电火花线切割加工机床脉冲宽度

4.2.2　电火花线切割加工设备

1．两类电火花线切割机床

根据电极丝的运行速度，电火花线切割机床通常分为两大类：一类是快走丝线切割机床（或称高速走丝电火花线切割机床WEDM—HS），这类机床的电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为8～10m/s，这是我国生产和使用的线切割机床，也是我国独创的电火花线切割加工模式；另一类是慢走丝电火花线切割机床（WEDM—LS），这类机床的电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s，这是国外生产和使用的线切割机床。

快走丝线切割机床一般采用直径为0.1～0.2mm的钼丝做电极丝，走丝速度比较快，而且是双向往返循环地运行。如图4-43所示为高速走丝机床的储丝筒结构示意图，整根电极丝整齐地缠绕在储丝筒上，其一端通过导丝系统的上、下导轮、工件穿丝孔和调整张紧机构与储丝筒的左端面相固定连接，而电极丝的右端则与储丝筒的右端面相连接，整个储丝筒由双向电动机带动。当电机带动储丝筒向一个方向转动时，电极丝会在走丝滑板的带动下，按照电极丝的直径大小为导程做均匀的绕丝运动，当储丝筒走到头时，安装在走丝滑板上的撞块会压下行程开关，使电机进行换向，储丝筒进行反转缠绕，完成反向走丝。

图4-43　高速走丝机构示意图

慢走丝数控线切割机床的走丝速度较低，一般为0.05～0.25mm/s，低速走丝机床可使用纯铜、黄铜、钨、钼等各种合金以及金属涂覆线作为电极丝，其直径一般在0.03～0.35mm范围内。而电极丝的走丝是单方向的运动，如图4-44所示，卷丝筒1的转动可以实现电极丝的单向走丝运动，未使用的电极丝储存在储丝筒2中，整根电极丝由电动机驱动轮4和张紧轮5进行适度的张紧，退火装置6可以对电极丝进行退火处理，防止断丝的发生。

图4-44　低速走丝机构示意图

1—卷丝筒；2—储丝筒；3—拉丝模；4—电动机驱动轮；5—张紧轮；6—退火装置；7—导线装置；8—工件

由于慢走丝加工的电极丝不重复使用，避免了由于电极丝的损耗所带来的影响，所以，低速走丝加工比高速走丝的加工精度高。目前的低速线切割加工的加工精度在±0.001mm范围内，表面粗糙度可达到R_a=0.3μm。

由于低速走丝机床利用所配备的数控系统对机床的运动和电极相对于工件的加工位置进行伺服进给，所以，低速走丝机床的控制进给精度和加工效率要比高速走丝机床要高。而高速走丝线切割机床结构比较简单，价格较低速走丝机床便宜。另外，由于它的走丝速度快、机床的振动较大，电极丝的振动也大，导丝导轮损耗也大，所以加工精度要差得多。

2．数控电火花线切割机床的型号与技术参数

目前我国数控电火花线切割机床型号的编制标准是根据原机械部1985年12月颁布的《金属切削机床型号编制方法》（JBl938—85）中的规定来执行的，机床型号由字母和数字共四个主要部分所组成，分别表示机床的类型、特性、组别系列和机床的主要参数。

例如DK7732E的含义是：

第1位字母表示机床的类型代号，用汉语拼音的大写字母表示。例如D表示特种加工机床，其参考读音为“电”。

第2位字母表示机床的特性代号，分为通用特性和结构特性。K为通用特性代号，读音时直接读作“控”字，表示数字程序控制机床即数控的意思。

第3、4位数字为机床的组系代号，前一位数字表示机床的组别代号，后一位数字表示机床的系列代号。这里的77表示该机床为第7组、第7系列的机床，即电火花线切割快速走丝机床。如果代号为76，则表示第6系列为慢走丝机床。

