特种加工与项目实训

13　特种加工与项目实训

13.1　特种加工项目实训

13.1.1　实训目的和要求

特种加工实训是计算机辅助设计与制造专业学生在掌握传统金属切削加工和数控加工知识的基础上，进一步了解和掌握必要的先进加工技术知识，以满足生产实践中应用日益广泛的电火花、线切割、激光加工等技术的需要。本实训主要通过对电火花机床和数控线切割机床基础知识的学习及操作技术，使学生具备一定的特种加工技术应用技能，为培养电火花机床和数控线切割机床加工的技术人员打下基础。

（1）了解线切割加工、电火花的工作原理和基本方法；

（2）了解线切割加工、电火花的数控系统、机床结构组成及应用范围；

（3）初步掌握线切割加工、电火花机床编程和操作的基本方法。能够根据图纸要求，独立地完成较简单零件的编程设计和加工制作。

13.1.2　实训安全守则

特种加工机床的安全操作规范：

（1）开机前，仔细阅读机床使用说明书，切勿随意乱动机床，以免发生意外。

（2）加工前注意检查放电间隙。

（3）放电必须在具有绝缘性能的液体介质中进行。

（4）对于易燃类型的工作液，要注意防火。

（5）加强机床的机械装置的日常检查、防护和润滑。

（6）文明生产，加工结束后，必须打扫卫生，擦拭机床，并切断系统电源方可离开。

13.1.3　项目实训内容

（1）熟悉数控线切割机床、电火花成形机床的注意事项及基本操作；

（2）学习编程，编制并加工工件；

（3）根据图纸，绘图并加工工件。

13.2　特种加工

特种加工技术是直接利用电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量或其复合能量以实现材料切除的加工方法。其研究范围是电加工、高能束流（激光束、电子束、离子束、高压水束）加工、超声波加工及多能源复合加工。

特种加工主要用以解决以下几个难题：难加工材料的加工；复杂型面的加工；高精密表面的加工（微米级、纳米级精度；表面粗糙度Ra≤0.01μm）；特殊要求零件的加工（壁厚≤0.1mm薄壁和弹性零件等）。

13.2.1　电火花加工

作为先进制造技术的一个重要分支，电火花加工技术，自20世纪40年代开创以来，历经半个多世纪的发展，已成为先进制造技术领域不可或缺的重要组成部分。尤其是进入20世纪90年代后，随着信息技术、网络技术、航空和航天技术、材料科学技术等高新技术的发展，电火花成形加工技术也朝着更深层次、更高水平的方向发展。虽然一些传统加工技术通过自身的不断更新发展以及与其他相关技术的融合，在一些难加工材料加工领域（尤其在模具加工领域）表现出了加工效率高等优势，但这些技术的应用没有也不可能完全取代电火花成形加工技术在难加工材料、复杂型面、模具等加工领域中的地位。相反，电火花成形加工技术通过借鉴其他加工技术的发展经验，正不断向微细化、高效化、精密化、自动化、智能化等方向发展。

13.2.1.1　电火花加工的基本机理

电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM。电火花加工原理如图13-2-1所示。

图13-2-1　电火花加工原理

进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达10　000℃以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。

在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型面。

工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等，目前常用的主要还是以钼为主。在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。

工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑、防锈等作用。常用的工作液是黏度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。

13.2.1.2　电火花加工的特点及其分类

1）电火花加工特点

（1）电火花加工能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件；

（2）加工时无切削力；

（3）不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷；

（4）工具电极材料无须比工件材料硬；

（5）直接使用电能加工，便于实现自动化；

（6）加工后表面产生变质层，在某些应用中需进一步去除；

（7）工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。

2）电火花加工的主要用途

（1）加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；

（2）加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等；

（3）加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；

（4）加工各种成形刀具和样板等工具和量具。

3）电火花加工分类

按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式分为五类：

（1）利用成型工具电极，相对工件做简单进给运动的电火花成形加工；

（2）利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸做轨迹运动，以切割导电材料的电火花线切割加工；

（3）利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔磨削或成形磨削的电火花磨削；

（4）用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工；

（5）小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。

13.2.2　线切割加工

利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸做轨迹运动，以切割导电材料的电火花加工方式称之为电火花线切割加工。

1）线切割加工原理

线切割加工技术是线电极电火花加工技术，是电火花加工技术中的一种类型，简称线切割加工。线切割加工原理如图13-2-2所示。

图13-2-2　线切割加工原理

线切割机床采用钼丝或硬性铜丝（主要用0.02～0.30mm的钼丝）作为电极丝。被切割的工件为工件电极，电极丝为工具电极。脉冲电源发出连续的高频脉冲电压，加到工件电极和工具电极上（电极丝）。在电极丝和工件之间加有足够的、具有一定绝缘性能的工作液。当电极丝和工件之间的距离小到一定程度时，工作液介质被击穿，电极丝和工件之间形成瞬间电火花放电，产生瞬间高温，生成大量热量，使工件表面的金属局部熔化，甚至气化；再加上工件液体介质的冲洗作用，使得金属被腐蚀下来。

