沿着其轴向方向进行运动:脉冲电源安装在工件与电极丝中间,一般情况下,工件接电源正极,电极丝接电源负极。开始工作时,将工件安装在工作台上,控制系统根据预先设置的信息,使工作台移动,使工件靠近电极丝。当移动到一定距离(通常为0.01～0.04mm）,产生火花放电,蚀除金属,完成后将工件远离电极丝,控制系统根据预先输入的程序进行操作,使得加工过程得以持续。

电火花线切割采用线极作为工具电极,可以加工一些加工截面比较复杂的孔柱、小孔、窄缝等工件。电火花线切割主要分为高速(走丝速度为8～10m/s）和低速(走丝速度为10～15m/min）走丝两种。目前我国用于生产的大多数是快速往复走丝的电火花线切割机。

2电火花线切割加工精度的影响因素及控制措施

长期以来加工精度一直是电火花线切割加工中追求的重要性能,电火花线切割加工精度主要包括:(1）加工工件的外形精度,指从XY平面看到的工件外形尺寸精度,为确保加工表面均匀平滑,要求切割线线性度小、垂直度小:(2）位置精度,指所切割轮廓的相对位置偏差,位置精度容易受机床本身机械精度、控制精度及操作中所选用的定位方式等方面因素影响:(3）表面粗糙度,指加工后工件轮廓表面的微观不平度。

总的来说,影响电火花线切割加工精度的因素十分复杂,主要分为以下几种:

2.1工艺参数

2.1.1电参量对加工精度的影响

电参量是指高频脉冲电源的参数变量,主要包括电源电

压、脉冲频率、脉冲宽度和脉冲峰值。电火花脉冲加工过程,可以看作是电腐蚀的结果。在点火花放电加工中,如果脉冲能量过大,会导致每次脉冲放电的蚀除量变大,放电凹坑就会又大又深,使得加工工件表面粗糙度恶化,影响加工精度。实践表明,改变脉冲电源的一项或几项参数,对于加工精度的影响会很大。因此,为了提高加工精度,必须根据具体加工工件和加工要求,全面考虑参数变量之间的相互关系,合理选择电参数,在满足加工要求的前提下,提高各项加工指标和加工精度。

2.1.2非电参量对加工精度的影响

非电参量主要包括:走丝速度、电极丝张力、电极丝材料、工件厚度、工作液等。

(1）走丝速度过高,会导致加工工件表面粗糙度增大,加工精度降低,且容易造成断丝。因此,一般来说在程序合理的情况下,走丝速度越慢,加工精度越好。

(2）电极丝张力过大,会引起频繁断丝,影响加工稳定性和质量,所以电极丝张力大小应根据电极丝材料与直径不同而异,一般应在电极丝抗拉强度允许范围内稍微大一点,同时在上丝过程中,外加辅助张紧力,确保加工的稳定性和精度。

(3）电极丝的粗细,会直接影响电极丝脉冲电流值。电极丝细,承受的电流就小,影响冲液效果,不利于排屑,造成切割速度降低,所加工工件表面粗糙度差。电极丝粗,导致蚀除量过大,进而影响加工精度。电极丝粗细不一样,所加工的工件厚度也不一样。因此,为确保加工精度,应根据加工条件与工件不同要求,选择合适电极丝。

(4）加工工件的厚薄一定程度上会影响加工精度。工件太

薄,容易造成电极丝抖动,不利于保证加工精度与表面粗糙度:工件太厚,工作液不易进入放电间隙,加工稳定性和精度较差。在实际加工过程中,一般加工速度会随着工件厚度的变化而发生变化,在对不同厚度进行加工时,应选择相应的最大加工速度,速度太高或太低,都会影响加工精度和效率。

(5）工作液材质和电阻率对加工速度都会有影响。在电火花线切割过程中,主要是以工作液作为放电加工介质,并利用工作液维持工具电极与工件之间的绝缘强度。工作液对于加工精度的影响很大。目前国内外很多研究学者集中于将水基工作液作为电火花加工工作液,不仅对电器元件无腐蚀,对人体和环境无害,而且能够有效提高机床加工精度与效率。

2.2机床自身

机床自身品质的好坏是影响电火花线切割加工精度的最重要、最基本因素。传统的电火花线切割加工机床以高速加工型为主,其目的重在提高加工速度,更加关注加工生产效率。理论与工艺实践研究表明:机床刚度、热平衡、发热元、伺服系统、加工电源、控制系统等方面因素,都会给加工形状的精度和表面粗糙度带来不同程度影响。因此,为了确保加工精度,线切割机床必须具备以下条件:(1）机床本身无发热源:(2）有足够的刚度:(3）有良好的热平衡:(4）有能精确按照指令移动的伺服系统:(5）有良好自我修正能力的控制系统。

为了满足上述条件,各个生产厂家多方面采取了相应的措施:

(1）精加工电源。利用精加工电源的电火花线切割加工时,可以产生毫秒级的高频窄脉冲,无需研磨就能得到较好的表面粗糙度。

(2）提高机床刚度。为了提高机床精度,目前在机床设计上采用了高刚性的机械结构,比如密烘铸铁、焊接钢板等,同时为了避免加工电源和数控装置产生的热量对机床造成影响,在设计上通常将机床与电源、数控装置分开,并采用了严格控制温度的工作液系统,避免温度变化给电火花线切割机床加工精度造成影响。

(3）提高工作台移动的控制精度。随着机械的自动化水平和精度控制逐渐提高,利用可编程逻辑控制器PLC,对伺服工作台进行自动化、智能化控制,利用电机的脉冲驱动器进行计数,确保整个加工过程中工作台移动的精准度控制。

2.3拐角加工工艺

在粗加工过程中,电极丝在高频脉冲放电及工作液压力的共同作用下,发生弯曲,从而使电极丝滞后于上下的导向器。在进行拐角加工时,由于上下导向器已经改变了方向,而电极丝滞后,在拐角处产生塌角现象,影响了加工精度。

在精加工过程中,进入拐角区域后,由于加工余量减少,而在尖角处的电场比较集中,就会导致集中放电,从而造成尖角边界不整齐或外角过度切削现象。

因此,为了防止塌角,应根据工件加工角度,采取不同的加工方法,尤其是对于内角,应在拐弯处设置一个暂停程序,让电极丝赶上上下导向器,消除延迟量,这样就能避免塌角,提高加工精度。而当电极丝加工轨迹位于被加工工件的外侧时,应采用超切程序进行加工,这样可以加工出正确的角度。

3结语

综上所述,影响电火花线切割精度的因素有很多,如加工材质、加工环境、加工工艺、机床自身品质等。只有将机床自身的电参数与非电参数都调整到良好的工作状态,同时对电火花线切割机床进行定期保养与调整,才能加工出具有良好加工精度与粗糙度的工件,促进生产效率的提升。