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数控电火花线切割加工技术及其发展趋势

作者: 万明奎

  【摘要】数控电火花线切割加工简称线切割,加工原理是利用连续移动的金属丝作为电极,通过脉冲放电腐蚀对零件进行切割加工。线切割技术已经成为了机械数控制造技术发展的重要标志。在这里,详细论述了数控电火花线切割加工技术的加工原理、加工质量及其加工精度的影响因素,并且阐述了数控电火花线切割加工的未来发展趋势。
  【关键词】数控电火花线切割加工;加工质量;高速走丝
  1.引言
  电火花加工方法于20世纪中期由苏联拉扎林科夫妇开创,但是加工速度很慢,应用范围很小。随着现代制造加工业的不断快速发展,尤其是计算机信息技术在制造业中的应用和普及,电火花加工方法从最原始的模电火花线切割发展到了现代数控电火花线切割技术,在加工领域的加工应用范围越来越广,并且加工效率和加工精度都有极大的提高。就目前加工技术来说,数控电火花线切割技术主要的应用范围是电火花成形零件、模具以及各种复杂轮廓和高硬度零件。
  2.数控电火花线切割加工技术
  2.1 数控电火花线切割机床的机械系统
  和普通机床一样,数控电火花线切割机床的主要组成部分是床身、工作台、走丝机构、丝架、工作液循环系统,机床的这几个部分的制造加工精度都直接影响到电火花线切割技术的加工性能。
  ①机床床身
  床身作为床体的支撑件,是其他安装部件的基础。
  ②工作台
  线切割零件安置于工作台上。工作台的组成结构为:上下拖板、导轨、丝杆螺母副和变速机构。并且为了保证机械传动的定位精度和灵敏度,通常使用高精度丝杠螺母副,并且要最大可能消除传动丝杠和螺母之间的间隙。
  ③走丝机构
  数控电火花线切割机床的走私机构是指金属丝在工件中做单项或往复运动。并且在移动的过程中,由丝架支撑的金属丝通过导轮结构保证其与工作台垂直或倾斜一定的几何角度。
  ④工作液循环系统
  电火花线切割加工必须在工作液中进行,并且不同的加工工艺条件所选取的工作液不同,但是一般情况下所选取的工作液应具备以下几个条件:
  (1)有一定的绝缘性能。但是所选工作液的绝缘性能一定要恰到好处,不能过高也不可过低。
  (2)有较好的冷却性能。由于电火花在放电时会在局部产生高温,为了避免这种过热现象的产生,需将切割部位充分冷却。
  (3)流体性能较好,偏于排除加工时产生的废屑。
  (4)选择环保绿色的工作液,在进行加工工作时,不挥发出对人体有害的有毒气体。
  2.2 数控电火花线切割加工原理
  数控电火花线切割技术的工作原理是将金属丝取代刀具作为线切割的切割工具,并在移动的金属丝和零件之间加以电流,通过脉冲电流的放电腐蚀作用对零件进行切割加工。
  2.2.1 脉冲电源
  由数控电火花线切割的加工原理可以看出,脉冲电流在线切割加工过程中占有及其重要的作用。这是由于脉冲电源对线切割的加工效率、加工稳定性和加工质量有很大的影响。现在市场上有很多种线切割脉冲电源,其中最普遍使用的是晶体管矩形波脉冲电源、节能型脉冲电源、高频分组脉冲电源。
  在进行电火花线切割加工时,所选择的脉冲电源应该满足一下几个要求:
  ①为了最大限度进行极性放电腐蚀作用,在进行线切割加工时应该选择只产生有单向脉冲的脉冲电源。这里所谓的单向脉冲,指的是几乎没有负半波的产生。但是由于受到工件表面粗糙度和电极丝所能承受最大电流的原因,脉冲电源的脉宽很窄,单个脉冲能量较小。
  ②所选择的脉冲电源应做到加工工艺范围广,最大程度的满足各种加工工艺的要求。而要做到这些取决于脉冲的主要参数,所以选择时应当注意。
  ③脉冲电源的电极损耗低,同时应保证加工零件的稳定性以及以后进行维修的方便性。
  2.2.2 数控电火花线切割的加工控制功能
