3.2电火花线切割机床及设备组成

3.2　电火花线切割机床及设备组成

3.2.1　机床的分类、工艺特征及组成

线切割机床可按电极丝位置，可分为立式线切割机床和卧式线切割机床；按工作液供给方式，可分为冲液式线切割机床和浸液式线切割机床。

根据机床电极丝移动的速度不同，又可分为高速走丝电火花线切割(快走丝)和低速走丝电火花线切割(慢走丝)。如表3.1所示为快、慢走丝切割机床的主要区别。此外，还有电极丝旋转的电火花线切割机床以及电极丝速度可调节的电火花线切割机床。不同的走丝方式，电火花切割机床的结构形式及工艺特点也明显不同，如表3.2所示为快、慢走丝线切割加工工艺水平比较。

表3.1　快、慢走丝线切割机床的主要区别

表3.2　快、慢走丝线切割机床加工工艺水平比较

随着线切割技术的发展，国内目前正在高速走丝机床的基础上积极发展中走丝技术。通过升级快走丝机床的硬件、软件，研究发展多次切割，张力控制等多项中走丝关键技术，中走丝机床在加工精度、表面粗糙度等工艺参数上已经比快走丝机床有了很大的提高并逐渐接近慢走丝机床，机床价格又远低于慢走丝机床。

电火花线切割加工设备主要由机床本体、脉冲电源、控制系统、工作液循环系统及机床附件等部分组成。

图3.2　DK7725d型快走丝数控电火花线切割机床

1—床身；2—工作台；3—导丝架；4—储丝筒；5—紧丝装置；6—工作液循环系统；7—控制箱；8—程控机头；9—脉冲电源；10—驱动电源

图3.3　HC-6CNC慢走丝线切割机床

1—床身；2—工作台；3—下导向架；4—上导向架；5—电容箱；

6—走丝机构；7—机械操作盘；8—数控柜；9—绘图装置；10—去离子水流量计

3.2.2　电火花线切割机床本体和走丝机构

机床本体由床身、坐标工作台、运丝机构、丝架(高速走丝机)或立柱(低速走丝机)、工作液箱、附件及夹具等部分组成。

(1)床身

床身是支承坐标工作台、走丝机构和丝架的基体。它应具有一定的刚度和强度，备有台面水平调整机构和便于搬运的吊装孔或吊钩。

床身、立柱的结构类型如图3.4所示。其中，框型结构和C型结构适用于中小工件加工，而龙门型结构的布局呈对称形，刚性强，有利于热平衡，适用于大型及精密工件加工。

(2)坐标工作台

电火花线切割机床最终是通过坐标工作台与电极丝的相对运动来完成对零件加工的。大多为X，Y方向的线性运动。为了保证机床精度，要求有较高的导轨精度、刚度和耐磨性。一般采用“十”字滑板、滚动导轨和丝杠传动副将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动，通过X，Y方向的进给移动，可用获得各种平面图形的曲线轨迹。

(3)运丝机构

走丝系统使电极丝以一定的速度运动并保持一定的张力。在高速走丝机床上，一定长度的电极丝平整地卷绕在储丝筒上，丝张力与排绕时的拉紧力有关，现已研制出恒张力装置提高加工精度。为了重复使用该段电极丝，储丝筒通过联轴节与驱动电机相连，电机通过换向装置使储丝筒做正反交替运转。

图3.4　床身的结构类型

(a)框型结构　(b)C型结构　(c)龙门结构

低速走丝系统如图3.5所示。自未使用的金属丝筒2(绕有1～3 kg金属丝)、靠卷丝轮1使金属丝以较低的速度(通常0.2 m/s以下)移动。为了提供一定的张力(2～25 N)，在走丝路径中装有一个机械式或电磁式张力机构4和5。为了实现断丝时可以自动停车并报警，走丝系统中通常还装有断丝检测微动开关。用过的电极丝集中到卷丝筒上或送到专门的收集器中。

