电火花线切割加工

冰点思绪

电火花线切割加工（Wire cut Electrical Discharge Machining，简称WEDM），有时又称线切割。其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。它主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件，例如冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、样板、电火花成型加工用的金属电极，各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等，具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点，已在生产中获得广泛的应用，目前国内外的电火花线切割机床已占电加工机床总数的60％以上。
根据电极丝的运行速度不同，电火花线切割机床通常分为两类：一类是高速走丝电火花线切割机床（WEDM-HS），其电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为8～10m/s，电极丝可重复使用，加工速度较高，但快速走丝容易造成电极丝抖动和反向时停顿，使加工质量下降，是我国生产和使用的主要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式；另一类是低速走丝电火花线切割机床（WEDM-LS），其电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s，电极丝放电后不再使用，工作平稳、均匀、抖动小、加工质量较好，但加工速度较低，是国外生产和使用的主要机种。
根据对电极丝运动轨迹的控制形式不同，电火花线切割机床又可分为三种：一种是*模仿形控制，其在进行线切割加工前，预先制造出与工件形状相同的*模，加工时把工件毛坯和*模同时装夹在机床工作台上，在切割过程中电极丝紧紧地贴着*模边缘作轨迹移动，从而切割出与*模形状和精度相同的工件来；另一种是光电跟踪控制，其在进行线切割加工前，先根据零件图样按一定放大比例描绘出一张光电跟踪图，加工时将图样置于机床的光电跟踪台上，跟踪台上的光电头始终追随墨线图形的轨迹运动，再借助于电气、机械的联动，控制机床工作台连同工件相对电极丝做相似形的运动，从而切割出与图样形状相同的工件来；再一种是数字程序控制，采用先进的数字化自动控制技术，驱动机床按照加工前根据工件几何形状参数预先编制好的数控加工程序自动完成加工，不需要制作*模样板也无需绘制放大图，比前面两种控制形式具有更高的加工精度和广阔的应用范围，目前国内外95％以上的电火花线切割机床都已采用数控化。
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线切割原理介绍

线切割原理介绍及工业安全
线切割加工机发展史
20世纪中期, 苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法, 线切割放电机也于1960年发明于苏联。当时以投影器观看轮廓面前后左右手动进给工作台面加工，其实认为加工速度虽慢，却可加工传统机械不易加工的微细形状。代表的实用例子是化织喷嘴的异形孔加工。当时使用之加工液用矿物质性油(灯油)。绝缘性高，极间距离小，加工速度低于现在械械，实用性受限。
将之NC化，在脱离子水(接近蒸馏水)中加工的机种首先由瑞士放电加工机械制造厂在1969年巴黎工作母机展览会中展出，改进加工速度，确立无人运转状况的安全性。但NC纸带的制成却很费事，若不用大型计算机自动程序设计，对使用者是很大的负担。在廉价的自动程序设计装置(Automatic Programed Tools APT)出现前，普及甚缓。
日本制造厂开发用小型计算机自动程序设计的线切割放电加工机廉价，加速普及。线切割放电加工的加工形状为二次元轮廓。自动程序装置广用简易形APT(APT语言比正式机型容易)，简易形APT的出现为线切割放电机发展的重要因素。

