放電加工原理和應(yīng)用-線切割放電加工

1、放電加工原理和應(yīng)用-線切割放電加工,班級(jí)：四技自控四甲 姓名：謝宗育 學(xué)號(hào)：49512067 指導(dǎo)老師：蕭瑞陽(yáng) 老師,線切割放電加工基本原理,線切割放電加工法（Wire Electrical Discharge Machining；簡(jiǎn)稱WEDM），加工原理與雕模放電加工法大致相同，不同的是使用細(xì)線為電極。通常線材為銅、黃銅、鎢等，以線鋸式加工工件因此線切割機(jī)

2、可給予如下之定義：係利用連續(xù)送出之細(xì)線為電極，而將工件置於CNC 控制之XY 工作臺(tái)上，以放電法高精度加工成任意輪廓形狀之?dāng)?shù)控工具機(jī)，至於加工速度主要因工件材質(zhì)，厚度及銅線直徑而有變化，以工件厚度而言，工件越薄則加工速度越快，反之則越慢，而加工速度之計(jì)算係以每分鐘所能切割之最大工件截面積為基準(zhǔn)。,加工過程中施以拉力於線電極上，使線電極一邊輸送，一邊在保有張力的情形下，逐漸移向工件以致發(fā)生放電現(xiàn)象。由於線供給裝置是利用送線滾

3、輪將線不斷送出以補(bǔ)償電極消耗的問題，故一般線切割加工特性通常不考量電極消耗。,線切割加工所使用的加工液一般為低導(dǎo)電度的去離子純水，而使用純水主因取決於純水優(yōu)良的流動(dòng)性及冷卻效果；因?yàn)榉烹娂庸にa(chǎn)生的電流焦耳熱容易導(dǎo)致斷線，同時(shí)排屑效果差會(huì)導(dǎo)致放電次數(shù)減少，增加放電集中現(xiàn)象，降低加工速度，同時(shí)有斷線的危險(xiǎn)，故使用純水改善斷線的次數(shù),線電極張力也是重要參數(shù)。線張力愈強(qiáng)時(shí)，加工速度愈快；因?yàn)榫€震動(dòng)的震幅減小、加工

4、擴(kuò)槽量減??；但當(dāng)張力過大時(shí)，由於線本身的抗拉強(qiáng)度有限，加上放電所產(chǎn)生的高熱會(huì)使線過大電極軟化，反而容易造成斷線。線張力大小也影響著加工的尺寸精度，因?yàn)榫€震動(dòng)會(huì)使加工槽截面呈現(xiàn)鼓形狀，所以擁有適當(dāng)?shù)木€張力值，也是線切割加工的重要課題。,線震動(dòng)導(dǎo)致鼓形狀截面之示意圖,線切割放電加工參數(shù)及其影響,線切割加工時(shí)，由於加工機(jī)特性及工件材料不同，所展現(xiàn)出來(lái)的放電加工特性也不同。為求擁有良好的放電加工特性，則須仰賴放電參數(shù)的改變

5、，以達(dá)成尺寸精度的要求及穩(wěn)定良好的加工效果。在此將放電參數(shù)分成兩類：電能參數(shù)及機(jī)械參數(shù),放電加工波形示意圖,（a）脈衝時(shí)間（Pulse Duration，τon）為實(shí)際加工時(shí)，單發(fā)放電的電流持續(xù)時(shí)間。一般的放電加工中，當(dāng)脈衝時(shí)間增加時(shí)，放電能量加大，材料去除率會(huì)增加，且表面粗度亦會(huì)增加，同時(shí)電極消耗也會(huì)增加（線切割不考慮電極消耗率）。（b）休止時(shí)間（Pulse Off Time，τoff）為在一脈衝期間內(nèi)，單發(fā)放電後無(wú)

6、電流供應(yīng)之休止時(shí)間，此時(shí)間主要意義為促使極間加工液絕緣回復(fù)與加工屑的有效排除。本實(shí)驗(yàn)將以控制效率因子（ Duty Factor）來(lái)替代休止時(shí)間。,電能參數(shù),（c）峰值電流（Peak Current，Ip）為實(shí)際放電電流的最高值，一般脈衝電流愈大，放電能量愈高，材料去除率會(huì)增加，且表面粗度亦會(huì)增加。（d）無(wú)負(fù)荷電壓（No Load Voltage，Vo）又稱開路電壓，為電源系統(tǒng)所提供的電壓。（e）極間電壓（Gap Vo

