電火花線切割加工-機床行業(yè)百科-機床商務(wù)網(wǎng)

1背景

2技術(shù)簡介

3現(xiàn)狀

4切割機床分類

1背景

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大和制造業(yè)技術(shù)的發(fā)展，線切割技術(shù)作為特種加工技術(shù)的一種，憑借其高加工精度、高生產(chǎn)效率、低功耗、制造成本低等特點，在機械加工生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在模具加工行業(yè)，電火花線切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于冷沖模、擠壓模加工中，改變了過去用分開模和曲線磨削的加工模式，縮短了制造周期，降低了制造成本，配合精度高。

2技術(shù)簡介

線切割技術(shù)原理

線切割加工是通過電火花的放電原理對零件進行加工。將工件接入脈沖電源正極，采用鉬絲或銅絲作為切割金屬絲，將金屬絲接高頻脈沖電源負極作為工具電極，利用火花放電對加工零件進行切割。脈沖電源提供加工能量，加工過程中應(yīng)用專用的線切割工作液清楚加工中產(chǎn)生的碎屑。在電場的作用下，陰極和陽極表面分別受到電子流和離子流的轟擊，使電極間隙內(nèi)形成瞬時高溫熱源使局部金屬熔化和氣化。氣化后的工作液和工件材料蒸汽瞬間迅速膨脹，在這種熱膨脹以及工作液沖壓的共同作用下，熔化和氣化的工件材料被拋出放電通道，至此完成一次火花放電過程。

當下一個脈沖到來時，繼續(xù)重復(fù)以上的火花放電過程，從而將工件切割成形。通過數(shù)控編程來對金屬絲的切割軌跡進行控制。

線切割技術(shù)特點

線切割技術(shù)主要具有以下特點：

（1）加工中不存在顯著的機械切屑力，無論工件硬度和剛度如何，只要是導電或半導電的材料都能進行加工。但無法加工非金屬導電材料。

（2）可以加工小孔和復(fù)雜形狀零件，但無法加工盲孔。

（3）電極絲損耗小，加工精度高。

（4）加工時產(chǎn)生的切縫窄，金屬蝕除量少，有利于材料的再利用。

（5）工件材料過厚時，工作液較難進入和充滿放電間隙，會對加工精度和表面粗糙度造成影響。

（6）加工過程中可能會在工件表面出現(xiàn)裂紋、變形等問題，加工之前應(yīng)適當熱處理和粗加工，消除材料性能和毛坯形狀的缺陷，提高加工精度。

（7）通過數(shù)控編程技術(shù)對工件進行加工，可對加工參數(shù)進行調(diào)整，易于實現(xiàn)自動加工。

3現(xiàn)狀

高速走絲電火花線切割機作為我國技術(shù)的機種, 已成為我國數(shù)控機床中產(chǎn)量大、應(yīng)用廣的機種之一。據(jù)估計目前全國有數(shù)萬臺高速走絲電火花線切割機正在模具制造和零件加工中發(fā)揮著重要的作用。由于高速走絲有利于改善排屑條件, 適合于大厚度和大電流高速切割, 加工性能價格比優(yōu)異深受廣大用戶的歡迎。因而在未來較長的一段時間內(nèi), 高速走絲電火花線切割機仍是我國電加工行業(yè)的主要發(fā)展機型。

2000年國產(chǎn)大的低速走絲線切割機床生產(chǎn)單位年銷售量僅為一百多臺, 約占全國市場的九分之一, 而到2002年其銷售量已占全國市場的五分之一, 并且這些產(chǎn)品通過合資引進了技術(shù), 使產(chǎn)品水平跨越了一個臺階, 達到了國際 20世紀90年代初的水平。譬如切割速度可達200多m㎡/min,加工精度達5 μm,粗糙度R。達零點幾個微米, 其價格僅為 50萬元左右人民幣（約為同類進口機床的二分之一） , 取得了良好的開端, 具有廣闊的前景。隨著模具行業(yè)的迅速發(fā)展及水平的不斷提高, 精密零件的加工需求增加, 低速走絲線切割機床及使用耗材價格迅速下降, 加之人們對低速走絲線切割加工認識的逐步深人, 預(yù)計低速走絲線切割機的年銷量將不斷擴大, 國產(chǎn)低速走絲線切割機的占有率也將進一步上升, 并且有望出口國際市場。

