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电火花线切割. 主 讲 : 刘建伟 2007 年 4 月. 第一讲 电火花线切割概述. 电火花线切割加工( Wire Cut Electrical Discharge Machining, 简称 WCEDM) 是在电火花加工基础上于50年代末在前苏联发展起来的一种新工艺,由于其加工过程是利用线状电极靠火花放电对工件进行切割,故称电火花线切割。目前,国内外的线切割机床已占电加工机床的60%以上。. 一、线切割的基本原理. 原理: 利用上下高速移动的金属导线(铜丝或钼丝)作电极,对工件进行脉冲火花放电、切割成形。

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Presentation Transcript
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电火花线切割

主 讲:刘建伟

2007年4月

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第一讲 电火花线切割概述

电火花线切割加工(Wire Cut Electrical Discharge Machining,简称WCEDM)是在电火花加工基础上于50年代末在前苏联发展起来的一种新工艺,由于其加工过程是利用线状电极靠火花放电对工件进行切割,故称电火花线切割。目前,国内外的线切割机床已占电加工机床的60%以上。

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一、线切割的基本原理

原理:利用上下高速移动的金属导线(铜丝或钼丝)作电极,对工件进行脉冲火花放电、切割成形。

其加工原理示意图如下图所示:

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在这个加工过程中,工件接高频脉冲电源的正极,钼丝接高频脉冲电源的负极,当工件与钼丝接进到一定距离(0.01-0.2mm)时,它们之间就产生火花放电,腐蚀工件(熔化,温度在10000度以上)。在这个加工过程中,工件接高频脉冲电源的正极,钼丝接高频脉冲电源的负极,当工件与钼丝接进到一定距离(0.01-0.2mm)时,它们之间就产生火花放电,腐蚀工件(熔化,温度在10000度以上)。

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火花放电过程中如此高的温度钼丝为何没有熔断?

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二、线切割机床的分类

1)按走丝速度分 有高速走丝和低速走丝两种。高速走丝电火花线切割机床(WEDM-HS)的电极丝作高速往复运动,一般走丝速度为6-11m/s,这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;低速走丝电火花线切割机床(WEDM-LS)的电极丝作低速单向运动,一般走丝速度低于2.5m/s,这是国外生产和使用的主要机种。

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2)按控制方式分 由靠模仿形控制、光电跟踪控制、数字程序控制以及微机控制等,前两种方法现已很少采用。

3)按脉冲电源形式分 有RC电源、晶体管电源、分组脉冲电源以及自适应控制电源等,RC电源现已基本不用。

4)按加工特点分 有大、中、小型,以及普通直壁切割型与锥度切割型等。

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三、线切割加工的特点

①工件必须是导电材料;

②材料的去除是靠放电时的电能作用来实现的;

③工具电极和工件之间不直接接触,几乎没有切削力,所以加工的材料可以选用高硬度的材料(一般加工工件都可在淬火后进行);

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④加工对象主要是平面形状,当机床上加上能使电极丝作相应倾斜运动的功能后,也可以加工锥面。但是不能加工盲孔;

⑤自动化程度高、操作方便,易于实现自动化;

⑥不需要制造成形电极,用简单的电极丝即可对工件进行加工。

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四、线切割加工的用途

(1)加工模具

适用于各种形状的冲模。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。模具配合间隙、加工精度通常都达到要求。此外,还可加工挤压模、粉末冶金模等通常带锥度模具。

(2)加工电火花成形加工用的电极

一般穿孔加工用的电极以及带锥度型腔加工用的电极,以及铜钨、银钨合金之类的电极材料,用线切割加工特别经济,同时也适用于加工微细复杂形状的电极。

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(3)加工高硬度材料

由于线切割主要是利用热能进行加工,在切割过程中工件与工具没有相互接触,没有相互作用力,所以可以加工一些高硬度材料,只要被加工的金属材料熔点在10000℃以下就可以。