7、ltage，Vg）極間電壓又稱工作電壓或間隙電壓，當(dāng)工作電壓減少時(shí)，極間間隙會(huì)跟著減小，也較容易突破絕緣產(chǎn)生放電。,（f）極性（Polarity，P）放電加工分為正極性及負(fù)極性加工，主要以工件極性作區(qū)分，工件接正者為正極性加工，工件接負(fù)者為負(fù)極性加工；一般線切割加工為正極性加工。（g）效率因子（Duty Factor，DF）效率因子是指真正放電時(shí)間在一個(gè)放電週期中所佔(zhàn)的比例。其公式為DF﹦τp/τnτpτoff若設(shè)

8、峰值電流為Ip、放電脈衝電壓為τon、極間電壓為Vg，則單發(fā)放電能量W為：,（a） 送線速度（Wire Speed，F(xiàn)w）指線電極供應(yīng)的速度。線切割加工後的銅線一般都捨棄不用，故不考慮電極消耗。送線速度小能使放電穩(wěn)定，但卻易使放電點(diǎn)集中而斷線，送線速度大則不易斷線，但加工成本將提高。（b）線張力（Wire Tension，T）指加工時(shí)給予線電極的張力。提高線張力能減少爆壓力對(duì)線電極所產(chǎn)生的振幅，進(jìn)而提高加工速度與尺寸精度

9、，但當(dāng)張力過大時(shí)，由於線本身的抗拉強(qiáng)度有限，加上放電所產(chǎn)生的高熱會(huì)使線電極軟化，反而容易造成斷線。（c）線電極旋轉(zhuǎn)速度（Wire Rotational Speed，WRS）此為本實(shí)驗(yàn)新增之參數(shù)，是指以送線方向?yàn)橹鬏S旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，單位為RPM。,機(jī)械參數(shù),線切割加工特性,線切割加工特性通常以材料去除率、工件表面粗糙度及加工擴(kuò)槽量為評(píng)估基準(zhǔn)，在電極消耗部份，由於線電極加工後即捨棄不用，故不考慮電極消耗問題。（A）材料去除率

10、一般放電加工衡量加工速度快慢的指標(biāo)為材料去除率，單位為g/min 或mm3/min，而線切割加工為溝槽寬本身的加工，所以加工速度通常定義為單位時(shí)間下加工工件的截面積，亦即：加工速度（mm2/min）﹦加工進(jìn)給速度（mm/min）×被加工物厚度（mm）,通常影響加工速度的因素有以下幾點(diǎn),（1）工件材質(zhì)差異：工件的材料性質(zhì)如導(dǎo)電度、熱傳導(dǎo)性均會(huì)影響加工速度。一般業(yè)界常用的材料加工速度快慢依序?yàn)殇X、銅、SKD11、SK

11、D3、碳化鎢。（2）線電極直徑及材質(zhì)的不同：線電極直徑愈大，電流容量增大，加工速度就會(huì)增加。線材質(zhì)的不同也影響著加工速度，例如黃銅線加工速度較電解銅來(lái)的大。,（3）工件材料厚度的影響：工件厚度愈厚，放電面積增大，加工屑增加而不易排除，就會(huì)導(dǎo)致加工速度降低。（4）線張力的影響：線張力愈強(qiáng)時(shí)，加工速度愈快；因?yàn)榫€震動(dòng)的震幅減小、加工擴(kuò)槽減小，往前進(jìn)方向的移動(dòng)方向相對(duì)增加，因而提高加工速度。（5）其他如加工液之比電