第5、6位数字为主参数代号，表示机床的主要特性及其加工范围。这里的32表示机床主参数是工作台的横向行程为320mm。

以上是机床型号的四个主要部分，如果还有其他内容，可在最前面或者最后面附加相应的代号，例如本例的第7位字母表示该组线切割机床经过了重新改进，如E表明该机床经过了第E次的某项结构改进。

除了上述统一编号规则之外，有些企业对自行开发的新机床或作了某些重大技术改进的机床设备在没有进行最终鉴定取得统一编号资格之前，可能会暂时采用非统一编号，例如8PK400H等。表4-4列出了部分国产电火花线切割机床的主要型号及技术参数。

表4-4　部分国产电火花线切割机床的型号及主要技术参数

3．电火花线切割机床的结构与组成

电火花线切割加工机床的结构组成可以大致划分为机床本体、脉冲电源、数控进给控制系统、工作液循环系统四个主要部分。

图4-45为快走丝线切割机的结构原理示意图，工件被固定在机床的工作台滑板上，而作为电切割工具用的电极丝4被支架6和导轮5张紧在工件的型腔穿丝孔内，电极丝和工件分别接通电源的两极，在一定的距离条件内就可以产生电火花，储丝筒7可以带动电极丝做往复交替的走丝运动，而工件型腔轮廓的形成则要借助于工作台相对于电极丝的纵、横伺服进给运动来实现，工作液在液压泵的带动下不断地在放电通道内进行循环，完成其电离击穿和消电离的交替作用。

图4-45　快走丝电火花线切割机床结构原理

1—绝缘底板；2—工件；3—脉冲电源；4—钼丝；5—导轮；6—导丝支架；7—储丝筒

图4-46为一种快走丝线切割机床的结构图，由图可以看到，线切割机床主要由机床本体、工作液系统、脉冲电源系统、数控程序控制系统四大部分所组成。

图4-46　快走丝线切割机床的结构

1—走丝电动机；2—储丝筒；3—电极丝；4—导丝架；5—导轮；6—工件；7—纵横滑板及工作台；8—床身

（1）机床本体。电火花线切割机的机床本体由床身、纵横移动工作台、走丝机构三个部分构成。

1）床身。床身是整个机床的基础。其主要作用是对其他部件提供安装支撑和引导，部分机床为了节省空间，把工作液系统和机床控制系统也装在机床床身内。

2）纵横移动工作台。线切割机床的工作台是用来装夹工件并带动工件完成进给运动的。工作台主要由纵向滑板、横向滑板、滑动或滚动导轨、驱动丝杆螺母副等四个主要部分所组成。

如图4-47所示为纵、横移动工作台的结构图。1为工作台横向移动操作手轮，可以在工件安装调整时对工作台进行手动移动调整。2为工作台，其顶面有提供工件装夹的T形槽，其下部为横向移动滑板，工件在加工时的伺服进给运动是由纵横移动伺服电机来共同完成驱动的。9为横向驱动伺服电机，它接受数控系统提供的进给伺服驱动信号，并把这些信号转换成为伺服电机的转动，然后通过联轴器7带动横向丝杠3使工作台进行横向进给；纵向移动是通过伺服电机（图中未表示出）和减速齿轮12带动纵向移动丝杠13，使工作台产生纵向移动。

图4-47　纵横移动工作台结构图

1—手轮；2—工作台；3—丝杆；4—螺母座；5—螺母；6—轴承座；7—联轴器；8—电动机座；9—横向移动伺服电机；10、15—滚珠；11—纵向移动滑板；12—减速齿轮；13—纵向移动丝杆；14—纵向移动上导轨；16—纵向移动下导轨；17—底座；18—横向移动下导轨；19—横向移动上导轨

为了减小滑板的移动摩擦阻力，提高工作台的运动定位精度，纵、横滑板的导轨副都采用了滚动导轨结构。滚动导轨具有摩擦阻力小、定位精度高、制造和安装调试简单、对微量运动要求的速度响应快、导轨刚性和运动稳定性好、不容易产生低速爬行等优点，目前，大多数线切割机床都采用了滚动导轨副。