线切割放电加工基本原理
线切割放电加工以铜线作为工具电极，在铜线与铜、钢或超硬合金等被加工物材料之间施加60~300V的脉冲电压，并保持5~50um间隙，间隙中充满煤油、纯水等绝缘介质，使电极与被加工物之间发生火花放电，并彼此被消耗、腐蚀.在工件表面上电蚀出无数的小坑，通过NC控制的监测和管控，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品.
电火花加工的物理原理如下：
为了在2个电极之间产生电火花，这2个电极之间的电压必须高于间隙(电极-工件之间)击穿电压取决于：
1) 电极和工件之间的距离；
2) 电介液的绝缘能力(水质比电阻)；
3) 间隙的污染状况(腐蚀废物)。
放电首先在电场最强的点发生，这是个复杂的过程；自由正离子和电子在场
中积累，很快形成一个被电离的导电通道；在这个阶段，两板间形成电流。导
致粒子间发生无数次碰撞，形成一个等离子区，并很快升高到8000到12000度
的高温，在两导体表面瞬间熔化一些材料，同时，由于电极和电介液的汽化，
形成一个气泡，并且它的压力规则上升直到非常高；然后电流中断，温度突然
降低，引起气泡内向爆炸，产生的动力把溶化的物质抛出弹坑，然后被腐蚀的
材料在电介液中重新凝结成小的球体，并被电介液排走；对于电极及工件腐蚀
对不对称的问题，主要取决于电极热传导性，材料的熔点,持续时间以及放电密
度，发生在电极上称作损耗，发生在工件上称作去除材料.
工 业 安 全
为了确保操作者和机床在最佳安全条件下，及同一厂内人员的健康和具备舒适的工作环境，使机器设备长时间保持原有加工性能及精准度， 延长使用寿命，必须遵守线切割放电加工的安全规则。
一、环境：
环境的选择与线切割放电加工设备及其操作人员有直接的关系，环境选择的好坏有以下影响：其一、损坏设备性能及精度，使其机床寿命缩短；其二、影响工件加工精度，造成品质不良；其三、对操作者的安全及身体健康也有所危害。故而，在环境场所的选择请参考以下事项：
1.满足线切割机床所要求的空间尺寸；
2.选择能承受机床重量的场所；
3.选择没有振动和冲击传入的场所。
线切割放电机床是高精度加工设备，如果所放置的地方有振动和冲击，将会
对机台造成严重的损伤，从而严重影响其加工精度，缩短其使用寿命，甚至导致机器报废。
4.选择没有粉尘的场所，避免流众多的通道旁边；
(1) 线切割放电机器之本身特性，其空气中有灰尘存在，将会使机器的
丝杆受到严重磨损，从而影响使用寿命；
(2) 线切割放电机器属于计算机控制，计算机所使用的磁盘对空气中灰尘的
要求相当严格的，当磁盘内有灰尘进入时，磁盘就会被损坏，同时也损坏硬盘；
(3) 线切割放电机本身发出大量热，所以电器柜内需要经常换气，若空气中灰尘太多，则会在换气过程中附积到各个电器组件上，造成电器组件散热不良，从而导致电路板被烧坏掉。因此，机台防尘网要经常清洁。
5.选择温度变化小的场所，避免阳光通过窗户和顶窗玻璃直射及靠近热流的
地方
(1)高精密零件加工之产品需要在恒定的温度下进行，一般为室温20C；
(2)由于线切割放电机器本身工作时产生相当大的热量，如果温度变化太大,则会对机器使用寿命造成严重影响。
6.选择屏蔽屋：因线切割放电加工过程属于电弧放电过程，在电弧放电过程中会产生强烈的电磁波，从而对人体健康造成伤害，同时会影响到周围的环境.
7.选择通风条件好，宽敞的厂房，以便操作者和机床能在最好的环境下工作.
二、搬运：
1.搬运方式的选择：线切割放电加工机设备搬运用叉车式和滚轮式，特殊情况下时选用吊式移动；
2.搬运前的锁定：在搬运之前，必须用专用随机固定件将床台和各轴锁定。
以防止在搬运中造成设备损坏，从而影响机台精度甚至使设备报废。

