电火花线切割加工工艺优缺点的研究与分析
1.摘要
本文对电火花线切割加工工艺的优缺点进行了研究、总结与分析，并对未来发展趋势进行了总结。
2.概述
电火花加工工艺，主要是利用具有特定几何形状的放电电极（EDM 电极）在金属（导电）部件上利用火靠工具和工件之间不断的脉冲性火花放电产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除掉形成电极的形状的加工工艺，并广泛应用于冲裁模和铸模的生产，特别是在模具的复杂、精密小型腔、窄缝、沟槽、拐角、小孔、深度切削上有重要的应用。
线切割加工是电火花加工的重要分支，它是一种以线状电极、利用火花放电腐蚀原理对工件进行切割加工的加工工艺。它不仅具有电火花类加工工艺的通有的加工特点，也有它独有的技术特色与缺点。研究电火花线切割加工的优缺点对于提高其加工性能、扩展其适用范围有重要的意义。因此，我列举并分析了线切割加工的优点与不足，并对不同的机型、发展趋势进行了研究。
3.内容
一、电火花加工工艺通有的加工特点
① 电火花属于不接触加工。工具电极和工件之间并不直接接触，而是有一个火花放电间隙（0.1-0.01mm），间隙充满了工作液。
② 在加工过程中没有宏观的切削力。在火花放电时，局部、瞬时爆炸力平均值很小，因此工件的变形和位移很小。 ③ 可以加工任何难加工的金属材料和导电材料。由于加工中材料的去除是靠火花放电时的腐蚀作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及热学特性，如熔点、沸点、比热容、导热系数、电阻率等，而几乎与其力学性能(硬度、强度等)无关。这样可以突破传统切削加工对刀具的限制，可以实现用软的工具加工硬、韧的工件甚至可以加工聚晶金刚行、立方氮化硼一类的超硬材料。目前电极材料多采用紫铜或石墨，因此工具电极较容易加工。
④ 可以加工特殊要求的零件。由于工具电极于工件在加工过程中没有接触，没有宏观切削力，因此适宜加工低刚度工件或精密加工。
二、电火花线切割独有的特色
① 需要制造形状复杂的工具电极，就能加工出以直线为母线的任何二维曲面。
② 能切割0.05毫米左右的窄缝。
③ 加工中并不把全部多余材料加工成为废屑，提高了能量和材料的利用率。
④ 在电极丝不循环使用的低速走丝电火花线切割加工中，由于电极丝不断更新，有利于提高加工精度和减少表面粗糙度。
三、电火花线切割加工的缺点
① 加工薄工件时，快速走丝过程中易产生抖动，影响加工精度。主要原因是丝架上下导丝轮的开距是固定的，一般约70 mm。当切割薄工件时, 在快走丝的情况下, 电极丝失去了加工厚工件时应产生的冷却液的阻尼作用，又加上火花放电的影响，因而电极丝很容易产生抖动。
② 加工过程中易产生变形，影响尺寸精度。
③ 高速走丝切割表面会出现明暗条纹，影响表面质量。条纹产生原因有三类：一类是机械换向纹(见图1)，产生原因是加工区域电极丝换向后，丝在空间位置上的变化而在工作表面产生的机械纹路，这类纹路贯穿整个加工面，对加工表面的表面精度有很大影响。第二类属于黑白交叉的电解纹。此暗色的电解纹主要出现在工件端面电极丝的入口处，且是在放电能量不是很高的条件下出现的，由于此时切缝内的工作液汽化部分较少，仍可以维持切缝内存在一定量的工作液， 因此具有一定电导率的工作液必然在放电加工的同时对切割表面产生电解作用， 由于工作液在切缝内冷却的不均匀性，在运丝的入口处，工作液冷却相对充沛，电解几率较高，从而会形成暗色的电解条纹，该条纹处表面粗糙度并不比无条纹切割表面差多少，所以影响较小。最后一类是黑白交叉的表面烧伤纹（见图3），主要是因为蚀除产物堵塞在切缝内，导致工作液进入切缝困难，并且在大能量切割条件下，又使得工作液大量气化，导致蚀除产物更无法排出，这种大量蚀除产物聚集且冷却不充分的条件下产生的放电将导致的乳化液中大量的含碳物质反粘在工件表面并引起工件表面烧伤，因而一般出现在工件端面电极丝出口处，并且将大大降低切割表面质量。
四、各机型适用范围及优缺点
线切割的主要机型有三类：
① 往复走丝电火花线切割机床。走丝速度6～12m/s，是我国独创的机种，产品的最大特点是有1.5°锥度切割功能，适用于切割大厚度工件，厚度可达1000mm以上。但由于不能对电极丝施加恒张力控制，电极丝抖动很大，加工过程中容易断丝，再加上电极丝是往复使用，加剧电极丝的损耗，造成加工精度和表面粗糙度低。此外，往复走丝电火花线切割机借鉴了一些低速走丝机的加工工艺技术，并实现了无条纹切割和多次切割的复合机型也被称为“中走丝”。其走丝原理是在粗加工时采用8～12m/s高速走丝，精加工时采用1～3m/s低速走丝，这样工作相对平稳、抖动小，并通过多次切割减少材料变形及钼丝损耗带来的误差，使加工质量也相对提高，加工质量可介于高速走丝机与低速走丝机之间。