工件放在机床坐标工作台上，按数控装置或微机程序控制下的预定轨迹进行加工，最后得到所需要形状的工件。由于储丝筒带动工具电极，即电极丝作正、反向交替的高速运动，所以电极丝基本上不被蚀除，可以较长时间使用。

2）线切割加工工艺特点

（1）主要优点

①线切割加工可以用于一般切削方法难以加工或者无法加工的形状复杂的工件加工，如冲模、凸轮、样板、外形复杂的精密零件及窄缝等。电极损耗小，提高了加工精度，尺寸精度可达0.01～0.02mm，表面粗糙度Ra可达1.25μm。

②线切割加工可以用于一般切削方法难以加工或者无法加工的金属材料或者半导体材料的零件进行加工，如淬火钢、硬质合金钢、高硬度金属等，但无法实现对非金属导电材料的加工。

③线切割加工直接利用线电极电火花进行加工，可以方便地调整加工参数，如调节脉冲宽度、脉冲间隔、加工电流等，提高线切割加工精度，也可通过调节实现加工过程的自动化控制。

④省掉了成型电极，大大降低了工具电极的设计与制造费用，缩短了生产周期，对新品的试制有重要意义。

⑤去除量小，对贵重金属的加工有特别意义。

（2）局限性

①线切割加工效率较低，成本较高。所以，能用金属切削方法加工的零件一般不考虑使用电加工；不适合加工形状简单的批量零件。

②被加工的工件只能是金属材料。

③加工表面有变质层。如不锈钢和硬质合金表面的变质层对使用有害，需要处理掉。

④加工过程必须在工作液中进行，否则会引起异常放电。

13.2.3　数控电火花线切割机床

1）线切割机床分类

电火花线切割机床依运丝速度快慢不同分两大类：一类是高速走丝电火花线切割机床（WEDM-HS），这类型机床的电极丝做高速往复运动，一般速度为8～10m/s，这是我国生产和使用的主要机型，也是我国独创的电火花线切割加工模式；另一类是低速走丝电火花线切割机床（WEDM-LS），这类机床的电极丝做低速单向运动，一般速度低于0.2m/s，这是国外生产和使用的主要机型。

2）机床型号及其技术参数

我国机床型号的编制是根据GB/T15375—94《金属切削机床型号编制方法》之规定进行的，机床型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，它表示机床类别、特性和基本参数。

数控电火花线切割机床型号DK7740的含义如下：

数控电火花线切割机床的主要技术参数包括：工作台行程（纵向行程x横向行程）、最大切割厚度、加工表面粗糙度、加工精度、切割速度以及数控系统的控制功能等。DK77系列数控电火花线切割机床的主要型号及技术参数如表13-2-1所示。

表13-2-1　DK77系列数控电火花线切割机床的主要型号及技术参数

3）机床基本结构

一台数控电火花线切割机床基本由机床主体、脉冲电源、控制系统、工作液及润滑系统、机床附件等组成。其中，机床主体（或者叫做机床本体）由坐标工作台、线架、储丝筒、立柱、运丝机构、工作液循环系统、床身等部分组成，其外形如图13-2-3所示：

（1）床身　安装坐标工作台、线架及运丝装置的基础，要有较好的刚性，以保证机床的加工精度。机床床身既能起支撑和连接坐标工作台、运丝装置和线架等部件的作用，又起安装机床电器、存放工作液的作用。

（2）坐标工作台　主要由工作台上拖板、中拖板、下拖板、滚珠丝杠等部件组成。工作台传动系统主要是X轴和Y轴方向传动。

（3）线架　安装在工作台和储丝筒之间。电极丝运转系统主要是由储丝筒旋转，带动电极丝做正反向交替运动。排丝轮导轮保持电极丝整齐地排列在储丝筒上，经过线架做来回高速移动（线速度为8～10m/s左右），进行切割加工。

图13-2-3　线切割机床外形

（4）运丝装置　由储丝筒、储丝筒拖板、拖板座及传动系统组成。储丝筒由薄壁管制成，具有重量轻、惯性小、耐腐蚀等优点。运丝装置的传动系统主要是机床行程开关，其作用就是控制储丝筒的正反转向。

（5）机床润滑系统　对线切割机床各个运动副进行润滑，以保证机床各个运动部件灵活可靠。运丝部件各部位的运动副润滑，重点是齿轮、丝杠、螺母和拖板导轨等；工作台各部件的运动副润滑，重点是丝杠（滚珠丝杠）、螺母和齿轮箱及拖板滑道等。一般要求加油时间为每周一次。

（6）工作液循环系统　由工作液、工作液箱、工作液泵和循环导管组成。工作液起绝缘、排屑、冷却等作用。工作液一般采用10%的植物性皂化液或DX-1油酸钾乳化油水溶液。工作方式由工作液泵供给工作液循环喷注的压力进行工作。

（7）高频脉冲电源　又称脉冲电源，是进行线电极切割的能源。由于受价格、表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制，线切割加工脉冲电源的脉宽较窄，一般为2μs～60μs。单个脉冲能量、平均电流一般较小，所以线切割加工总是采用正极性加工。脉冲电源的形式很多，如晶体管短形波脉冲电源、高频分组脉冲电源、并联电容性脉冲电源和低损耗电源。