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三、操作安全：
为不使机床及人员受到损坏及危害，在操作线切割加工设备时需注意以下事项。
1.只有经过此类机器设备培训的人员才能获准使用该机器设备。
2.为了避免加工液及电柜过热，冷却系统必须处于连续工作状态；
3.为了避免直接接触到通电的电线，必须关闭机台防护门；
4.不允许2人同时操作同一机台，在运行画面操作时，应尽量将荧屏亮度降低，并选择斜视观察画面，从而减少荧屏辐射给眼睛带来的伤害；
5.加工者应熟练掌握操作面板各按键的具体功能及使用中的状态，在机台的操作过程中灵活运用，熟知画面的转换，特别是几个重要的画面(如准备画面，观察画面)所具有的功能，避免在加工中因不熟悉操作面板而造成各种异常，另因各按键(特别是常用键)的高密集使用容易受损，所以在操作面板时，表面应附一层塑料纸作保护，以延长操作面板之使用寿命；
6.同操作面板一样，加工者也应熟知遥控器的具体使用方法，遥控器之按键外表应有一层塑料纸作保护，另外，遥控器之所以可以脱离操作板远距离 操作，是利用一根电线作传导，所以遥控器的保护还应包括对电线的保护。在使用过程中不可大力拉动电线，以免遥控器失灵，电线列的部分应圈起放置，使用后，一定要放回原处挂好；
7.在机床或机头移动时，绝不可将手可手指置于机头和工作物之间，经防因指令输错或方向键按错，造成安全事故；
8.加工平台的保护：在加工工件时，应注意装夹方式是否会伤到加工平台，在机台使用时应吹干平台，长期不使用时应上防锈油加以保护机床；
9.在工件的架设过程中，应注意切割中是否会撞到上下机头，对于有小孔的加工应采用特殊加工工艺，避免因废料无法取出而造成卡料，影响机床精度；
10.工件的装夹以方便和稳固为原则，在架设工件时压紧力以工件不被水冲动为原则，以免造成螺钉滑丝而无法卸除；
11.在日常的工作中，经常会遇到使用一般架模方法而无法加工之工件，在这时就必须使用特殊的装夹治具：
(1)小型工件--压板无法架设时可虑使用正角器或麦石进行加工；
(2)如遇大斜度类工件--无法倾斜加工时，应采用正弦台或斜度垫块辅助倾斜的加工方法进行加工；
(3)多件加工时--可考虑采用正角器或麦石进行重迭加工
(4)在治具的使用过程中，应保证治具不受到损伤.
(如:为方便架模而在切割中伤到治具等动作都是不可行的)
12.加工时应特别注意设备:电压表之电压是否在规定的标准范围内；
13.加工中不能直接用手触摸工作物及铜线，落料时应注意料头卡机头的现象，料头较难取出时要小心设备和手指不受到伤害；
14.在清洗加工物时，会用到草酸清洗液，在使用时应采用毛刷洗净加工物,而不应用双手直接接触草酸清洗工作物，从而减少草酸对手的腐蚀，切勿将草酸弄入眼睛，若有弄入应立即用清水清洗；
15.线割机台操作人员加工后应注意勤洗手，特别在用餐前应洗净双手，避免杂质较多的加工液摄入危害身体；
16.在电源柜内部或机床的电器件上进行各种维修和检测时，总开关必须设置于OFF位置，并设立标示牌(维修中勿开电源)；
17.维修和检测时，必须遵守安全指示，任何维修工作之前必须查阅手册中相应章节；
18.只有当控制柜切断电源后，才能触摸电子组件；
19.拿组件时只能抓住把手，不要接触到印刷电路板的镀金线；
20.已损坏的组件必须放入保护装置中，才能放心的移置；
21.应注意设备易损耗件的及时更换，以保持精度。
四、安全装置：
A、机器设备安全装备之介绍：
1. 蜂鸣器的设置(可在发生停止或异常时自动报警)；
2. 屏幕保护的设置(可在画面长时间不使用时，屏幕自动关闭减少辐射)；
3. 紧急制动键的设置(可在发生突发异常时紧急制动)；
4. 散热风扇的安装(主要负责主机箱的通风散热)；
B、安全装备操作使用方法：
1. 蜂呜器的使用，蜂呜器的使用只有两种状态：当功能选择为“ON”时，蜂呜器会对出现的异常自动报警；当功能选择为“OFF”时，蜂呜器不起作用。蜂呜器主要起提示用，当机台暂停时，提醒加工者将机台继续加工处理；
2. 屏幕保护的使用：沙迪克机型屏幕保护的设置，可利用参数的修改进行，选择是否启用屏幕保护，并可设置启用时间，如无使用时将之关闭即可；
3. 紧急制动按钮的使用：当机台出现突发异常，加工者无法立刻想出正确的解决方法时，可按此键将机台制动；
4. 散热风扇在主电源打开的情况下便会启用；
五、急救逃生：
1. 火灾发生：火灾发生时，应及出正确的消防处理，并立即上报主管，拨打火警“119”电话时 (必须有接到高级主管命令) ，要讲清着火单位名称详细地址，着火物质，火情大小及报警人的姓名与电话号码，并积极参与扑救初期火灾，防止火势蔓延，当火势难以控制时，就要镇定情绪，设法逃生。当被烟包围时，要用湿毛巾捂住口鼻，低姿势行走匍匐穿出现场，当逃生通道被烟火封住，可用湿棉被等披在身上弯腰冲过火场。当逃生通道被堵死时，可通过阳台排水管等处逃生，或在固定的物体上拴绳子，顺绳子逃离火场，如果上述措施行不通，则应退回室内，关闭通往火区的门窗，并向窗外浇水延缓火势蔓延，同时向窗外发出求救信号，总之，在任何情况下，都不要放弃救生的希望；
2. 当发现有人触电后，应迅速展开急救工作，动作迅速。方法准确最为关键。无论在何时何地发现危重病人或意外事故，都可拨打“120”电话，请求急救中心进行急救。首先应迅速切断电源，若电源开关距离较远，可用绝缘物体拉开触电者身上的电线，或用带绝缘柄的工具切断电源，切勿用金属材料或潮湿物体作救护工具，更不可接触触电者身体，以防自己触电。当触电者脱离电源后，应根据其具体情况，迅速对症状救治。对伤势不重，神志清醒者，应使其安静休息一小时，再送往医院观察；对伤势较重，也失去知觉，但心脏跳动和呼吸还存在，应使其舒适，安静地平卧，并速请医生诊治或送往医院，对伤势严重，呼吸停止或心脏跳动停止，或二者都已停止，应立即施行人工呼吸及胸外挤压，并速送医院诊治。