12、阻、加工液種類及加工液循環(huán)方式，皆會(huì)影響到加工速度。,（B）工件表面粗糙度表面粗糙度是指加工後，工件表面凹凸不平的程度。表面粗糙度值愈小，表示加工面愈好，通常影響表面粗糙度的因素是放電能量的大小、工件與電極材料的特性、加工液的物理性質(zhì)、加工屑排除的能力等，而通常表面粗糙度的表示方式有下列二種：,（1） 最大表面粗糙度（Rmax）：最大表面粗糙度是由加工截面的輪廓曲線中，取一段基準(zhǔn)長(zhǎng)度L，而此段曲線中最高與最低處的差異，即

13、為最大表面粗糙度值，單位以（μm）表示。（2） 中心線平均粗糙度（Ra）中心線平均粗糙度是將量測(cè)所得的粗糙度曲線 f（x），依 X軸分割成上下兩部份，並使這兩部份所圍成的面積相等，以X 軸成上下所圍成的總面積，除以基準(zhǔn)長(zhǎng)度L，即為中心線平均粗糙度（Ra）。,加工擴(kuò)槽量示意圖,（C）加工擴(kuò)槽量線切割加工時(shí)，不僅線電極前緣須與工件間維持適當(dāng)?shù)姆烹婇g隙，線電極側(cè)面亦因放電作用在加工後產(chǎn)生一定的溝槽寬度，此加工溝槽寬度為線電極直

14、徑加上兩側(cè)放電間隙寬度（為單邊加工擴(kuò)槽量的兩倍）加工擴(kuò)槽量會(huì)影響到加工精度值、加工屑的衝除與加工液的冷卻等，故為線切割加工的一項(xiàng)重要加工特性。通常影響加工擴(kuò)槽量較大的因素有：放電能量的大小、工件材料的特性、加工液的比電阻、加工進(jìn)給速度、線張力大小等因素。,加工條件的決定方法,1.電氣條件的決定方法一般可選定的電氣條件有無(wú)負(fù)荷電壓，尖峰電流，脈波寬，休止寬，電容器容量等五項(xiàng)1.1欲重視加工速度時(shí) 應(yīng)加大尖峰電流，脈波寬，電容量

15、，減少休止寬且在不會(huì)發(fā)生斷線的範(fàn)圍內(nèi)，需將無(wú)負(fù)荷電壓提高。1.2欲重視加工面粗糙度時(shí) 應(yīng)特別設(shè)定小的電容器容量。並且同時(shí)亦應(yīng)隨著小的電容量 減少脈波寬,2.加工液電阻係數(shù)的考量一般在同一電氣條件下，電阻係數(shù)愈低，愈可提高其加工速度。然而一但將電阻係數(shù)降低，則顯著出現(xiàn)電解作用，加工面變色，發(fā)生一如電蝕的巢孔。尤其在加工銀鎢合金或超硬合金鋼時(shí)，其電阻係數(shù)最少也要設(shè)定在20萬(wàn)歐姆 cm 以上。至於鋁材加工，會(huì)由於降低電阻

16、係數(shù)，導(dǎo)致產(chǎn)生氧化被膜，有時(shí)不會(huì)放電。,3.欲求高精度加工時(shí)若重視加工精度，不但同時(shí)亦應(yīng)重視其加工面粗糙度，採(cǎi)用ψ0.1 mm 以下的鎢鋼線，調(diào)整其拉力為最大，並將無(wú)負(fù)荷電壓降低，加工槽寬調(diào)小，同時(shí)亦應(yīng)儘量減小導(dǎo)件的誇距。,加工條件與加工結(jié)果,1.線性(1)只要垂直度良好 → 則可提高真直度(2)若加強(qiáng)拉力 → 則可提高加工速度，尺寸精度，但易發(fā)生斷線(3)若加快捲取速度 → 可減少斷線(4)導(dǎo)件之支點(diǎn)間距在上下發(fā)生

17、不平衡時(shí) → 真直精度不良(5)使用不良線材 → 斷線頻發(fā)，加工面會(huì)殘留線痕2.被加工物(1)材質(zhì)熔點(diǎn)愈低 → 加工速度快(2)板厚愈厚 → 加工速度降低，尺寸精度降低(3)熱處理若不適當(dāng) → 裂模，加工應(yīng)變之發(fā)生(4)若有殘留磁氣 → 發(fā)生二次放電，加工速度降低，加工 面粗糙，尺寸精度差,3.加工液(1)供給壓力高 → 則加工速度提高，發(fā)生震動(dòng)，由於氣泡