13.2.4　线切割机床控制系统

13.2.4.1　AutoCut线切割编控系统

1）系统介绍

AutoCut线切割编控系统是基于Windows　XP平台的线切割编控系统，由运行在Windows下的系统软件（CAD软件和控制软件）、基于PCI总线的4轴运动控制卡和高可靠、节能步进电机驱动主板、0.5μs高频主振板、取样板组成，系统组成如图13-2-4所示。

用户根据加工图纸绘制加工图形，对CAD图形进行线切割工艺处理，生成线切割加工的二维或三维数据，并进行零件加工；在加工过程中，系统能智能加工速度和加工参数，完成对不同加工要求的加工控制。这种以图形方式进行加工的方法是线切割领域内的CAD和CAM系统的有机结合。

图13-2-4　AutoCut线切割编控系统组成

系统具有切割速度自适应控制、切割进程实时显示、加工预览等操作功能。

2）AutoCut系统主要功能

（1）支持图形驱动自动编程，用户无需接触代码，只需要对加工图形设置加工工艺，便可进行加工；同时，支持多种线切割软件生成的3B代码、G代码等加工代码；

（2）软件可直接嵌入到AutoCAD、CAXA等各版本软件中；

（3）多种加工方式可灵活组合加工（连续、单段、正向、逆向、倒退等加工方式）；

（4）XYUV　4轴可设置换向，驱动电机可设置为五相十拍、三相六拍等；

（5）实时监控线切割加工机床的X、Y、U、V四轴加工状态；

（6）加工预览，加工进程实时显示；锥度加工时可进行三维跟踪显示，可放大、缩小观看图形，可从主视图、左视图、顶视图等多角度进行加工情况观察；

（7）可进行多次切割，带有用户可维护的工艺库功能，使多次加工变得简单、可靠；

（8）锥度工件的加工，采用四轴联动控制技术，可以方便地进行上下异形面加工，使复杂锥度图形加工变得简单而精确；

（9）可以驱动4轴运动控制卡，工作稳定可靠；

（10）支持多卡并行工作，一台电脑可以同时控制多台线切割机床；

（11）具有自动报警功能，在加工完毕或故障时自动报警，报警时间可设置；

（12）支持清角延时处理，在加工轨迹拐角处进行延时，以改善电极丝弯曲造成的偏差；

（13）支持齿隙补偿功能，可以对机床的丝杆齿隙误差进行补偿，以提高机床精度；

（14）支持光栅闭环控制，采用光栅尺对位置误差进行精确的校正，可以显著提高大工件加工时的位置精度；

（15）支持两种加工模式：普通快走丝模式、中走丝通信输出模式；

（16）断电时自动保存加工状态、上电恢复加工，短路自动回退等故障处理；

（17）加工结束自动关闭机床电源。

3）AutoCut系统主要特点

（1）采用图形驱动技术，降低了工人的劳动强度，提高了工人的工作效率，减小了误操作机会；

（2）面向Windows　XP等各版本用户，软件使用简单，即学即会；

（3）直接嵌入到AutoCAD、CAXA等各版本软件中，实现了CAD/CAM一体化，扩大了线切割可加工对象；

（4）锥度工件的加工，采用四轴联动控制技术；三维设计加工轨迹；并对导轮半径、电极丝直径、单边放电间隙以及大锥度的椭圆误差进行补偿，以消除锥度加工的理论误差；

（5）采用多卡并行技术，一台电脑可以同时控制多台线切割机床；

（6）可进行多次切割，带有用户可维护的工艺库功能，智能控制加工速度和加工参数，以提高表面光洁度和尺寸精度，使多次加工变得简单、可靠；

（7）本软件对超厚工件（1m以上）的加工进行了优化，使其跟踪稳定、可靠。

图13-2-5　AutoCut系统安装界面

4）AutoCut系统软件安装

将AutoCut光盘中的AutoCut目录拷贝到计算机中，其中AutoCut.exe为AutoCut　CAD软件的运行文件，WireCut.exe为AutoCut控制软件的运行文件，对于需要使用AutoCAD线切割模块的用户，运行AutoCAD　Setup.exe会弹出如图13-2-5所示的安装界面：

点击不同的AutoCAD版本框中的“安装”，即可对已经安装过AutoCAD的机器进行线切割模块的安装，安装完毕后会提示“安装成功”的界面。

5）AutoCut系统使用介绍

对已经安装过的AutoCAD　2006进行插件安装。安装完毕后，打开AutoCAD2006在主界面和菜单中可以看到AutoCut的插件菜单和工具条，主界面如图13-2-6所示：

图13-2-6　AutoCut系统主界面

AutoCut　For　AutoCAD具有良好辅助绘图功能，包括绘制阿基米德螺旋线、抛物线、渐开线、双曲线、摆线、齿轮以及矢量文字等，具体绘图功能不在此赘述。

在AutoCAD线切割模块中有三种设计轨迹的方法：生成加工轨迹、生成多次加工轨迹和生成锥度加工轨迹。下面以生成加工轨迹方法为例进行详细介绍。

（1）加工参数设置

图13-2-7　加工参数设置界面

点击菜单栏上的“AutoCut”下拉菜单，选“生成加工轨迹”菜单项，或者点击工具条上相应的按钮，会弹出如图13-2-7所示的对话框，这是快走丝线切割机生成加工轨迹时需要设置的参数。具体参数设置请参照图13-2-12所示的工艺库相关内容。