4切割機床分類

慢走絲線切割機床

慢走絲線切割機床（低速走絲電火花線切割機床）的切割速度一般為0.2m/s，精度達0.001mm級，通常以銅線作為電極絲。電極絲作低速單向運動，加工表面質(zhì)量接近磨削水平，其工作平穩(wěn)、均勻、抖動小、加工質(zhì)量較好，生產(chǎn)效率高，可達350/min。慢走絲線切割機床采取電極連續(xù)供絲的方式，電極在損耗的同時也可以得到補充，所以可以提高加工精度。慢走絲線切割機床所加工的工件表面粗糙度值一般可以達到Ra0.8μm及以上，且圓度誤差、直線誤差和尺寸誤差都比快走絲線切割機床小。

中走絲線切割機床

中走絲線切割機床屬往復(fù)高速走絲電火花線切割機床范疇，是在高速往復(fù)走絲電火花線切割機上實現(xiàn)多次切割功能。所謂的“中走絲”并非是走絲的速度，而是指往復(fù)走絲電火花線切割機借鑒了一些低速走絲機的加工工藝技術(shù)，并實現(xiàn)了無條紋切割和多次切割。目前走絲控制可以實現(xiàn)七次切割，其中主要的是次切割對工件進行高速穩(wěn)定切割和第二次切割任務(wù)下對工件進行精修，其它則只是進行拋磨修光等來提高精度。中走絲線切割機床兼具快慢走絲線切割機床的優(yōu)點，但是切割過程中需要注意變形處理。工件在切割時產(chǎn)生的熱應(yīng)力會使材料出現(xiàn)不定向、無規(guī)則變形，導致切割吃倒量不均，影響切割精度。所以切割過程中必須根據(jù)不同材料預(yù)留不同加工余量來充分釋放內(nèi)應(yīng)力及變形。

快走絲線切割機床

快走絲線切割機床（往復(fù)走絲電火花線切割機床）電極絲一般采用鉬絲，一般加工速度可達6~12m/s。機床工作時通過電極絲接脈沖電源負極，工件接脈沖電源正極，高頻脈沖電源使工作液擊穿形成放電通道，粒子在電場力的作用下轟擊被加工件的表面，使得工件表面被瞬間熔化。同時電極絲可以快速通過工件被加工出的凹坑，所以電極的蝕除量遠小于工件的蝕除量，減少了電極絲的損耗。由于加工過程中電極絲是往復(fù)走絲的，而機床不能對電極絲施加恒定張力控制，所以會出現(xiàn)電極絲抖動等現(xiàn)象，造成斷絲。同時，往復(fù)走絲使得多次使用后電極絲損耗，加工精度和工件表面質(zhì)量會下降。

立式回轉(zhuǎn)電火花線切割機床

立式回轉(zhuǎn)電火花線切割機床相對上述兩種機床其電極絲多了一個繞軸的回轉(zhuǎn)運動，其加工速度為1~2m/s。由于回轉(zhuǎn)運動的存在，其加工過程產(chǎn)生了一系列有益的工藝效果，如：電極絲磨損均勻，絲的壽命被延長；電極絲運動的平穩(wěn)度有明顯提高，斷絲率下降；回轉(zhuǎn)運動可以使較小的張緊力達到加高的加工精度。

5問題

切割速度

電火花線切割加工速度不僅直接影響加工精度，同時它也決定了加工的效率，而提高了加工速度并不意味同時也可以提高加工精度，所以線切割速度成了影響加工精度的首要因素之一。

