线切割机可以切割需要传统加工方法无法达到的精度、复杂度和精细表面光洁度的零件。这是它的工作原理。

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线放电加工 (EDM)广泛用于制造模具、冲头、模具部件、特殊工具、挤压模具、翼型件、齿轮、医疗器械、硬质合金刀具、刀架、珠宝和数以千计的工件,数不胜数。

线切割加工的能力

电火花线切割可用于切割导电材料,以制造需要传统加工方法无法达到的精度、复杂性和精细表面光洁度的零件。可以对线切割 EDM 单元进行编程,以将复杂的形状(小或大)切割到 ±0.0001 英寸的尺寸公差,并且可以重复且可靠地执行此操作。与其他类型的加工不同,电火花线切割不会对工件施加切削力,也不会引入残余应力。材料的机械性能几乎没有变化或没有变化。今天的电火花线切割技术能够在表面上几乎不留下任何热效应。

线切割最适合切割极硬材料,例如工具钢、硬质合金、多晶金刚石 (PCD)、特殊合金以及需要复杂形状、角度、锥度和尖锐内角的零件。电火花线切割可提供高达 4 微英寸 Ra 的表面光洁度,无需额外的精加工或抛光。线切割加工工艺不会在工件上留下毛刺,从而大大减少了后续操作的需要。线切割加工可以被认为是一种省时的一步工艺。

线切割加工很少需要昂贵的工作夹具。一名操作员可以运行多台机器。

线切割 EDM 的工作原理

一个典型的系统包括一个 CNC 单元、一个带有抗电解电路的电源、一个自动穿线机构、一个容纳介电流体的罐、一个将流体保持在稳定温度的冷却器和一个过滤系统,以保持电流稳定。电介质清洁。

线切割加工使用从卷轴送入并通过上下导轨移动的带电线束。电线在穿过顶部和底部的电源触点时通电。导轨之间的距离可以调节以适应工件的厚度。金属丝和工件之间严格控制的放电序列每秒会产生数十万次火花以去除工件材料。每个电火花的热量估计在 15,000-21,000°F 左右,会熔化工件材料的微小部分。虽然在持续百万分之一秒或更短的短暂高温期间去除的金属量非常小,但火花的频率和数量是在非常坚硬的材料上切割窄槽的有效方法。

将电线和零件浸入去离子水中可以冲走切割碎屑。当零件不能完全浸没时,可以使用飞溅冲洗,但顶部和底部的喷嘴必须不断地对准电线,以帮助冲走碎屑。水下加工时,切割发生在更容易控制的环境中,冲洗喷嘴只需调整一次。

CNC 单元在 XY 平面上移动机器,并且可以在 UV 轴上独立定位上导轨,使机器能够同时移动所有四个轴(X、Y、U、V),以切割从从上到下。可编程 Z 轴可自动加工不同厚度的工件。

电火花加工 (EDM)工艺中使用的线材可由黄铜、镀锌黄铜、镀黄铜铜、钨、钼或带钢芯的黄铜组成,仅举几例。每种类型都有自己的目的、利益和成本。

电火花线的类型和尺寸

EDM 线的直径范围从 0.0008 到 0.013 英寸。直径为 0.0008 英寸的电线将在拐角处产生 0.00044 英寸的半径,这是几乎不可能以任何其他方式制造的特征。例如,为了生产电子元件,管芯中的开口可能需要这种精度。然而,这种细线很少使用,因为它会带来不寻常的挑战。通常,电线越小,功率设置越低,切割速度越慢。除非应用程序绝对需要,否则大多数商店都不想为这种冗长的机器时间付费。

直径为 0.010 英寸的普通黄铜线用于 80% 以上的 EDM 工作。存在三种类型的黄铜线:硬、半硬和软。软黄铜通常用于切割锥度,因为需要低抗拉强度。这种类型可以在以一定角度切割时弯曲而不会断裂。

当需要更高的抗拉强度时,硬黄铜最适合粗加工和脱脂。硬黄铜可以承受剧烈的冲洗,并且可以在不断裂的情况下将高压施加到电线上。结果是更快的切割速度。

黄铜线可提供锌涂层。由于锌的熔化温度低于黄铜,因此锌在沸腾时会吸收热量。较少的热量进入电线,因此它保持其强度。黄铜线的外部非常光滑,而镀锌黄铜的外部光洁度较粗糙。这种更粗糙的表面改善了冲洗,从而提高了速度。通常,涂层线可将速度提高 10% 至 15%。