滚动导轨的缺点是导轨与滚动体形成点、线接触，其接触应力较大，不耐磨损，承载能力也不如滑动导轨，其抗振性和吸振性要差些，一般应用于中、小型机床。小型线切割机床则大多采用钢球作滚动体，这主要是由于一般钢球滚动体制造工艺简单，价格低廉；中型数控线切割机床多采用滚柱作滚动体，其承载能力要高些。

纵横驱动丝杠与滑板螺母之间的配合间隙的存在，会造成丝杠反向驱动时滑板运动的失真，即丝杠在反向转动时首先要克服掉与螺母间的间隙，然后才能够推动螺母产生移动，该部分运动损失习惯上称为传动副的反向失动量。为了减小螺母间隙所造成的运动误差，需要采取消间隙结构。如图4-48所示为一种双螺母消隙结构，右螺母3固定不动，调整左螺母外部的调整螺母1，使其向右压紧弹簧2，在弹簧2的强大推力作用下，使左右两个丝杠螺母组合分别与驱动丝杠的两侧齿廓相挤紧，达到消除传动间隙的目的。

图4-48　双螺母消隙结构示意图

1—调隙螺母；2—弹簧；3—右螺母

工作台驱动所用的步进电机与丝杆间的传动，常采用齿轮副来实现传动，由于齿轮副的啮合存在齿侧间隙，当步进电机换向转动时，会出现传动空程，造成反向失动误差。为了减小这一间隙所造成的反向失动误差，提高工件的加工精度，常采用齿轮啮合消间隙装置。方法是：将齿轮传动中心距做成可调式的，或者将一个传动齿轮沿轴向做成双齿片消隙结构。

3）走丝机构。走丝机构的作用是使电极丝按照预定的走丝速度实现走丝运动，并将电极丝以一定的间距整齐地缠绕在储丝筒上。

如图4-49所示为一种快走丝线切割机床的走丝机构系统，走丝机构由储丝筒1、走丝滑板2、导丝架3和排丝传动机构四大部分所组成。

图4-49　快走丝线切割机床的走丝系统

1—储丝筒组件；2—走丝滑板；3—导丝架；4、5—纵、横移动滑板；6—床身；7—电源、数控控制箱

储丝筒组件的结构如图4-50所示，由储丝筒1、储丝电机2、联轴器3、排丝滑板7和排丝传动系统6五部分所组成。

图4-50　储丝筒组件

1—储丝筒；2—储丝电机；3—联轴器；4—丝杠；5—支架；6—排丝传动系统；7—排丝滑板；8—底座；9—螺母

储丝机构的运动来源是储丝电机2，电机的运动通过联轴器3传给储丝筒1，使储丝筒做高速的储丝运丝旋转。为了使电极丝能够整齐、均匀地逐层缠绕在储丝筒上，要求储丝筒相对于丝架导轮每转要移动一个电极丝直径，这一排丝运动是通过排丝传动机构来完成的，该机构由丝杠4和螺母9以及三对传动齿轮所组成。当储丝筒高速转动时，该运动经过齿轮和丝杠螺母的传动带动排丝滑板7进行轴向移动，传动比由传动齿轮的齿数决定，所以，当要更换电极丝时，要注意根据电极丝的直径来调整齿轮传动比。

在实际工作过程中，储丝筒需要频繁地制动和换向反转。按照一筒电极丝长约400m计算，若走丝速度最快为10m/s，大约40秒钟储丝筒就要换一次向。为了减少换向时间，要求每次的换向动作要尽量快，所以，要求储丝筒的转动惯量要尽量小。为此，储丝筒的直径及轴向尺寸不能太大，储丝筒壁尽量薄而均匀。储丝筒的径向跳动不大于0.01mm，并且应该进行动平衡调整，以确保储丝筒快速、准确地换向缠丝。