(4)加工贵重金属

线切割是通过线状电极的“切割”完成加工过程的,而我们常用的线状电极的直径很小(通常在0.13mm-0.18mm),所以切割的缝隙也很小,这便于节约材料,因此我们可以用来加工一些贵重金属材料。

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(5)加工试验品

在试制新产品时,用线切割在坯料上直接割出零件,例如试制切割特殊微电机硅钢片定转子铁心,由于不需另行制造模具,可大大缩短制造周期、降低成本。

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1-储丝筒;2-走丝溜板;3-丝架;4-上工作台;5-下工坐台;

6-床身;7-脉冲电源及微机控制柜

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三、低速与高速电火花线切割机床的比较

低速走丝线切割机床与高速走丝线切割机床在结构组成上基本一致,不同之处在于:

1.低速走丝线切割机床是单向运丝,而且电极丝(一般为黄铜丝)只使用一次;

2.低速走丝线切割机床工艺指标(包括加工精度、表面粗糙度、复杂度等)明显高于高速走丝;

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低速:加工精度为0.002-0.005mm,表面 粗糙度一般为Ra 1.25um ,最佳可达Ra 0.2um ;

高速:加工精度为0.01-0.02mm,表面粗糙度一般为Ra 5.0-2.5um ,最佳可达Ra 1.0um

3.低速走丝线切割机床加工零件的厚度小于高速;

4.低速走丝线切割机床价格高。

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四、数控线切割技术的发展趋势

1.切割速度、加工精度、表面粗糙度、复杂度的进一步提高;

低速目前最高切割速度:300

2.线切割机床逐步形成产品的系列化、标准化和通用化,向大型、精密、高效率、多功能及自动化等方向发展。

高速最高切割速度可达:260

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第三讲 数控线切割编程

一、 数控线切割编程的概念

数控线切割机床的控制系统是根据人员的“命令”控制机床进行加工的,因此,必须事先把要进行线切割的工件几何图形,按线切割系统所能接受的“语言”编排好“命令”,输入到线切割机的数控系统中,所编制的“命令”就是线切割程序,编制“命令”的工作就叫做数控线切割编程。数控线切割编程可分为手工编程和自动编程两类。

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手工编程

人采用各种数学方法,使用一般的计算工具(包括电子计算器),对编程所需的数据进行处理和运算。通常是把图形分割成直线段和圆弧段并把每段曲线关键点(起点、终点、圆心点等)的坐标一一定出,按这些曲线的关键点坐标进行编程。当零件的形状复杂或非园曲线时,手工编程的工作量大且容易出错。在手工编程技术领域内,已出现了三角法、解析法、增量法、表格法、六边形法、轨迹法、几何法等多种方法。

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自动编程

使用专门的数控语言及各种输入手段,向计算机输入必要的形状和尺寸数据,利用专门的应用软件求得个关键点坐标和编写数控加工所需要的数据,再根据各数据计算机自动编写数控加工代码。

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二、手工编程

手工编程主要由3B、4B、5B、ISO…,使用最多的是3B格式。为了与国际接轨,目前有的厂家也使用ISO代码。我们在这里主要介绍3B和ISO法。

1 3 b

N

B

X

B

Y

B

J

G

Z

序号

间隔符

X轴坐标值

间隔符

Y轴坐标值

间隔符

计数长度

计数方向

加工指令

1、3B程序格式
1 x y
(1)平面坐标系和坐标值X、Y
  • 线切割加工所采用的坐标系为相对坐标系。
  • 平面坐标系是这样规定的:面对机床工作台,工作台平面为坐标平面,左右方向为X轴,且向右为正;前后方向为Y轴,且向前为正。
  • 加工直线时,坐标原点移至加工起点,X、Y是终点相对于起点的绝对坐标。
  • 加工圆弧时,坐标原点移至圆心,X、Y是圆弧起点相对于圆心的绝对坐标值。
  • 注意:此处的坐标值无负值,且单位为微米
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(2)计数方向G
  • 有GX和GY两种,它的选取可按加工直线或圆弧终点坐标值的绝对值大小来选取。现以Xe、Ye分别表示X方向、Y方向终点坐标。
  • ①直线计数方向
  • 加工直线时,终点靠近何轴,这计数方向取该轴,若与坐标轴成45度,任取一个方向均可。
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判断终点靠近那个轴的办法是:利用投影法,