18、 發(fā)生斷線。(2)若由上、下單方向淋加工液 → 發(fā)生斷線，真質(zhì)精度不良 (3)液溫若有變化 → 被加工物伸縮，導(dǎo)致精度不良，電阻係 數(shù)發(fā)生變化(4)電阻係數(shù)若發(fā)生變化 → 放電間隙隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致精 度不良4.設(shè)置環(huán)境(1)溫度若有變化 → 機(jī)械本身發(fā)生伸縮，導(dǎo)致精度不良。,影

19、響加工速度之要因,1.電氣條件:2.加工液電阻係數(shù)3.加工液壓4.線的總類5.線的拉力與速度6.導(dǎo)線具間之距離7.對(duì)線電極的給電方法,無(wú)負(fù)荷電壓〈電源電壓〉充電電流脈波寬休止時(shí)間電容器容量,怎樣提高加工速度,1.電氣條件欲提高加工速度，必須要有適合於加工速度的放電能。一般可由加大負(fù)荷電壓與電容器容量來(lái)增加放電能，這對(duì)提高加工速度有很大影響。2.加工液電阻係數(shù)欲加工 SKD-11 ，SKS 等工具

20、鋼時(shí)，將電阻係數(shù)設(shè)定較低（易通電）放電較易，進(jìn)而可提高加工速度,３.加工液壓噴在極間的加工液之液壓愈高，流速愈快，發(fā)生於線與被加工物的微細(xì)間隙之加工粉排出容易，加工進(jìn)行方向的放電效率也隨之上昇。然而，液壓一但提高，亦會(huì)成為線震動(dòng)的要因。且會(huì)產(chǎn)生氣泡的亂流，也會(huì)成為斷線之原因，必須維持層流狀態(tài)。４.線的種類線電極因?yàn)槭褂眠^一次則棄而不再使用，所以其經(jīng)濟(jì)性非常重要，且根據(jù)種種原因，雖然普遍採(cǎi)用銅線與黃銅線，但亦應(yīng)依所加

21、工的被加工物材質(zhì)，選擇適當(dāng)之線材。＜例＞被加工物材料為　Ag-W　時(shí)，應(yīng)選用鎢鋼線。,5.線的拉力與速度雖與線的種類亦互相關(guān)聯(lián)， 但線的拉力愈強(qiáng)， 對(duì)加工速度的提高幫助愈大。線的拉力若強(qiáng)，由於放電反撥力所產(chǎn)生的線震動(dòng)減少，且加工進(jìn)行方向的放電率也相對(duì)提高，直接影響加工速度之提昇。線的進(jìn)給速度愈快，斷線或短路的機(jī)會(huì)也減少，對(duì)提高加工速度亦為不可缺之原因。6.其他導(dǎo)線具間之距離，給電方法等隨機(jī)械經(jīng)已決定，操作者要做調(diào)整雖

22、有困難，但導(dǎo)線具間的距離愈短，線的振幅愈小，對(duì)提高加工速度很有幫助。且給電於線的給電接頭，應(yīng)採(cǎi)用設(shè)在被加工物材料之上下2處方式，較1處方式（上下任何1處），可提高加工速度。,提高加工精度的方法,線切割放電加工機(jī)的加工精度一般可分為形狀精度 和 定位精度 兩種,提高形狀精度的方法,形狀精度可分為二次元平面上的（1）尺寸精度，加工後的被加工物剖面（2）真直度【俗稱：鼓腹?fàn)睢浚?）隅角部分的尺寸精度【俗稱：隅角部的彎曲】等來(lái)考慮

23、1.尺寸精度上的問題與對(duì)策若能忽視線切割放電加工機(jī)本身工作臺(tái)的進(jìn)給精度，或由生熱所引起機(jī)械系統(tǒng)的變形，則影響尺寸精度之主要原因?yàn)楸患庸の锊牧媳旧淼膽?yīng)變。被加工物材料的應(yīng)變有材料本身由內(nèi)部應(yīng)力所引起，與由於放電加工熱所引起的應(yīng)變兩種。且液溫或室溫所引起的應(yīng)變亦必須加以考慮。,材料應(yīng)變之對(duì)策1.實(shí)施預(yù)先（事前）加工：為使熱處理能夠均一應(yīng)實(shí)行預(yù)先加工（孔加工或細(xì)縫加工）?；蛟跓崽幚磲崾褂镁€切割放電加工機(jī)實(shí)行預(yù)先加工（細(xì)縫加工）。