导丝架及导轮组件的作用是对电极丝进行适度的张紧和准确地引导，使电极丝的工作段始终与工作台平面保持所要求的几何角度，同时，还要保证电极丝的导电作用和冷却作用。

（2）工作液系统。工作液系统由工作液、工作液箱、工作液泵和循环导管组成，如图4-51所示。工作液起冷却、排屑和消电离等作用。每次脉冲放电后，工件与电极丝之间必须迅速恢复至绝缘状态；否则脉冲放电就会转变为稳定、持续的电弧放电，直接影响加工质量。在加工过程中，工作液可以把加工过程中产生的金属颗粒迅速地从电极之间冲走，使电火花线切割加工能够按顺序进行。工作液还可冷却受热的电极和工件，防止工件变形。

液压泵将工作液经过滤网吸入，通过主进液管分别送到上下丝臂进液管，通过调节阀来调节其供液量的大小，电加工后的废液经工作台的排液口流回到工作液箱。并经滤网过滤，长期使用过的报废工作液应集中处理，不可随意倾倒，以免污染环境。

慢走丝线切割机床由于使用去离子水作为工作液，因此其工作液系统比较复杂，有的还配有液温控制装置。

（3）脉冲电源。电火花线切割所用的脉冲电源又称为高频电源，是线切割机床的重要组成部分之一。在一定条件下，线切割机床的加工效率主要取决于脉冲电源的性能。

图4-51　快速走丝线切割机床的工作液系统

1—工作液箱；2—工作液泵；3—下丝臂进液管；4—节流阀；5—上丝臂进液管；6—电极丝；7—工件；8—工作台；9—滤清器；10—进液管

由于电火花线切割加工大多属于精加工，因此对加工精度、表面粗糙度和切割速度等均有较高的要求，所以要求脉冲电源具有如下性能：

1）脉冲峰值电流大小要适当。由于受机械结构与电极丝张力等的影响，电极丝的直径不能够选择得太粗，一般在0.05～0.25mm之间，因此细电极丝所允许通过的峰值电流就不可能太大。而另一方面，由于线切割加工的工件具有一定的厚度，要维持稳定放电加工并且要保持适当的加工速度，峰值电流又不能太小。在实际加工中，快走丝线切割加工的峰值电流通常取为10～30A，慢走丝线切割加工的峰值电流约比快走丝的高6～10倍。

2）脉冲宽度要窄且可以调节。为了满足线切割加工的要求，应能对单个脉冲能量进行有效控制。脉冲宽度越窄，放电时间越短，热传导损耗小，能量利用率越高，且不易产生烧伤现象。但为了保持合适的加工速度，脉冲宽度又不能太小。在实际生产中，快走丝线切割脉冲宽度的变化范围约为0.5～64sμ，而慢走丝脉冲电源的脉冲宽度变化范围可大一些，通常在0.1～100sμ之间。

3）脉冲频率要尽量高。频率高可以提高加工表面质量及加工速度。脉冲间隔不能过小，否则放电区域消电离不充分，易产生电弧，烧伤工件或烧断电极丝。一般脉冲频率在5～500kHz范围内。

4）脉冲参数有较大的可调范围。电参数调整范围大，可以适应不同工件、材料及加工规范的加工需要。一般情况下，脉冲宽度的调整范围为0.5～64sμ，脉冲间隔为5～50sμ，开路电压为60～100V，峰值电流为10～30A。慢走丝线切割的脉冲参数调节范围远大于上述范围。

此外，为适应线切割加工长时间连续工作的需要，脉冲电源的功率输出应稳定可靠，参数调节及维修应简捷、方便。

脉冲电源的基本组成：线切割脉冲电源主要由脉冲发生器、推动级、功放及直流电源四部分组成，如图4-52所示。

图4-52　脉冲电源的基本组成