在線切割過程中，脈沖電流、脈沖電壓的脈沖間隔直接決定了切割速度。相同的放電能量，脈沖間隔越小就意味著放電平均電流越大，切割速度也就越快。但是，實際生產(chǎn)中脈沖間隔的大小受到限制，過小同樣不利于加工，這樣會使放電過程中去除的材料無法及時排除，使得放電間隔沒有足夠的時間進行電消離，進而導致加工過程不問題甚至是出現(xiàn)斷絲等現(xiàn)象。故而不能單方面通過減小脈沖間隔來提高加工速度。所以為了在保證加工精度的同時提高加工速度，通常我們需要盡量縮小脈沖間隔的同時也要使得脈沖電源放電間隔具有一定的自適應(yīng)能力來配合放電間隙。

電極絲損耗

電火花加工脈沖放電時會導致工作液擊穿，在放電區(qū)域產(chǎn)生瞬間高溫將工件表面金屬熔化或汽化。其微觀過程是放電產(chǎn)生電子或離子轟擊金屬表面，而粒子轟擊方向與工具工件所處電極相關(guān)，脈寬不同時逸出的粒子種類不同，所以由此可知工具電極也受到轟擊而造成工具損耗。電火花線切割的加工電極絲損耗原因亦是如此。另外，加工過程中如果脈寬過小，會出現(xiàn)二次放電而造成拉弧，燒傷加工表面的同時也會損傷電極絲。不僅如此，加工過程中峰值電流也會造成電極絲損耗，其影響甚至高出脈寬的影響。峰值電流過高不僅會造成加工面達不到精度要求，同時也會損耗電極絲。

工作臺精度

加工過程中工具和工件的運動都是靠工作臺的驅(qū)動來實現(xiàn)。工作臺對加工精度的影響主要體現(xiàn)在機械傳動精度上，其中包括機床的裝配精度、配合間隙、工作環(huán)境，以及走絲傳動精度等。工具與工件的運動由構(gòu)成機床的運動部件決定，首先機床中絲桿、螺紋、螺母、齒輪等零件存在加工誤差，其次由于機床長時間的使用導致零件磨損會產(chǎn)生誤差，第三，零件在裝配時也存在裝配精度誤差，種種誤差集中體現(xiàn)在機床的傳動中，這直接導致加工過程中加工表面粗糙度達不到要求，電極絲抖動產(chǎn)生表面加工條紋等。

抬刀的影響

加工時“抬刀”目的是使工作液沖洗加工間隙中的電蝕廢物和更新工作液，有利于提高加工精度。但是機床工作時每次“抬刀”都未必足夠及時，有可能在放電條件良好不需要進行“抬刀”卻“抬刀”，也有可能出現(xiàn)電蝕產(chǎn)物積聚過多，應(yīng)該“抬刀”而未“抬刀”。“抬刀”的不及時或“過及時”不僅會影響到加工速度，也會使工件產(chǎn)生拉弧燒傷等現(xiàn)象。

6發(fā)展趨勢

微細線切割技術(shù)

依靠微細線切割技術(shù)來加工大型機械難以加工的微小零件。電極絲采用鎢絲，由于電極絲直徑細小，加工時放電能量非常微弱，因此對于脈沖控制系統(tǒng)，機床精度等方面的要求很高。微細電極絲加工可獲得的加工精度，且在微小零件窄槽、微小齒輪的加工中具有優(yōu)勢，越來越受到機械加工行業(yè)的重視。

機床主機精度

機床對加工精度的影響在機械傳動精度上，主要包括機床的傳動精度、定位精度、幾何精度和裝備精度等。機床中絲杠、螺母、齒輪等零件存在加工誤差，導致加工過程中加工表面粗糙度達不到要求。應(yīng)用*技術(shù)例如：使用新型材料制造機床增加機床整體的精度和剛性、交流伺服電機直聯(lián)驅(qū)動，螺距誤差自動補償功能和反向間隙補償功能，來提高機床的加工精度。

脈沖電源技術(shù)

