切割机床加工的基本原理

6.1.1　切割机床加工的基本原理

电火花加工是在一定介质中，通过工具电极和工件电极之间放电时产生的电腐蚀作用，对金属工件进行加工的一种工艺方法。它可以加工利用传统的切削方法难于加工的各种高熔点、高硬度、高强度、高韧性的金属材料，属于直接利用电能、热能进行金属加工的特种加工范畴。电火花加工根据所使用的工具电极形式的不同和工具电极相对于工件运动方式的不同，可以分为电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削、电火花表面强化和刻字等。其中以电火花成形加工（简称电火花加工）和电火花线切割加工（简称线切割加工）应用最为广泛。前者主要用于形状复杂的型腔、凸模、凹模等的加工，后者主要用于冲模、挤压模等的加工。两者电腐蚀作用原理相同。

数控电火花线切割加工原理如图6-1所示。数控电火花线切割加工是利用作为负极的电极丝（铜丝或钼丝）和作为正极的金属材料（工件）之间脉冲放电的电腐蚀作用，对工件进行加工的一种工艺方法。在加工中电极丝相对于工件的运行轨迹由数控系统进行程序控制，实现数控加工。电极丝沿预定的轨迹运动中始终保持在电极丝和工件之间有一定的放电间隙。由脉冲电源输出的电压就加在电极丝和工件之间，从而为加工提供了加工能源。电极丝是由耐高温金属材料制成，由工作液及时冷却，在一批零件的加工中，电极丝受电腐蚀程度相对于金属工件而言非常微小，对工件尺寸的影响可忽略不计，但最终会因为过度腐蚀造成断丝。电腐蚀过程中一次脉冲放电循环分为以下几个阶段。

图6-1　线切割加工原理

1.电离

由于工件和电极丝表面存在着微观的凸凹不平，在两者相距最近点上电场强度最大，会使间隙中的液体介质电离成电子和正离子，形成放电通道。

2.放电

在电场力的作用下，电子高速流向阳极，正离子流向阴极，产生火花放电。

3.爆炸

由于放电通道中电子和离子高速运动时相互碰撞，产生大量热能。阳极和阴极表面受高速电子和离子流的撞击，其动能也转化成热能，因此在两极之间沿通道形成一个温度高达10000℃～12000℃的瞬时高温热源。在热源作用区的工件表面金属会很快熔化，甚至气化。通道周围的液体介质一部分被气化产生了很高的瞬时压力，在高压的作用下熔融的金属液体和蒸汽就被排挤、抛出而进入工作液中。上述过程是在极短时间内完成的，因此具有突然膨胀爆炸的特性，可以听到轻微的噼啪声。

4.排屑

热膨胀产生的爆炸力使一部分熔化和气化了的金属从间隙中喷出产生火花，并将另一部分抛入间隙中的液体介质中冷却，凝固成细小的微粒随介质流动排出。

5.恢复

在一次脉冲放电后，两极间的电压急剧下降为零，使间隙中的介质及时消除电离，恢复绝缘性能。到此，完成一次脉冲放电过程。此后，两极间的电压再次升高，重复上述脉冲放电过程。多次脉冲放电的结果，将工件沿电极丝运动轨迹切割成所需要的形状和尺寸，完成电火花线切割加工。

实现电火花线切割加工必须具备下列基本条件：

① 必须有足够的放电能量，以保证放电部位的金属迅速熔化和气化。

② 必须是瞬时的脉冲放电，以使放电所产生的热量来不及传导到其他部分，使每次熔化和气化的金属微粒极小，保证加工精度。

③ 必须要有合适的脉冲间歇。在一次脉冲放电之后，如果没有放电间歇，就会产生连续的电弧，烧伤工件表面，从而无法保证尺寸精度和表面精度。连续的电弧产生的高温会使电极丝迅速损耗，造成断丝，使加工无法进行。如果放电间歇时间过短，电腐蚀产物和气泡来不及排除，就会改变间隙中介质成分和绝缘强度，影响电离过程，所以要保证合适的间歇，使电腐蚀物和气泡及时排除。为下一阶段脉冲放电做好准备。

④ 必须保证电极丝和工件之间始终保持一定距离以形成放电间隙。一旦电极丝和工件之间发生短路，它们之间的电压就会降为零，不再发生放电。间隙的大小与加工电压及介质有关。控制系统可通过调节进给速度来保证一定放电间隙并在发生短路时使电极丝回退以消除短路。

⑤ 放电必须在具有一定绝缘性的液体介质中进行，它既要避免电极丝和工件之间发生短路，又要在电场力的作用下发生电离，形成导电通道。液体介质还要有良好的流动性以便将电蚀产物从放电间隙中排除并对电极丝进行冷却。

只有具备了以上基本条件，电火花线切割才能顺利进行。