图3.5　低速走丝系统示意图

1—废丝卷丝轮；2—未使用的金属丝；3—拉丝模；4—张力电动机；5—电极丝张力调节轴；6—退火装置；7—导向器；8—工件

为了减轻电极丝的振动，应使其跨度尽可能小(按工件厚度调整)。通常在工件的上下采用蓝宝石V形导向器或圆孔金刚石模导向器，其附近装有引电部分，工作液一般通过引电区和导向器再进入加工区，可使全部电极丝的通电部分都能冷却。近代的机床上还装有自动穿丝机构，能使电极丝经一个导向器穿过工件上的穿丝孔而被传送到另一个导向器，在必要时也能自动切断，为无人连续切割创造了条件。

(4)丝架

丝架有固定式、升降式和偏移式等类型。丝架与运丝机构组成了电极丝的运动系统。丝架的主要作用是在电极丝移动时对其起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台面保持一定的角度，工作时不应出现振动和变形，要求丝架有足够的刚度和强度。

图3.6　可调式丝架本体结构示意图

3.2.3　电火花线切割脉冲电源

高速走丝电火花线切割加工用的脉冲电源是高频脉冲电源，其脉冲重复频率为10～100 kHz，多为矩形波。电火花线切割加工用的脉冲电源是由脉冲发生器、前置推动级、功放级及直流电源4部分组成，如图3.7所示。

图3.7　脉冲电源的基本组成

脉冲发生器产生的矩形方波是脉冲源，它由脉冲宽度t_i、脉冲间隔t₀和脉冲频率f等参数表示；前置推动级用以对脉冲发生器发出的脉冲信号进行放大，以便驱动后面的功放级，一般由几个晶体三极管或功率放大集成电路组成，功放级将前置推动级所提供的脉冲信号进行放大，为工件和电极丝之间进行加工提供所需的脉冲电压和电流，使其获得足够的放电能量。

高速走丝电火花线切割加工脉冲电源与电火花成型加工所用的脉冲电源在原理上相同，但由于受表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制，线切割加工脉冲电源的脉宽很窄(2～60 μ s)，单个脉冲能量、平均电流(1～5 A)一般较小，故线切割加工总是采用正极性加工。脉冲电源的品种很多，常用的有晶体管脉冲电源、高频分组脉冲电源、并联电容型脉冲电源等。目前，线切割机床使用的脉冲电源以晶体管脉冲电源为主。

(1)晶体管脉冲电源

控制功率管VT的基极形成电压脉宽t_i和电流脉宽t_e，限流电阻R₁和R₂决定峰值电流。它主要用于快走丝，因为慢走丝排屑差，要求采用0.1 μ s的窄脉宽和500 A以上高峰值电流，开关元件难，体积也大。

图3.8　晶体管矩形波脉冲电压、电流波形及其脉冲电源

(2)高频分组脉冲电源

高频分组脉冲波形如图3.9所示。它是矩形波派生的一种波形，即把较高频率的小脉宽t_i和小脉间t₀的矩形波形脉冲分组为大脉宽T_i和大脉间T₀的输出。高频分组脉冲电源兼顾切割速度和表面粗糙度的要求，得到广泛的运用。

图3.9　高频分组脉冲波形

高频分组脉冲电源的电路原理框图如图3.10所示。脉冲形成电路是由高频短脉冲发生器、低频分组脉冲发生器和门电路组成。高频脉冲发生器是产生窄脉冲宽度和窄脉冲间隔的高频多谐振荡器；低频分组脉冲发生器是产生宽脉冲宽度和较宽脉冲间隔的低频多谐振荡器，两多谐振荡器输出的脉冲信号经过与门后，便输出高频分组脉冲。然后与矩形波脉冲电源一样，把高频分组脉冲信号进行脉冲放大，再经功率输出级，把高频分组脉冲能量输送到放电间隙中去。

图3.10　高频分组脉冲电源电路原理框图

(3)并联电容型脉冲电源

这种电源实现短放电时间高峰值电流，常用于早期的慢走丝机床中。这种带晶体管控制的电容器放电电路如图3.11所示。电源工作时的电压、电流波形如图3.12所示。按照晶体管的开关状态，电容器两端的电压波形呈现一种阶梯形状。利用晶体管开通时间t_i和截止时间t₀的不同组合，可改变充电电压波形的前沿。一旦放电电流产生，可使晶体管变为截止状态，阻止直流电源供给电流；通过调整晶体管的通断时间、限流电阻的个数及电容器的容量，可控制放电的重复频率，而每次放电的能量由直流电源的电压及电容器的容量决定。