具有铜芯和熔解锌外层的线材通常被称为高速线材或分层线材。铜的高导电性可以使切割速度加倍。但是,电线的价格可能是其他类型的两倍。建议使用分层钢丝进行粗加工。普通铜线现在很少使用,因为它太软而且太贵。

无论选择哪种线材,都只能使用一次。所有线材都通过线材 EDM 工艺降解,之后可以作为废品出售。

线材抗拉强度

指定电火花线材的抗拉强度也很重要。即使在切割过程中金属丝不接触零件,它也会被机器的送丝机构拉伸,该送丝机构由张力器、滚轮导轨和上下送料触点(施加电流的地方)组成。张力预加载到金属丝上,然后可以增加或减少以完成不同的切割技术。抗拉强度决定了线材承受切割过程中施加的张力的能力。抗拉强度越低,越容易断裂。

抗拉强度较低的线材将切角而不会断裂。通过在 UV 轴上移动或偏移导线器,可以生成高达 45 度的大锥度和角度切割。使用UV轴紧密控制垂直壁的垂直度,实现精确切割时,抗拉强度更高的线材可以拉得更紧。

对于粗加工,较低的线张力使机器能够更快地切割而不会断裂线。脱脂切割需要更高的张力,因此应用更慢的速度和更少的功率来实现最大的表面光洁度和精度。

EDM 线按磅出售,通常采用 8 磅线轴。在正常切割条件下,一个线轴可以持续进行 8 到 10 个小时的不间断切割。大多数 EDM 制造商提供大线轴选项,可容纳重达 35 或 50 磅的线轴,从而可以不间断地切割 40 多个小时。如果 EDM 单元具有自动重新穿线系统,则机器可以运行一周或更长时间而无需注意。然而,需要机器人或自动工件装载装置来支持如此长的运行时间。

自动重新穿线

所有线切割 EDM 单元现在都配备了自动线重新穿线系统。此功能非常适用于直径小至 0.002 英寸的电线,但电线直径越大越好。高压水流引导线材穿过工件。

自动螺纹加工可以在单个设置中在零件内产生多个开口或特征,从而增强无人值守操作。电线的切割和重新穿线由程序中的代码控制。如果电线意外断裂,机器会感应到断裂,重新穿线并在电线断裂的地方继续切割。如果需要小于 0.004 英寸的电线,可以选择使用细线套件。

每个电火花线切割机 (EDM)
用户想要的两件事是速度和准确性。不幸的是,这些目标通常是不相容的。您无法以精确的速度获得速度,如果不获得精细的表面光洁度,您就无法获得高精度。精度和表面光洁度相辅相成。速度和准确性不行。

切削速度、精度和表面光洁度

1980 年代初期的 EDM 装置可能达到每小时 3-4 平方英寸的切割速度。随着机器设计和电源的变化,1990 年代达到每小时 17 平方英寸的速度。今天,随着电源的改进,与复杂的自适应控制一起工作,每小时达到 24、37 和某些情况下 45 平方英寸的情况并不少见。

材料类型和被切割零件的高度也很关键。例如,切削淬硬工具钢通常比冷轧钢更容易、更快。材料越硬越好。通常,工具钢、硬质合金和特殊合金的杂质较少,孔隙率较低,因此更容易切割。冷轧钢可能含有杂质,因此线切割较慢,表面光洁度较差。虽然铝很容易以较高的速度切割,但材料非常柔软,很难获得良好的表面光洁度。即使是 30 微英寸的表面光洁度也很难在铝中实现。相比之下,可以切割 3 英寸厚的硬质合金工件,精度为 ±0.0001 英寸,但仍能产生 5 微英寸的 Ra 表面光洁度。

典型的线切割 EDM 工艺包括以不同速度行进的多次走刀。第一次走刀通常是粗加工走刀,旨在尽可能快地进行切削,而精度和表面光洁度则不那么重要。随后的每一次脱脂切削都以越来越快的速度行进,占用的材料越来越少,同时稳步提高了尺寸精度和表面光洁度的质量。

在精切过程中,导线上的张力增加,电流减小,电压间隙变窄,允许用户细化火花以及火花从导线跳到零件的距离。应用于最后一次完成的偏移可能小到 3 微米。要获得 4 或 5 微英寸的 Ra 光洁度,可能需要多达六或七次切削。切削刀具的直径决定了铣削中的偏移量,而 EDM 控制器则根据线材的直径应用刀具补偿。例如,如果使用直径为 0.010 英寸的黄铜线,随着金属丝越来越接近零件表面,刀具组合将接近 0.005 英寸加上火花间隙,并且可能最终达到 0.0051 英寸。