24、2.注意熱處理：實(shí)施真空熱處理，深冷處理。如SKD-11等之合金工具鋼，應(yīng)實(shí)施二次以上的回火處理。鋼材亦應(yīng)實(shí)施回火處理。,3.實(shí)施額外加工：於熱處理後，依製品加工形狀大約預(yù)留2~3 mm 左右預(yù)做額外的加工，先除去內(nèi)部應(yīng)力後，再進(jìn)行製品的正式尺寸之加工。4.注意截取材料：一定要設(shè)置加工開始孔，從被加工物材料之內(nèi)側(cè)開始加工。又被加工物材料的殘留裕量，最少要留5mm以上。,5.減弱放電能：一般為防止由於放電所引起的熱應(yīng)變時(shí)，

25、均採(cǎi)用小徑的細(xì)線（0.1mm以下）並將與放電能有關(guān)的電容器容量以及無(wú)負(fù)荷電壓降低進(jìn)行加工。此時(shí)加工槽寬變?yōu)楠M窄，並可相對(duì)地減少誤差量。6.實(shí)施二次加工,2.真直度上的問題與其對(duì)策當(dāng)測(cè)定經(jīng)線切割放電加工後的被加工物之真直度時(shí)，一般均會(huì)形成中凹（鼓形）形狀，究其主因大致有下述三點(diǎn)（1）線電極在加工中係由上下導(dǎo)件所支持，放電時(shí)由於 反撥力發(fā)生震動(dòng)，所以被加工物材料中心部分的 振幅成為最大。,（2）加工液雖由被加工

26、物材料之上下淋灑，但被加工物材料的上下部分與中央部分支電阻係數(shù)不同。由於上下部分的電阻係數(shù)值較中央部分為高，中央部分較易放電，形成中凹形狀。（3）由於加工粉是從被加工物的中央部分排出，且二次放電亦發(fā)生在中央部分，故易形成中凹形狀。,鼓形狀的對(duì)策（1）將線的拉力稍微加強(qiáng)，極力減少線的振動(dòng)。又將上下線支持導(dǎo)件之誇距予以縮短，亦為減少振幅量非常重要的。尤其上部導(dǎo)件的位置，影響被加工物的上下尺寸很大。（2）盡量降低加工液的電

27、阻係數(shù)（易通電的狀態(tài)）進(jìn)行加工。被加工物材料的上下部與中央部之間的電阻係數(shù)差減少。電阻係數(shù)100萬(wàn)歐姆cm 與10萬(wàn)歐姆cm 有顯著差別。（3）提高加工速度。以加工進(jìn)行方向的放電為主題，相對(duì)地減少線的左右之放電量。以最近的技術(shù)，線切割放電加工的真直度，加工100mm 板厚的被加工物材料時(shí)，可達(dá)到數(shù)μ的程度。,3.隅角部的彎垂由於導(dǎo)件的位置與加工進(jìn)行中的線之位置有差異，隅角部發(fā)生彎垂導(dǎo)致尺寸精度降低。,隅角部的彎垂之對(duì)策

28、（1）藉增強(qiáng)線的拉力，以及縮短上下導(dǎo)件跨距，減少線 的遲延量。（2）降低電容器容量及無(wú)負(fù)荷電壓，減弱由於放電所引 起的反撥力（3）施以二次加工（4）僅在隅角部作電氣條件【加工電流、 脈波寬、 休 止時(shí)間等】或加工速度的自動(dòng)控制，防止線的遲延。,提高定位精度的方法,定位的方法可分為孔基準(zhǔn)法和被加工物材料端面為定位基準(zhǔn)法,線切割放電加工的用途,雕模放電加工與線切割加工之特性比較,雕模放電加