设置好【补偿值】、【偏移方向】及【加工参数】后，点击确定。在命令行提示栏中会提示“请输入穿丝点坐标”，可以手动在命令行中用相对坐标或者绝对坐标的形式输入穿丝点坐标，也可以用鼠标在屏幕上点击鼠标左键选择一点作为穿丝点坐标，穿丝点确定后，命令行会提示“请输入切入点坐标”，这里要注意，切入点一定要选在所绘制的图形上，否则是无效的，切入点的坐标可以手工在命令行中输入，也可以用鼠标在图形上选取任意一点作为切入点，切入点选中后，命令行会提示“请选择加工方向＜Enter完成＞”，如图13-2-8所示。

图13-2-8　轨迹设计界面

对于封闭图形经过上面的过程即可完成轨迹的生成，而对于非封闭图形会稍有不同，在和上面相同的完成加工轨迹的拾取之后，在命令行会提示“请输入退出点坐标＜Enter同穿丝点＞”。手工输入或用鼠标在屏幕上拾取一点作为退出点的坐标。注意：如果按＜Enter＞键，则系统自动完成退出点设置，且与穿丝点重合，如图13-2-9所示。

图13-2-9　退出点设置界面

（2）轨迹加工

轨迹加工方式常用的有两种，一种是直接通过AutoCAD发送加工任务给AutoCut控制软件，一种是直接运行AutoCut控制软件，并在控制软件中以载入文件的形式完成对工件的加工。下面以发送加工任务为例进行说明。

点击菜单栏上的“AutoCut”下拉菜单，选“发送加工任务”菜单项，或者点击工具条上相应的按钮，会弹出如图13-2-10所示的“选卡”对话框。

点击选中“1号卡”按钮，（在没有控制卡的时候可以点选“虚拟卡”看演示效果），命令行会提示“请选择对象”，用鼠标左键点选图13-2-9中的轨迹，点击鼠标右键会进入如图13-2-11所示的控制界面。

图13-2-10　选卡界面

图13-2-11　加工控制界面

（3）工艺库

点击菜单栏上的【AutoCut】下拉菜单，选【维护工艺库】菜单项，会弹出【工艺库】界面，如图13-2-12所示。

图13-2-12　工艺库界面

●余量（mm）：两次切割之间的距离，单位：毫米（mm）；

●脉宽（μs）：0.5～250μs；

●脉冲间距（倍脉宽）：1～30之间；

●分组脉宽（个脉冲）：1～30之间；

●分组间距（倍）：1～30之间；

●功放管数：1～6之间；

●运丝速度：0～3之间；

●加工电压：高压或低压；

●跟踪：可以调节跟踪的稳定性；数值越小跟踪越紧；0为不设置跟踪；

●加工限速：加工时的最快速度；0为不设置；

●工艺号：在数据库中的编号，有效值为1到3000；

●钼丝直径（0.05～0.5）：当前工艺对应的钼丝直径；单位：mm；

●工件厚度（0.1～2000）：当前工艺对应的工件厚度；单位：mm；

●钼丝补偿（0.05～0.15）：当前工艺对应的钼丝补偿；单位：mm；

●外形、内孔：外形、内孔选项；

●材料：用于描述当前工艺适合加工的材料；

●添加到工艺库：是将上面的加工参数添加到工艺库中，供下次加工设置时使用。

●更新到工艺库：选中已经在工艺库列表中的工艺记录，会看到在加工参数中会显示出来，对其进行相应的修改，然后通过点击该按钮，进行工艺库的更新。

●从工艺库删除：选中已经在工艺库列表中的工艺记录，点击该按钮，将从工艺库中删除该条记录。

●工艺库列表：列表中显示的是数据库中工艺参数列表。

6）AutoCut控制软件使用介绍

（1）主控界面介绍

AutoCut主控界面如图13-2-13所示，其包含如下内容：

【语言选择】　在如图所示的语言选择区用鼠标点击左键，会提示中、英、俄文可切换的界面，只要用鼠标左键进行选择就可以完成即时切换。

【位置显示】　在实际加工或者空走加工时，在位置显示区会实时看到X、Y、U、V四轴实际加工的位置。

【时间显示】　在加工时“已用时间”表示该工件的加工已经使用的时间，“剩余时间”表示该工件加工完毕还需要的时间。

【图形显示】　在实际加工、空走加工时，在图形显示区会实时回显当前加工的位置。

【加工波形】　实时显示加工的快慢及稳定性。

【加工参数】　实时显示当前加工参数：脉宽、脉间、分组、分组间距、丝速等。

【步进电机显示】　实时显示步进电机的锁定情况。

【高频、运丝、水泵显示】　实时显示高频、运丝、水泵的开关状态。

【功能区】　功能区包含打开文件、开始加工、电机、高频、间隙、加工限速、空走限速、设置、手动、关于等功能。

图13-2-13　AutoCut控制主界面

（2）文件载入

在AutoCut控制主界面中点击【打开文件】按钮或者使用快捷键“F2”或者右键单击【打开文件】，会弹出下拉菜单，选择【打开文件】，弹出【打开】对话框，在“文件类型”可以点选合适的文件类型，然后选择欲加工的文件打开。