  将数控加工技术应用到线切割技术中,实现了线切割技术自动化操作功能。随着现代科技的不断发展,数控电火花线切割的加工控制和自动化操作功能方面呈现出不断增强的趋势。这些功能的提高减少了加工时间,提高了零件的加工质量。
  ①线切割加工时进给速度的控制
  一般情况下,数控机床进行加工零件时运用插补运算规则。在数控电火花线切割的加工时,电路系统根据零件加工间隙的放电状态变化,通过对电流的采样计算向计算机系统发出中断申请,进而调节电机的进给系统,使得进给速率随着放电状态的改变而改变,最终保证加工零件的稳定性和加工精度。
  ②厚度变化零件的自适应控制
  在线切割加工厚度有变化的零件时,可以直接改变规准程序,之后就可以自动线切割加工参数,达到高效率、高加工精度的加工。
  ③自动找孔的中心
  在数控电火花线切割系统中金属丝可以在孔中自动找正,最终停留在孔的中心位置。
  ④程序编写的简化性能
  由于在进行切割程序编写时,图形可以进行任意比例的缩放、平移和旋转,这样就可以大大简化程序编写过程。例如在线切割加工时编写齿轮加工程序时,可以仅仅编写出一个齿形的加工程序,再利用旋转功能就可切割出整个轮齿轮廓。
  ⑤自动间隙补偿
  由于数控电火花线切割系统控制的加工轨迹是金属丝重心移动轨迹,所以在进行零件加工编写程序时,可以进行金属丝重心轨迹和图形之间的间隙补偿。
  ⑥短路保护系统
  数控电火花线切割系统在加工零件时,可以记忆金属电极丝的所走过的路线。所以当整个系统发生短路故障时,系统能够更改加工环境,使得金属电极丝按照原来的加工路线返回,这样就可以避免断丝现象的发生,并且保护以加工的零件。
  ⑦加工信息显示功能   在数控电火花线切割系统中有较为高端完善的计算机显示屏,可以显示线切割加工的各种加工参数。并且整个系统还具备故障安全和自动诊断功能。
  3.数控电火花线切割系统的发展趋势
  3.1 高度智能化的数控系统
  在现代加工制造业中,加工过程中的自动化、智能化一直是我们追求的目标。在线切割加工系统也是如此。在线切割中,高度自动化和智能化的数控系统可以在很大程度上提高加工工件的精度。随着现代科技的发展,数控电火花线切割系统的智能化已经进入到一个全新的发展阶段。现代的数控电火花线切割系统可以实现电极丝的多及控制、拐角的补偿和自适应控制、脉冲电源的适应控制。相信在不久的将来,电火花线切割的数控系统将会变得更加丰富先进,功能更加强大,加工范围更加广泛。
  3.2 数控多线切割技术
  数控多线切割技术可以加工半导体材料,并且具有加工质量高,耗时少等优点。但是由于数控多线切割机床的控制系统复杂、只在难度大等特点,使得机床的生产量很低,应用不是很普遍。由于我国的半导体制造行业相较于日本、瑞士等国家起步较晚,多线切割技术的发展也就相对落后。国外已经研发出了第四代的数控多线切割机床,而我国正致力于研发第三代数控多线切割机床。第三代数控多线切割机床主要是加工半导体单晶硅零件,在研发中主要克服的难点有:适当自动控制张力作用、高度智能检测和诊断技术等。第三代数控多线切割机床的成功,将会使得线切割技术更进一步进入到半导体加工领域,并且最终取得很大的社会经济效益。
  4.结束语
  现代高科技产品技术不断更新,尤其是计算机信息应用技术方面,更是应用到了各种工作领域。在研究开发新型数控电火花线切割技术时,应该开阔思维,紧跟时代科技信息发展潮流,剖开陈旧思想,利用现有的先进的技术手段,使得数控电火花线切割技术朝着自动化、智能化和信息化高速发展。
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论文来源:《电子世界》 2014年18期
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