为了实现这些紧密的公差和超精细的表面光洁度,必须正确设置每个参数。必须选择正确类型的 EDM 线。线材必须具有合适的直径和抗拉强度。电线的功率设置和张力也必须正确。去离子水和冲洗装置的条件也必须优化。

加工精度

当试图通过电火花线切割保持 ±0.0001 英寸的位置精度时,车间环境成为一个因素。例如,钢和碳化物的热膨胀系数均为每华氏度约 6.8 ppm。这意味着,对于车间温度每 2°F 变化,12 英寸的零件可能会增长 0.00016 英寸,从而使操作超过它试图保持的 0.0001 英寸的容差。为了在这些条件下取得成功,商店必须能够在 8 小时内将其环境温度在任一方向保持在 1°F 以内。将电介质溶液的温度控制在 ±1°F 也有助于控制机器和工件的温度。

两种最常见的机器设计使用滚珠丝杠或直线运动系统。在机器精度方面,每种设计都有优点和缺点,在选择线切割机时必须探索。

高精度玻璃刻度用于消除螺距误差或间隙对线性反馈的影响。在最好的机器上,具有精细增量的高分辨率伺服驱动器用于定位线材,从而提高表面光洁度和精度。自适应控制可以补偿热增长。伺服电机中的高速电路使它们能够即时做出反应,以更好地控制火花。高峰值电源现在可以将更多电能输入电线,从而大大提高生产力。

去除电火花线切割过程中产生的微小颗粒成为最大化切割速度以及获得零件精度和表面光洁度的关键因素。电介质流体是冲走这些“芯片”的机制。

在线放电加工 (EDM)工艺中使用的介电流体或冷却剂 是去离子水。它有几个目的:

  1. 它充当通电导线和工件之间的半导体,以保持火花隙中电离的稳定和受控条件。
  2. 它可以冷却以保持线材、工件、工作台和固定装置的温度稳定。这限制了工件和机器的热增长,以保持严格的公差。
  3. 它充当冲洗剂,以冲走切割发生时产生的灰烬碎屑。

机器调试时,首先使用低电导率的蒸馏水或去离子水。随后,如果首先通过去离子树脂瓶过滤掉任何污染物并用电荷中和颗粒,则可以使用自来水。然后水循环通过一个 3 或 5 微米的纸质过滤器,以去除任何残留的颗粒。大多数机器都配备了 5 微米过滤器。

由于 EDM 在切割过程中会产生微小的颗粒,因此去除这些“切屑”成为最大化切割速度以及获得零件精度和表面光洁度的关键因素。为了成为有效的冲洗剂,介电流体必须自由流入发生切割作用的区域。由于每个火花都会熔化掉工件的微小部分,因此流体有助于固化熔化的颗粒并防止其粘附在金属丝或工件表面上。

位于工件顶部和底部附近的可调节冲洗喷嘴将流体流从相反方向引导到切割区域。当冲洗压力和喷嘴设置得当时,两股水流在中间相遇,产生“公鸡尾巴”效应,在粗加工后去除的段塞上可见。如果在切割固体时碎片大部分从零件底部流出,则冲洗可能不平衡。这造成了较差的切割条件,其中线材在穿过或穿过工件表面时最弱化。可能导致频繁的断线。

将冲洗压力设置得太高会导致焊丝振动和变形,尤其是在高工件中。这种情况会影响零件的表面光洁度和精度。

电火花过滤

为了使线材机器获得最佳性能,用户必须保持介电流体的清洁度。如果太脏,一些材料会在水箱中开始生锈,表面光洁度可能会变差。例如,切割铝会迅速提高介电流体的电导率。发生这种情况时,必须及时更换去离子瓶。良好的维护习惯包括定期更换滤纸滤芯和送去去离子瓶进行再生。

切割某些材料会迅速堵塞过滤器。例如,在切割增材制造零件时,可能会穿透内部松散的未烧结金属粉末袋。这种粉末突然释放到流体中会意外堵塞过滤器。

今天,过滤器的成本从 85 美元到 120 美元不等。

线切割机维护

在大多数情况下,线切割 EDM 单元几乎不需要维护。一些重要的维护项目包括清洁电线导管中的孔和电源触点的表面。电源触点应每切割 50 到 100 小时进行一次转位。应定期检查和调整换线机构。忠实地遵循 OEM 的建议。预计每周花费少量时间对每台机器进行维护,如果机器每天运行超过 8 小时,则更频繁。

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