（3）模板载入

在AutoCut控制主界面中右键单击【打开文件】，会弹出下拉菜单，点击【打开模板】选项，系统会弹出如图13-2-14所示模板对话框。

【模板】对话框中包含直线、矩形、圆、蛇形线以及加工点五种基本加工类型。选择不同的加工类型，设置相应的参数即可进行加工。

图13-2-14　模板对话框

图13-2-15　设置—电机对话框

（4）设置

在AutoCut控制主界面中点击“设置”按钮，系统弹出【设置】对话框。设置界面包含电机设置、加工设置、高频设置、编码器设置、启动画面设置等几项内容，如图13-2-15所示。

①【电机】选项卡，如图13-2-16所示。

步进电机方向：

X轴换向加工：选中后X轴步进电机走步方向将换向；

Y轴换向加工：选中后Y轴步进电机走步方向将换向；

U轴换向加工：选中后U轴步进电机走步方向将换向；

V轴换向加工：选中后V轴步进电机走步方向将换向。

XY轴驱动类型：

五相十拍：选中后表示选用五相步进电机以五相十拍的模式工作；

三相六拍：选中后表示选用三相步进电机以三相六拍的模式工作；

驱动器分配脉冲序列：选中后控制卡输出的是脉冲和方向信号，此选项多用于伺服电机。

五相双十拍：选中后表示选用五相步进电机以五相双十拍模式工作。

UV轴驱动类型：

三相六拍：选中后表示选用三相步进电机以三相六拍的模式工作；

关闭UV轴步进电机：选中后表示不使用UV轴的步进电机。

②【加工】选项卡，如图13-2-16所示。

加工参数：

短路测等时间：在加工时检测短路的时间，单位：秒；

清角延时时间：加工到拐角时，在拐角暂停的时间，单位：秒；

短路自动回退：加工过程中短路，系统自动回退的步数，单位：步。

限速：

空走限速：在机床进行空走时的最大运行速度，单位：步每秒；

加工限速：在实际加工时，电机的最大运行速度，单位：步每秒。

齿隙补偿：

X轴补偿值：X轴的齿隙补偿，单位：微米（μm）；

Y轴补偿值：Y轴的齿隙补偿，单位：微米（μm）；

加工厚度（计算效率用）：输入实际的加工工件厚度，单位：毫米（mm）。

图13-2-16　设置—加工对话框

图13-2-17　设置—高频对话框

③【高频】选项卡，如图13-2-17所示。

高频类型：

快走丝：普通快走丝高频；

中走丝（3位编码模式）：3位编码中走丝模式；

中走丝（智能高频振荡）：在AutoCut控制软件中可以直接设置高频参数和运丝速度及运丝方式等；

中走丝（智能高频振荡＋智能运丝）：在AutoCut控制软件中可以直接开关水泵、运丝以及设置高频参数、运丝速度、运丝方式等。

④【编码器】选项卡，如图13-2-18所示。

设置：

开启X轴和Y轴编码器检测：可连接伺服电机的编码器或直线光栅尺；

图13-2-18　设置—编码器对话框

开启X轴和Y轴螺距补偿：选中后，能够对丝杠的螺距误差进行修正，此功能需要输入螺距补偿表；

X轴编码器换向：可以改变X轴反馈信号的检测方向；

Y轴编码器换向：可以改变Y轴反馈信号的检测方向；

分辨率：能够支持分辨率为1μm、5μm、0.5μm、0.25μm、0.4μm、4μm的编码器或直线光栅尺。

注意：此功能必须在机床正常安装了光栅尺或编码器，并与AutoCut螺距补偿卡正常连接，才能使用。

⑤［启动画面］选项卡，如图13-2-19所示。

启动画面：控制软件在启动时可以显示经销商指定图片作为启动画面，显示的形式分为：不显示、显示设置时间后自动关闭、一直显示等待手动关闭。

手控盒设置：包括无手控盒、手摇脉冲发生器和手控盒三种。

图13-2-19　设置—启动画面对话框

图13-2-20　开始加工对话框

（5）开始加工

在AutoCut控制主界面中点击“开始加工”按钮或者单击快捷键F3，系统弹出［开始加工］对话框，如图13-2-20所示。在［开始加工］对话框中，有以下几个选择项：

①工作选择：

开始：开始进行加工；

停止：停止目前的加工工作；

注意：正在进行加工时不能退出程序，必须先停止加工，然后才能退出。

②运行模式：

加工：打开高频脉冲电源，实际加工；

空走：不开高频脉冲电源，机床按照加工文件空走；

回退：打开高频脉冲电源，回退指定步数（回退的指定步数可以在设置界面中进行设置，并会一直保存直到下一次设置被更改）。

③走步方向：

正向：实际加工方向与加工轨迹方向相同；

逆向：实际加工方向与加工轨迹方向相反。

④走步模式：

连续：加工时，只有一条加工轨迹加工完才停止；

单段：加工时，一条线段或圆弧加工完时，会进入暂停状态，等待用户处理；⑤加工设置：

●重新定位开始点：“定位”按钮，弹出下拉菜单，选择“开始点为第一段起点”即以第一段起点作为开始点；选择“开始点为第N段起点”，在弹出的对话框中输入数值（在有效值范围内）设置第N段起点作为开始点；选择“开始点为最后一段起点”即以最后一段的起点作为开始点；选择“开始点为指定步数”，在弹出的对话框中输入指定步数（在有效值范围内）设置指定的步数位置为开始点。