如图所示:

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②圆弧计数方向

加工圆弧时,终点靠近何轴,则计数方向取另(这与直线计数方向相反),若终点与两轴成45度,取X、Y均可。

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(3)计数长度J

①直线计数长度

被加工的直线在计数方向坐标轴上的投影绝对值。两投影相同时任取一个即可。

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②圆弧计数长度

指被加工的曲线在计数方向坐标轴上投影的绝对值总和。两投影相同时任取一个即可 。

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(4)加工指令Z

加工指令可分为12种,用来传达机床打出的命令。分为直线和圆弧两大类。

直线:L1、L2、L3、L4

圆弧:顺圆:SR1、SR2、SR3、SR4

逆圆:NR1、NR2、NR3、NR4

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程序为:

B0B2000B2000GYL2; (引入、引出线OA)

BOB10000B10000GYL2; (AB)

B0B10000B20000GXNR4; (弧BC)

BOB10000B10000GYL2; (CD)

B30000B8040B30000GXL3; (DE)

BOB23920B23920GYL4; (EF)

B30000B8040B30000GXL4; (FA)

B0B2000B2000GYL4; (OA)

MJ; (结束符)

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3、编程中的补偿法

1)有公差尺寸的编程计算法

对于有公差尺寸的编程,一般采用中差尺寸编程。从大量统计表明,加工后的实际尺寸大部分是在公差带的中值附近,因此对标注有公差的尺寸,应采用中差尺寸编程。计算公式如下:

中差尺寸=基本尺寸+(上偏差+下偏差)/2

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2)间隙补偿问题

在数控线切割机床上,电极丝的中心轨迹和图纸上工件轮廓差别的补偿称为间隙补偿。它可以分为编程补偿和自动补偿。

编程补偿:按钼丝轨迹进行编程,把间隙补偿考虑进去。

自动补偿:按零件实际轮廓轨迹进行编程,然后把需要补偿的量告诉数控系统,进行自动补偿。

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第四讲 数控电火花线切割加工工艺

一、数控电火花线切加工的主要工艺指标

线切割加工的主要工艺指标有:

切割速度

表面粗糙度

放电间隙

加工精度

电极丝损耗量

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切割速度

在保持一定表面粗糙度的切割过程中,单位时间内电极丝中心线在工件上切过的面积总和,单位mm2/min。高速走丝切割速度一般为40~80 mm2/min。它与加工电流大小有关,为比较不同输出电流脉冲电源的切割效率,将每安培电流的切割速度称为切割效率,一般为20 mm2/(min·A)。

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表面粗糙度

高速走丝线切割的表面粗糙度可达Ra5.0~2.5μm,最佳可达Ra1.0μm左右;低速走丝线切割一般可达Ra1.25μm,最佳可达Ra0.2μm。

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放电间隙

通常认为电极丝与工件之间的单边放电间隙在0.01mm左右,若脉冲电源的电压高些,放电间隙会大一些。

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加工精度

加工精度是所加工工件的尺寸精度、形状精度和位置精度的总称。高速走丝线切割加工精度可达0.02~0.01mm左右,低速走丝线切割可达0.005~0.002mm左右。

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电极丝损耗量

对高速走丝机床,采用电极丝切割10000mm2面积后电极丝直径的减少量来表示。一般每切割10000mm2面积后,电极丝(钼丝)直径减少不应小于0.01mm。

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二、线切割加工的切割方式

线切割机床切割方式有:

直壁切割切割时,电极丝与工件的移动平面垂直

锥度切割切割时,电极丝与工件的移动平面是倾斜一定的角度,加工的工件具有一定的锥度。

上下异型面切割切割时,电极丝与工件的移动平面式切斜的,并且倾斜角度是按要求变化的,亦即电极丝上端与下端按不同的型面编程。

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1.分析零件图纸
  • 与其他金属加工一样,在对工件进行电火花线切割前应充分对所要加工产品的零件图纸进行分析审核,主要从以下几个方面考虑:
  • 1)尺寸要求:凹角、夹角的尺寸要符合线切割的加工要求;
  • 2)形状要求:加工的必须是通孔零件;
  • 3)材料要求:必须是导电材料,而且一般选用硬度大的材料;
  • 4)精度要求:合理选择表面粗糙度和加工精度。
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现以线切割加工为主要工艺,对钢进行加工路线如图所示。

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2.工艺处理

工艺处理是线切割加工步骤中的重要一环,主要包括以下几点:

(1)工件夹具的设计和选择

所涉及核选择的工件夹具应便于安装,便于协调工件和机床间的尺寸关系,且尽可能可以反复利用。在加工大型工件是应充分考虑工件的定位问题,特别是在加工快完成时,工件容易变形,使电极丝夹紧,导致断丝。这是可以考虑采用几块磁体将加工完成的地方吸住,保证加工的正常进行。

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(2)正确选择穿丝孔、进刀线和退刀线

穿丝孔是电极丝相对工件运动的起点,同时也是程序执行的原点,所以穿丝孔应选择在容易找正、并在加工过程中便于检查的位置。为保证加工精度,穿丝孔的位置应设置在工件上,一般为基准点位置。

而在设置进刀线及退刀线时应注意不与轮廓第一条边重合、不与第一条边夹角过小或距离过近,最好是通过工件的中心线。

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(3)确定合理的偏移量

在加工凸模、凹模时对精度的要求很高,必须考虑电机丝及放电间隙对精度的影响,合理的偏移量应根据电极丝直径及机床参数来确定。

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3.数学处理

在完成了工艺处理后,需要根据零件的几何尺寸计算出运动轨迹,如几何图形起点、终点、交点、切点、圆弧的圆心点等与运动轨迹有关的坐标值。对于有补偿要求的几何图形,可以使用AutoCAD或其他绘图软件将待加工的几何轮廓偏移一个补偿量,通过测量获取各经过偏移后的起点、终点、交点、切点、圆弧圆心点等作标值,可以大大减少计算工作量。

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4.编制加工程序

线切割程序编制可采用手动或电脑自动编程,无论采用那种方法进行编程均应对以下几个方面进行充分考虑:

(1)配合间隙

在对有配合间隙要求的工件(如冲模的凸凹模)进行切割时,在编程时应把配合间隙值考虑在程序中。

(2)过渡圆

为了提高切割工件的使用寿命,在工件的几何图形交点,特别是小角度的拐角处应加上过渡圆,其半径一般在0.1-0.5mm范围内。

(3)起割点和切割路线

起割点一般选择在工件几何图形的拐角处,或容易将凸尖修去的部位。切割路线的确定以防止或减少工件变形为原则。

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5.程序检验

编写完成的程序一般要经过检验才能用于正式加工,采用电脑自动编程时,可利用软件提供的实体加工模拟功能进行模拟,也可以采用机床空运行的方法检验实际加工情况,验证加工过程中是否撞极限、机床行程是否满足等,确保程序无误,必要时用薄料进行试切割。

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6.线切割机加工

切割加工时要正确装夹工件、找正工件各基准、调整电极丝的垂直度和张力,调整脉冲电源各参数,包括脉冲电压、峰值电流、脉冲宽度、进给速度等,各参数合理调整完毕后方可正式加工。

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7.切割工件检验

切割工件的检验包括尺寸精度、粗糙度、垂直度等,有配合间隙要求的工件还应对配合间隙进行检验。

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四、影响线切割加工的因素

影响电火花线切割加工的主要因素如下:

(1) 工作液

工作液是脉冲放电的介质,它对切割速度、表面粗糙度和加工精度都有影响。工作液应具有一定的绝缘性能、较好的洗涤性能、较好的冷却性能等,并要求对环境无污染,对人体无危害。

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(2)电极丝

高速走丝机床的电极丝是快速往复运行的,在加工过程中要反复使用。这类电极丝主要有钼丝、钨丝和钨钼丝。低速走丝线切割机床一般用黄铜作电极丝,电极丝作单向低速运行,用一次就作为废料回收,不必用高强度和耐损耗的钼丝。电极丝直径过大或过小对加工速度的影响较大。电极丝的走丝速度影响切割速度,这是因为随着走丝速度的提高,使工作液易被带入放电间隙,改善间隙状态。

但是工艺条件确定后,切割速度的提高是有限的。

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(3)穿丝孔和起刀点

穿丝孔、起切点及走丝路线是线切割加工中非常重要的一环,很多时候用户编制的程序、工件的装夹、电参量的设置等都没问题,但就是加工不成功,此时问题往往是穿丝孔、起切点及走丝路线的安排不当。

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穿丝孔的确定1)穿丝孔的作用

A、用于加工凹模前的穿丝;

B、减少凸模加工中的变形量和防止因材料变形而发生夹丝现象;

C、保证被加工部分与其它有关部位的位置精度。

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2)穿丝孔的位置

穿丝孔位置应根据切割工件的实际情况来确定,如根据切割工件的类型、材料、大小等情况来确定,具体应遵循以下几点:

(1)在切割小型凹模类工件时,穿丝孔一般确定在凹模的中心位置,以便于穿丝孔的加工和切割轨迹程序计算。此方法的缺点是当切割大型零件时,无用切割路现长,因此不太适合大型凹模的加工。

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(2)在切割凸模类工件和大型凹模类工件时,穿丝孔一般确定在起刀点附近,可以缩短无用切割路线的长度。

(3)穿丝孔的位置应选择在已知坐标点或便于计算的坐标点上,特别是对于有多次穿丝孔的工件,把穿丝点选择在特殊坐标点上,将有利于程序的编制。

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3)穿丝孔大小及加工

穿丝孔直径大小的选择,应便于钻孔或镗孔加工,不宜过大或过小,一般在3-10mm范围内选择,并去整数直径。

由于穿丝孔常用作加工基准,因此,穿丝孔的加工一般在具有较高精度的机床上进行,也可采用电火花穿孔,以保证穿丝孔的位置、尺寸精度。

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起切点的确定

起切点是工件串连几何图形的起始切割点,往往也是几何图形切割的终止点。起切点选择不当,会使工件切割表面留下切痕,特别是起切点选在圆滑表面上时,切痕更为明显。

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在选择起切点位置时应注意以下几点:

1)把起切点尽可能选择在几何图形的拐角点处,有多个拐角点时,优先选择直线和直线相交的拐角点,其次选择直线与圆弧、圆弧与圆弧相交的拐角点。

2)把起切点尽可能选择在工件表面粗糙度要求不高的一侧。

3)把起切点尽可能选择在工件切割后容易修磨的表面上。

4)可在穿丝点与起切点(终止点)间加入一导引入(导引出)切割轨迹,以改善切割痕迹.

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(4)工件的装夹

工件装夹的形式对加工精度也有直接影响。电火花线切割加工机床的夹具比较简单,一般是在通用夹具上采用压板螺栓固定工件。为了适应各种形状工件加工的需要,还可以使用磁性夹具、旋转夹具或专用夹具等。

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(5)线切割工艺参数

脉冲电源的波形与参数(脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电压和电流)对材料的电腐蚀过程影响极大,它们决定着表面粗糙度、蚀除率、切缝宽度的大小和钼丝的损耗率,进而影响加工的其他工艺指标。