應(yīng)用實時監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)放電狀態(tài)適時控制脈沖電源參數(shù)，有效地提高線切割加工效率、降低斷絲概率。數(shù)字化脈沖電源采用PLD作為高頻脈沖電源的主振控制芯片，由數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字設(shè)置脈沖電源的電流前沿的上升速率，降低電極絲損耗。數(shù)字自適應(yīng)脈沖電源的可直接與PC端相連接，獲得放電間隙狀態(tài)的信息并根據(jù)一定的算法進行自適應(yīng)控制，進而提高加工精度。

多次切割工藝技術(shù)

多次切割加工是高速走絲線切割機的一個重要發(fā)展方向。在進行精密加工時，很難憑借一次走絲就將工件加工完成，需要多次加工來實現(xiàn)。隨著脈沖電源、換絲控制系統(tǒng)、算法策略方面的技術(shù)進步，在一些機械加工中已經(jīng)實現(xiàn)了高速多次切割加工。但加工的穩(wěn)定度仍然不足，還有改進的空間來實現(xiàn)更高精度的加工。

智能控制技術(shù)

目前線切割加工主要應(yīng)用的智能技術(shù)有：模糊控制技術(shù)、專家系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)等。電極絲張力與絲速的多級控制、邊界面切割的適應(yīng)控制、工作液參數(shù)的適應(yīng)控制與調(diào)節(jié)之類的智能控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于線切割加工行業(yè)。專家系統(tǒng)使計算機系統(tǒng)具有人類專家解決問題的能力，只需定義加工對象，設(shè)定相關(guān)零件性能和加工目標，專家系統(tǒng)就能自動生成加工工序，無須機床操作者手動編程。當加工系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，會自動報警，計算機系統(tǒng)自動揭示所出現(xiàn)的問題和解決問題的措施，大大減少排除故障的時間。

7研制

我國正致力于開發(fā)第三代數(shù)控多線切割機床，主要用于半導體單晶硅材料的切割，其基本特征：大加工尺寸820 mm×220 mm×220 mm；張力控制精度：小于0.5 N；鋼絲運行速度：快900 m/min；小切片厚度：0.1 mm；單片平行度≤0.005 mm；使用切割線直徑：φ0.10～φ0.18 mm；切片速度：0.01～999.9 mm/min。

主要攻克的難點包括多線切割機床張力控制技術(shù)，高速主軸技術(shù)，多傳感器智能檢測技術(shù)，故障自診斷技術(shù)。

張力控制是多線切割機床的核心技術(shù)之一。在切割過程中，切割線的張力一般設(shè)定在25～30 N，切割線單向或者往復(fù)運動完成切割動作時，張力必須保持穩(wěn)定。張力穩(wěn)定性將影響切割過程中切割線的抖動，直接影響加工質(zhì)量；同時，張力穩(wěn)定性也決定了切割線的穩(wěn)定性，因為如果在切割過程中由于張力不穩(wěn)定而造成斷線，則將損失掉成百上千片的切片，造成巨大的經(jīng)濟損失。

高速主軸技術(shù)是實現(xiàn)高速加工的主傳動部分，散熱和潤滑是高速主軸技術(shù)的兩大難點。在主軸高速運轉(zhuǎn)的情況下，主軸軸承將產(chǎn)生大量熱量，如果不能保證散熱能力，則會降低軸承的壽命和加工精度，甚至損壞軸承和電機等；高速主軸的潤滑也是一大難點，為了減小軸承內(nèi)部摩擦和磨損，降低發(fā)熱量，必須要有良好的潤滑機構(gòu)。目前主要的潤滑方式有：脂潤滑、油霧潤滑、少油潤滑3種。其中少油潤滑是一種新型的潤滑方式，具有供油量，散熱效果好，潤滑油利用率*，無環(huán)境污染等特點。

多傳感器智能檢測技術(shù)是大型數(shù)控多線切割機床必須解決的技術(shù)難點。主要包括：張力檢測傳感器，切割線偏轉(zhuǎn)傳感器，斷線檢測傳感器，工作臺異常檢測傳感器，排線器異常檢測傳感器等。這些傳感器是相互聯(lián)系的，如何接收眾多傳感器的反饋，實現(xiàn)對多線切割機床系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠的控制，是在大型數(shù)控多線切割機床的研制中必須解決的問題。