●重新定位暂停点：“定位”按钮，　　使用方法同“重新定位开始点”。

当上面的选择做完后，确定开始加工后，原来的“开始加工”按钮会变成“暂停加工”，在需要暂停的时候可以点击该按钮，同样会弹出上面所示的对话框，供用户根据实际情况进行相应处理。

图13-2-21　FW2型线切割机床

13.2.4.2　ACTSPARK FW型机床简介

阿齐夏米尔ACTSPARK FW线切割机床是由北京阿齐夏米尔工业电子有限公司所生产的新型高速走丝线切割机床。北京阿齐夏米尔工业电子有限公司是一家中国和瑞士AGIE Charmilles集团合资的高新企业，是电加工机床的专业生产厂。ACTSPARK　FW2型线切割机床如图13-2-21所示。

1）ACTSPARK　FW2型线切割机床主体方面的独特优点

（1）主机机构采用C型布局，增加了Z轴及UV轴支承刚性，并且造型美观。

（2）工作台传动系统采用精密直线滚动导轨，滚珠丝杠通过十字滑块联轴节与电机直联，并且具有螺距补偿功能，传动灵活，精度稳定，提高了工作台的承载能力和抗颠覆力矩。

（3）运丝系统采用创新的对称式同时张紧系统，保证了上下主导轮之间的电极丝在往复运动时张力稳定，从而确保了放电的稳定性和加工件的表面粗糙度。

（4）独特的喷水结构，能够很好地保证上下喷嘴所喷出的工作液完全包容电极丝，从而为放电加工提供了可靠的工作液。

（5）独创的工作液回流装置采用三级过滤，确保工作液的清洁，从而提高了加工效率和加工精度，同时也使工作环境得到了极大的改善。

2）ACTSPARK　FW2型线切割机床软件系统

ACTSPARK　FW2机床软件系统开机界面如图13-2-22所示。FW2型机床的开机界面亦即SEDM模块手动功能界面，通过F1～F10来选择切换完成置零、找正等相应的操作。

图13-2-22　FW2系统开机界面

ACTSPARK FW2机床软件系统由SEDM 和TCAD/SCAM两部分组成。

SEDM模块是用C语言编写而成，运行于MS-DOS3.3以上版本的环境下，CPU8088以上。是一个顺序执行的单任务软件系统。属于加工控制及人机界面模块，有手动控制、自动控制以及编辑等功能。对于不同的功能模块界面均可通过F1～F10来选择切换完成相应的操作。

（1）手动功能：可以完成各种运动、参数设置及简单的直线加工等功能。

（2）自动功能：专为执行连续加工程序而设的功能。

（3）编辑功能：可对程序进行人工编辑，进行一些常用的文件管理方面的操作。还可通过RS-232C串行口与外界信息网交换数据。

TCAD是一个完备的CAD软件系统，不仅可以直接在机床上绘图，也可以通过软驱接收外部DXF格式的图形文件。SCAM是BA自主版本的CAM软件，可将TCAD产生的DXF格式的图形文件根据要求自动生成加工程序。

3）ACTSPARK　FW2机床操作步骤

（1）CAM自动编程

在开机界面按F8（CAM功能）进入图13-2-23所示线切割自动编程系统界面，在此界面按F1进入绘图界面，如图13-2-24所示。在绘图界面，按加工图纸要求绘制零件图形，在【档案】下拉菜单中选取【存档】保存图形文件，同时在【线切割】下拉菜单中选择【路径】进行加工路径设置。选择【线切割】下拉菜单中【CAM】功能回到图13-2-23所示界面。

图13-2-23　线切割自动编程系统

图13-2-24　CAD绘图界面

在图13-2-23界面中按F2进入图13-2-25所示的加工参数设置界面。在此界面选择相应的图形文件，进而设置偏置方向、条件号、偏置量。最后按F1（绘图）进入程序生成界面，如图13-2-26所示。

图13-2-25　加工参数设置界面

图13-2-26　程序生成界面

在图13-2-26中，按F3自动生成NC程序，按照系统提示按F9键输入程序名，回车保存。此时，连续按F10键回到手动功能界面，再按F10进入编辑功能界面，如图13-2-27所示。