图3.11　并联电容型脉冲电源

图3.12　并联电容型电路的电压、电流波形

3.2.4　电火花线切割工作液循环系统

工作液对工艺指标的影响，快走丝线切割机床的工作液有煤油、去离子水、乳化液、洗涤剂液、酒精溶液等。但由于煤油、酒精溶液加工时加工速度低、易燃烧，现已很少采用。目前，快走丝线切割工作液广泛采用的是乳化液，其加工速度快。慢走丝线切割机床采用的工作液是去离子水和煤油。

工作液的注入方式有浸泡式、喷入式和浸泡喷入复合式。喷入式注入方式是目前国产快走丝线切割机床应用最广的一种，而慢走丝线切割加工普遍采用浸泡喷入复合式的注入方式。

图3.13　线切割机床工作液系统

1—过滤器；2—回液管；3—工作台；4—下丝臂进液管；5—上丝臂进液管；6—流量控制阀；7—进液管；8—工作液泵；9—工作液箱

(1)高速走丝机床的工作液系统

一般线切割机床的工作液系统包括工作液箱、工作液泵、流量控制阀、进液管、回液管及过滤网罩等，如图3.13所示。

1)工作液过滤装置

如图3.14所示，用过的工作液经管道流到漏斗5，经磁钢2、泡沫塑料3、纱布袋1流入水池中。这时基本上已将电蚀物过滤掉，再流过两块隔墙4、铜网布6、磁钢2，工作液得到过滤。此种过滤装置不需特殊设备，方法简单，可靠实用，设备费用低。

坐标工作台的回水系统装有射流吸水装置，如图3.15所示。在进水管中装一个分流，流进回水管，使回水管具有一定的流速，造成负压，台面的工作液在大气压下畅通流入管而不外溢。

图3.14　工作液过滤图

1—纱布袋；2—磁钢；3—泡沫塑料；4—隔墙；5—漏斗；6—铜网布；7—工作液泵

图3.15　射流吸水装置示意图

2)工作液喷嘴结构

工作液供到工件上一般是采用从电极丝四周进液的方法，其结构比较复杂。当然也可将工作液用喷嘴直接冲到工件与电极丝间。如图3.16所示，乳化液经配水板直接穿过喷嘴中心的钼丝。由于液流实际上是不稳定的，因此液流对钼丝直接产生一个不规则振源，当线架跨距160 mm左右时，这个振源对工件精度和表面粗糙度的影响较小。随着线架的增高，对加工工件的精度和表面粗糙度的影响会明显增大。为了克服上述缺点，可改进为如图3.17所示的结构，实际应用中收到良好效果。

图3.16　喷嘴

1—配水板；2—喷嘴；3—钼丝

图3.17　环形喷嘴

1—配水板；2—嘴座；3—导液嘴；4—钼丝

喷嘴由导液嘴3和嘴座2组成，导液嘴和嘴座的配合采用静配合，装配时先将嘴座在200℃机油中加温后与导液嘴配合。由图3.17所示，乳化液经配水板1进入嘴座环形缓冲腔，由导液嘴的隔离改为钼丝中心喷射环形液流。

(2)低速走丝机床的工作液系统

低速走丝电火花线切割加工利用水作工作液，使用前要除去水中的离子，称为去离子水。为此，工作液循环装置要用离子交换树脂，以使工作液电阻保持一定。通常在加工中使用的电阻值为5×10⁴～7.5×10⁴Ω/cm。在需要精密加工的情况下，也有工作液的恒温控制装置。

1)工作液箱

如图3.18所示为用于向电极间(电极丝和加工物间)供应工作液的装置。储存工作液的工作液箱由过滤工作液的过滤器箱、控制水的阻抗比的水质计、净化器组成。

2)管道系统

低速走丝线切割机床管道系统如图3.19所示。近年来，有些采用浸泡式供液方法，由于被加工工件浸没在工作液中，因此，对加工精度及加工的稳定性有一定的好处。

图3.18　工作液箱组成

图3.19　低速走丝线切割机床管道系统图