故障自診斷技術(shù)是大型數(shù)控多線切割機床智能化的重要部分，在發(fā)生故障時，系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果進行故障定位，并給出實時處理方案,提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)故障自診斷技術(shù)實現(xiàn)故障檢測、故障報警、故障存儲、故障處理等功能。此外，針對國際上數(shù)控多線切割機床的發(fā)展趨勢，可以增加自動繞線功能，以提高設(shè)備自動化水平，節(jié)約人工手動繞線的時間，提高生產(chǎn)效率；研究砂漿中研磨材料配比以及供砂方式，可以提高硅片的加工質(zhì)量；增加設(shè)置硅材料回收裝置，將被切割下來的硅材料從研磨液中分離出來供再次利用，進一步降低切割的損耗。國產(chǎn)第三代數(shù)控多線切割機床的研制成功，將會打破國內(nèi) φ200 mm硅片生產(chǎn)線上的后一個瓶頸，打破國外產(chǎn)品市場壟斷，降低IC行業(yè)購置和運行成本，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

8應(yīng)用

錐度加工編程流程

在編程系統(tǒng)CAD環(huán)境下，繪制零件的輪廓；完成后從CAD環(huán)境進入到CAM環(huán)境中；完成刀路軌跡的繪制，建立所需加工的零件模型，通過拾取輪廓來新建零件，設(shè)置機床加工參數(shù)，完成零件的建模之后建立程序，使用仿真功能模擬實際加工效果，后進行后置處理，生成加工所需要的G代碼文件。

錐度加工技術(shù)要點

（1）錐度切割相比普通切割排屑較難，可適當增加放電間隔，便于工作液帶走加工時產(chǎn)生的廢屑，降低斷絲情況的發(fā)生。

（2）在加工熱處理變形大、鍛造性不強的工件時，切割產(chǎn)生的熱應(yīng)力會導致工件變形，影響切割精度，可縮短上噴嘴與工件上表面之間的距離，使切削液能更為有效的對加工部位進行冷卻，同時根據(jù)工件的材質(zhì)預(yù)留不同的加工余量來減少熱變形帶來的加工誤差。

（3）在滿足電極絲剛性的前提下，盡量提高電極絲的張力，減少單個放電脈沖的能量，有條件可采用微細鎢絲進行加工來減少電極絲在加工過程中的偏移量。

（4）進行誤差補償。通過加工工藝試件，檢測加工的錐度角，根據(jù)測量結(jié)果進行調(diào)節(jié)。通過調(diào)整上導絲嘴與工作臺面的距離值（ZSD值）來修正錐度。調(diào)整完成后對下導絲嘴至工作臺面的距離值（ZID值）進行調(diào)整。修正ZID值時，會影響高度參數(shù)變化而又影響了錐度。那么必須把修正值附加在ZSD上，使高度參數(shù)不變錐度才不會發(fā)生改變。也就是如果ZID增加一值后，ZSD應(yīng)該減去這一值。

（5）使用校正器代替火花法對電極絲進行垂直度校正。火花法利用間隙火花放電瞬間，記下滑板對應(yīng)坐標值來對算電極絲中心坐標值，對于精密度要求高的錐度加工而言誤差較大，導致加工完成的工件在各個方向上的錐度不一致。校正器利用光電原理，性能穩(wěn)定、精度保持性好，能確保電極絲的垂直度。

9展望

數(shù)控線切割機床加工解決了很多傳統(tǒng)加工難以解決的難題，尤其在小角度、錐度切割等產(chǎn)品加工過程中更具優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于汽車、機床生產(chǎn)、航天等工業(yè)領(lǐng)域。線切割技術(shù)通過對加工參數(shù)的合理優(yōu)化和進行誤差補償，能夠完成高精度的加工，在機械加工領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。運用新技術(shù)、新工藝促進數(shù)控電火花線切割技術(shù)的高速發(fā)展，加大對線切割技術(shù)的投入，從而推動整個機械加工行業(yè)的發(fā)展。