图13-2-27　编辑界面操作工艺流程

在编辑界面下按照下图中的提示进行操作，装入相应的程序。

按F9进入自动功能界面，自动功能界面如图13-2-28所示。

在自动功能界面，打开模拟功能，仿真加工一次，确认轨迹正确。

按F10进入手动功能界面，通过找正、找中心等操作找到穿丝点。

按F9键回到自动功能界面，通过F3关闭模拟功能，即F3状态为OFF，回车，启动机床开始切割。

图13-2-28　自动功能界面

13.2.5　编程指令及程序格式

目前，数控线切割机床主要的程序格式是符合国际标准的ISO格式（即G代码形式），以及我国自行开发的3B和4B格式，下面以G代码为例进行讲解。

13.2.5.1　编程指令——ISO代码

ISO编程方式是一种通用的编程方法，这种编程方式与数控铣床有点类似，使用标准的G指令、M指令等代码。所以下面只简单介绍在数控线切割中有特殊含义的部分代码。

1）G功能

（1）G92（设置当前点坐标）

说明：设置当前电极丝位置（即穿丝点）的坐标值，G92X＿＿＿Y＿＿＿；

（2）G40、G41、G42（电极丝半径补偿，补偿也叫偏置）

G41左补偿是指加工轨迹以进给的方向为正方向，沿轮廓左侧让出一个给定的偏移量。

G42右补偿是指加工轨迹以进给的方向为正方向，沿轮廓右侧让出一个给定的偏移量。

G40取消补偿

G40、G41、G42使用结果如图13-2-29所示。

图13-2-29　半径补偿

2）M功能

M00程序暂停：暂停程序的运行，等待操作者的干预，如检验、调整、测量等。干预完毕后，按机床上的启动键即可继续执行暂停指令后面的加工程序。

M02程序结束：结束整个程序的运行，停止所有的G功能及与程序有关的一些运行开关，如冷却液开关、走丝开关等，机床处于原始禁止状态，电极丝处于当前位置。

3）T功能

T84水泵开：打开冷却液阀门开关；T85水泵关：关闭冷却液阀门开关；

T86丝筒开：控制机床走丝的开启；T87丝筒关：控制机床走丝的结束。

2.G代码程序格式

N10T84T86G90G92X＿＿＿Y＿＿＿；

N12G01X＿＿＿Y＿＿＿；

N14G02X＿＿＿Y＿＿＿I＿＿＿J＿＿＿；

……

N30G01X＿＿＿Y＿＿＿；

N35M00；

N40T85T87；

N50M02；

13.2.6　线切割加工工艺流程

鉴于线切割加工的特点及控制系统的特性，进行线切割加工，首先进行CAD设计，即对加工对象“数字化”，这是实现自动编程的必要条件，当然对于一些简单零件的加工程序可以采用手工编程的方式，而不必进行CAD设计。但所有加工都必须进行必要的工艺分析，通过分析确定切割参数，比如根据图纸要求的加工精度，确定的电极丝半径的补偿方向以及补偿值。然后，根据确定的相关参数进一步确定加工路线。这时，我们就可以编写加工程序了。工艺流程框架如图13-2-30所示。

有了加工程序，在加工之前必须进行正确性验证，即进行仿真加工。如果仿真加工正确，则可在机床和工件准备好的前提下进行操作加工。否则，根据模拟加工的失败提示返回上步进行修正，直至合格再进行操作加工。

图13-2-30　线切割工艺流程

13.2.7　线切割加工实例

零件如图13-2-31所示，要求按顺时针方向切割，暂不考虑电极丝半径的偏置，穿丝点放在O点。

13.2.7.1　程序如下

N10T84T86G90G92X0Y0；　　N12G01X0Y15；

N14G01X2Y15；　　　　　　　　N16G01X2Y32；

N18G01X24Y32；　　　　　　　　N20G03X32Y24I8J0；

N22G01X32Y2；　　　　　　　　N24G01X10Y2；

图13-2-31　零件加工轮廓

N26G01X24Y32；　　　　　　　　N28G02X2Y10I0J8；

N30G01X2Y15；　　　　　　　　N35M00；

N38G01X0Y15；　　　　　　　　　N40T85T87M02；

13.2.7.2　操作步骤

（1）开机。上电，开启微机。

（2）检查机床。仔细检查电极丝、工作液是否能正常工作，并检测电极丝的垂直度。

（3）装夹工件。通过悬臂式支撑或者桥式支撑方式装夹工件，确保整个加工面处于水平静态。

（4）输入或传输加工代码。自动生成的程序，可通过局域网调用或者U盘移动存储。

（5）启动机床控制系统。

（6）读取并模拟加工程序。

（7）设置电参数。调解脉冲电源、脉宽、脉间，电压等参数。

（8）调整工作台位置，使电极丝处于穿丝点位置，并将工作液挡板放置到位。

（9）启动“加工”键，进行加工。

（10）成品零件检测。

（11）机床清洁维护。

13.3　其他特种加工简介

13.3.1　激光加工

激光加工是一种能束加工方法，具有亮度高、方向性好和单色性好的相干光，因此在理论上可聚焦到尺寸与光的波长相近的小斑点上。焦点处的功率密度可达107～1011　W/cm2，温度可高达万度以上。激光加工就是利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和气化，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料的去除。

激光原理源于1917年爱因斯坦发表的光的受激发射理论，20世纪50年代初的量子放大器实现了通过受激发射放大微波的作用，60年代美国休斯研究所的梅曼应用了红宝石激光首次实现了振荡，取得了光放大的激光，为70年代发展激光加工奠定了基础。