② 低速单向走丝电火花切割机床。单向走丝，速度一般低于0.2m/s。目前精度可达0.001mm级，表面质量也接近磨削水平。电极丝放电后不再使用，而且采用无电阻防电解电源，一般均带有自动穿丝和恒张力装置。工作平稳、均匀、抖动小、加工精度高、表面质量好，但不宜加工大厚度工件。 而且由于结构精密，技术含量高，造价高，导致成本很高。
③ 立式自旋转电火花线切割机床。走丝速度介于前两者之间，约为1～3m/s，电极丝的运动方式比前两类传统的机床多了一个回转运动，因此最大的不同在于走丝系统。
五、发展趋势
电火花线切割由于其在传统的切削加工难以胜任的超硬、耐高温合金等难加工材料以及窄缝、母线为直线的二位曲面等方面上的独特优势因而在模具制造业、航空航天、电子等领域有着广泛的应用。然而，随着科学技术的不断进步，我们对于机械制造的要求也越来越严格：产品向小批量、多品种的方向发展，制造精度要求越来越高，生产周期要求越来越短；此外由于能源的可持续使用和环境保护的要求，制造业本身也要实现绿色、可持续的发展。在这样的大背景的推动下，电火花线切割加工将在加工精密化、微细化、高速化和高效率、绿色环保加工以及复合加工上不断前行，并不断开发新的电火花加工工艺，拓宽加工范围。
① 工精密化：电火花线切割加工的精密化可以理解为两方面的内容: 一是加工尺寸上的精密性, 二是加工表面质量的精密性 。加工间隙的一致性、稳定性以及电极损耗的大小直接影响电火花加工的尺寸精度。精密的电火花加工, 加工过程中应保持较小的放电间隙, 并使放电间隙稳定在一个较小范围内。而放电间隙的调整与极间状态密切相关, 实时、准确地检测出两极间的放电状态, 则为调整两极间合适的放电间隙提供了必要的条件, 加工间隙的准确调整还有赖于合理的伺服控制策略等。因此, 需加强电火花加工状态的检测、加工间隙的控制以及加工电源的稳定性等方面的研究。此外，在精加工和微细加工中, 由于电极损耗现象还是比较严重，这必然对电火花加工的尺寸精度产生影响,因此如何降低电极丝的损耗也是需要解决的问题。而另一方面加工表面的质量的精密性则主要通过使用微能电源实现进行较小面积的加工来改善加工表面质量，例如低速单向走丝电火花线切割机床可以直接进行精密模件和工件的加工。
② 加工微细化：由于没有宏观机械力的存在，微细电火花线切割加工在微机电系统中有广泛的应用。微进给装置是实现微细电火花加工的前提和保证, 因此微细进给装置和高精度的回转主轴的设计及控制是研究重点; 同时, 能够提供极间极少能量的微能量电源、微小零件的装夹在线测量系统和微细电极丝及损耗防护的研究也是今后发展的重点。
③ 加工的高速化和高效化：和传统切削工艺相比，电火花类加工的加工速度和效率都很低，因此电火花类加工实现高速高效化很有必要。一般通过以下几方面来实现：⑴研究新型电火花节能电源，提高电源使用效率。⑵提高加工机床的伺服系统的响应速度。⑶将先进技术技术应用于加工机床。如智能控制技术和氧气介质电火花加工等。
④ 绿色环保以及复合加工：
⑴传统的电火花成形加工主要的污染源之一是工作液, 尤其是碳氢化合物的油类工作液。这类工作液是高分子碳氢化合物, 具有较强的挥发性，对操作人员的健康不利，也能分解机床上的密封件。此外加工产生的电蚀产物和液体电介质混合后形成的油泥、电介质的废物、过滤残渣、电离树脂等均需得到正确的处理，否则会对土壤、水源造成污染。因此，我们可以用气体介质取代液体介质, 可以实现电火花的绿色加工。这是因为, 气中电火花加工过程不产生有害的气体, 不会对对操作人员的健康产生有害的影响, 而且没有令人头疼的废物处理问题。
⑵电火花类加工同其他加工技术的复合加工可弥补电火花类加工的缺点。例如与超声加工的复合，将超声振动引入到微细电火花类加工上可以提高加工速度；混粉电火花加工与超声加工复合起来可以工件加工表面的放电凹坑的形状与分布从而改善表面质量。⑤开发新的工艺：不断开发新的工艺和方法，是推动电火花类加工技术发展的源动力。这方面的代表有气中电火花加工技术和电火花加工绝缘陶瓷技术，他们分别突破了电火花加工只能在液体介质中进行和只能对导电材料进行加工的限制，拓宽了电火花类加工的应用范围。
4.小结
电火花加工技术由于自身的独特优势，在现今机械制造越来越追求微细化、精密化的大浪潮中抢得了先机，在许多高精尖的领域里都有它的身影出现，因此，深入研究并努力发展电火花加工技术迫在眉睫。我国是往复走丝电火花线切割机床的创造者，但是在单向走丝电火花切割机的研究方面与国外仍有一定差距。如何提高脉冲电源、主机结构、运丝系统、数控系统等的技术水平获得高性能单向走丝电火花切割机的关键。此外在往复走丝电火花线切割多次切割技术与工艺方面的研究有利于改善往复走丝电火花线切割的加工性能，对于拥有大量往复走丝电火花线切割机床的我国具有重要意义。
参考文献
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