冰点思绪

电火花加工是在液体介质中进行的，机床的自动进给调节装置使工件和工具电极之间保持适当的放电间隙，当工具电极和工件之间施加很强的脉冲电压（达到间隙中介质的击穿电压）时，会击穿介质绝缘强度最低处，如图所示。由于放电区域很小，放电时间极短，所以，能量高度集中，使放电区的温度瞬时高达10000-12000℃，工件表面和工具电极表面的金属局部熔化、甚至汽化蒸发。局部熔化和汽化的金属在爆炸力的作用下抛入工作液中，并被冷却为金属小颗粒，然后被工作液迅速冲离工作区，从而使工件表面形成一个微小的凹坑。一次放电后，介质的绝缘强度恢复等待下一次放电。如此反复使工件表面不断被蚀除，并在工件上复制出工具电极的形状，从而达到成型加工的目的。

　

       电火花成形加工原理图

1-工件  2-脉冲电源  3-自动进给装置  4-工具电极  5-工作液  6-过滤器  7-泵

　

    电火花加工是不断放电蚀除金属的过程。虽然一次脉冲放电的时间很短，但它是电磁学、热力学和流体力学等综合作用的过程，是相当复杂的。综合起来，一次脉冲放电的过程可分为以下几个阶段：

(1)极间介质的电离、击穿及放电通道的形成

    当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一个电场。电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。当电场强度增大到一定数量时，介质被击穿，放电间隙电阻从绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度很高。间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般约为20~30V），电流则由0上升到某一峰值电流。

(2)介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀

    极间介质一旦被电离、击穿，形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内正极和负极表面分别成为瞬时热源，达到很高的温度。通道高温将工作液介质汽化，进而热裂分解汽化。这些汽化后的工作液和金属蒸汽，瞬间体积猛增，在放电间隙内成为气泡，迅速热膨胀并具有爆炸的特性。观察电火花加工过程，可以看到放电间隙间冒出气泡，工作液逐渐变黑，并听到轻微而清脆的爆炸声。电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、汽化了的电极材料抛出蚀除。

(3)电极材料的抛出

    通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液汽化和金属材料熔化、汽化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使汽化了的气体不断向外膨胀，压力高处的熔融金属液体和蒸汽，就被排挤、抛出而进入工作液中。由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料具有最小的表面积，冷凝时凝聚成细小的圆球颗粒。

    熔化和汽化了的金属在抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中并收缩成小颗粒外，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上。这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象，在某些条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。

实际上，金属材料的蚀除、抛出过程比较复杂的，目前，人们对这一复杂的机理的认识还在不断深化中。

(4)极间介质的消电离

    随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，从而保证在两极间最近处或电阻率最小处形成下一次击穿放电通道。

    由此可见，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般要有足够的脉冲间隔时间。此外，还应留有余地，使击穿、放电点分散、转移，否则仅在一点附近放电，易形成电弧。

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