产生激光束的器件称为激光器，它的种类很多，按其工作物质的不同可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器和化学激光器等5种。激光束的输出方式有脉冲、连续和巨脉冲等3种。现以固体激光器为例说明激光加工原理，如图13-3-1所示。

图13-3-1　固体激光器加工原理示意图

固体激光器由工作物质、光泵、聚光器和谐振腔组成。当工作物质受到光泵的激光后，吸收特定波长的光，在一定条件下形成工作物质中亚稳态粒子数大于低能级粒子数的状态，出现了粒子数反转的现象。此时，一旦有少量激发粒子自发辐射发出光子，即可感应所有其他激发粒子产生受激辐射跃迁，实现光放大，并通过全反射镜和部分反射镜组成的谐振腔的反馈作用产生振荡，由部分反射镜的一端输出激光，通过透镜将激光束聚焦至待加工表面上。其聚焦的光斑直径d0＝2fθ。光斑的功率密度p0＝P/f2θ2，式中P为激光功率。因此通过减小激光器发散角θ和缩短焦距f可使聚焦点更小，功率密度更强。激光加工具有以下特点：

（1）几乎对所有金属材料和非金属材料，如钢材、耐热合金、高熔点材料、陶瓷、宝石、玻璃、硬质合金和复合材料等都可加工。

（2）加工效率高，可实现高速切割和打孔，也易于实现加工自动化和柔性加工。

（3）加工作用时间短，除加工部位外，几乎不受热影响和不产生热变形。

（4）非接触加工，工件不受机械切削力，无弹性变形，能加工易变形薄板和橡胶等工件。

（5）由于激光束易实现空间控制和时间控制，能进行微细的精密图形加工。

（6）不存在工具磨损和交换问题。

（7）在大气中无能量损失，故加工系统的外围设备简单，不像电子束加工需要真空室。

（8）可以通过空气、惰性气体或光学透明介质，故可对隔离室或真空室内工件进行加工。

（9）加工时不产生振动和机械噪声。

激光加工主要应用于打孔和切割，此外还有激光划线、图形刻划、修边、动平衡校正、热处理、激光焊接和打标志等多种用途。

13.3.2　水喷射加工

水喷射加工（Water Jet Machining）又称水射流加工、水力加工或水刀加工。它是利用超高压水射流及混合于其中的磨料对各种材料进行切割、穿孔和表层材料去除等加工。其加工机理是综合了由超高速液流冲击产生的穿透割裂作用和由悬浮于液流中磨料的游离磨削作用，故称之为磨料水喷射（Abrasive Water Jet）技术，简写为AWJ技术。

20世纪50年代在前苏联已出现了利用纯水的高压射流进行煤层开采和隧道开挖的技术，但在机械加工领域直到70年代后期解决了高压喷射装置的性能和可靠性后才首先在美国的飞机和汽车行业中成功地应用于复合材料的切割和缸体毛刺的去除。由于水喷射加工具有下列优点，因而自80年代末起得到了迅速的发展。

（1）几乎适用于加工所有的材料，除钢铁、铝、铜等金属材料外，还能加工特别硬脆、柔软或因屑尘飞扬的非金属材料加工，如塑料、皮革、纸张、布匹、化纤、木材、胶合板、石棉、水泥制品、玻璃、花岗岩、大理石、陶瓷和复合材料等。

（2）切口平整、无毛边和飞刺。也可用其去除阀体、燃油装置和医疗器械中的孔缘、沟槽、螺纹、交叉孔和盲孔上的毛刺。

（3）切削时无火花，对工件不会产生任何热效应，也不会引起其表层组织的变化。这种冷加工很适于对易爆易燃物件的加工。

（4）加工清洁不产生烟尘或有毒气体，减少空气污染，提高了操作人员的安全性。

（5）减少了刀具准备、刃磨和设置刀偏量等工作，并能显著缩短安装调整时间。

上世纪90年代通过对水喷射工艺参数优化的研究和控制系统性能的改善，使其能以较高的效率和精度进行加工，其技术经济效果可与等离子和激光加工相媲美。

13.3.3　电解加工（电化学加工）

电解加工ECM（Electrochemical Machining）就是利用金属在外电场作用下的高速局部阳极溶解过程，实现金属成型加工的工艺。其原理如图13-3-2所示。

图13-3-2　电解加工原理图

1）电解加工的特点

（1）能加工各种硬度与强度的金属材料。

（2）生产率高，其加工速度约为电火花加工的5～10倍，约为机械切削加工的3～10倍。

（3）加工中无切削力，不产生残余应力、飞边与毛刺；表面质量高，Ra为1.25μm～0.2mm。

（4）加工过程中工具阴极无损耗。

2）电解加工的弱点和局限性

（1）加工稳定性不高，不易达到较高的加工精度。

（2）电解液过滤、循环装置庞大，占地面积大，电解液对设备有腐蚀作用；

（3）电解液及电解产物容易污染环境。

复习思考题

1.简述电火花线切割的加工原理。

2.简述线切割加工的工艺特点。

3.试比较电加工与金属切削加工的主要区别。

4.简述线切割加工中零件装夹特点，并列举常用的装夹方法。