第七章 数控电火花加工技术

1. 第七章 数控电火花加工技术 教学目标:掌握线切割加工的原理和特点；了解电火花线切割机床的组成；了解数字程序控制的基本原理。 本节要点 线切割原理 线切割特点 线切割机床 数字控制原理

2. 2 一、线切割加工原理和特点 1、电火花线切割加工的基本原理与电火花成 型加工一样，也是利用工具电极对工件进行脉冲 放电时产生的电腐蚀现象来进行加工的。但是， 电火花线切割加工不需要制作成型电极，而是用 运动着的金属丝（钼丝或铜丝）作电极，利用电 极丝和工件在水平面内的相对运动切割出各种形 状的工件。若使电极丝相对工件进行有规律的倾 斜运动，还可以切割出带锥度的工件。工件接在 脉冲电源的正极，电极丝接负极 。

3. 快走丝 线切割机床 加工精度可达到±0.01mm， 加工表面粗糙度 Ra1.6μm。 3

4. 慢走丝线切割机床 加工精度可达到±1.5μm， 加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm。 4

5. 线切割应用： 微细结构和复杂形状 5

6. 线切割应用： 微细结构和复杂形状 6

7. 线切割应用： 7

8. 线切割应用： 8

9. 线切割应用： 9

10. 线切割应用： 10

11. 1、数控装置 2、贮丝筒 3、导轮 4、电极丝 5、工件 6、工作液供给装置 7、工作台 8、脉冲电源 9、工作液箱 10、步进电机 2、加工过程 脉冲电源的正 极接工件，负极接 电极丝。电极丝以 一定的速度往复运 动，它不断地进入 和离开放电区。在 电极丝和工件之间 注入一定量的液体 介质。步进电机带 工作台和工件在水 平面内的相对运动， 电极丝和工件之间 发生脉冲放电，通过控制电极丝和工件之间的相对运动轨迹和进给速度，就可以切割出具有一定形状和尺寸的工件。 11

12. 运丝 脉冲 变频 机床 自动 数控装置 功放 步进电机 零件工艺分析 编程 手工 线切割加工过程： 对零件工艺分析后可用软件自动编程或手工编程，程序输入数控装置后通过功放自动控制步进电机，带动机床工作台和工件相对电极丝沿X、Y方向移动，完成平面形状的加工。数控装置自动控制工件和电极丝之间的相对运动轨迹的同时，检测到的放电间隙大小和放电状态信息经变频后反馈给数装置来控制进给速度，使进给速度与工件材料的蚀除速度相平衡，维持正常的稳定加工。 12

13. 3、线切割加工特点 ①与电火花成型相比不需要制作电极；(生产准备时间短) ②电极丝沿长度方向运动，加工中损耗少，加工精度高。(快走丝用的钼丝可重复使用。） ③能加工精密、形状复杂而细小的内、外形面，以及高熔点、高硬度难切削的材料。（只能加工导电材料） ④加工效率高，材料利用率高，成本低。 ⑤自动化程度高，操作方便。 ⑥不能加工母线不是直线的表面和盲孔。 13

14. 二、数控电火花线切割加工机床 电火花线切割机床是电火花加工机床的一种，根据走丝速度和加工精度不同，分快走丝和慢走丝二种。 快走丝：0.08～0.22mm的钼丝作电极，往复循环使用， 走丝速度为8～10m/s，加工精度为±0.01mm 表面粗糙度Ra1.6 ~6.3µm 。工作液为乳化液， 如：DX-1、TM-1、502型 。 慢走丝:走丝速度是3～12m/min，电极丝广泛使用铜丝， 单向移动，电极丝只使用一次，不重复使用。 能自动穿电极丝和生动卸除加工废料，实现无人操作。 加工精度可达到±0.001mm， 表面粗糙度为Ra1.6~6.3µm 。价格比快走丝高。 工作液为去离子水 。 14

15. 线切割机床由脉冲电源、机床本体、控制系统和工作液循环系统四大部分组成。线切割机床由脉冲电源、机床本体、控制系统和工作液循环系统四大部分组成。 (一)脉冲电源 线切割机床的脉冲电源采用小功率、窄脉冲、高频率、大峰值电流的高频脉冲电源。 一般电源的电规准有几个档，以调整脉冲宽度和脉冲间隙时间，满足不同加工要求。 (二)机床本体 机床本体包括：床身、坐标工作台、走丝机构组成。 1、床身 床身一般为铸件，是坐标工作台、走丝机构的固定基础。床身内部安置脉冲电源和工作液箱。考虑电源会发热和工作液泵有振动，有些机床将脉冲电源和工作液箱移出床身另行安放。 15

16. 工作台传动原理 2、坐标工作台 坐标工作台安置在床面上，包括上层工作台面、中层中拖板、下层底座，还有减速齿轮和丝杠螺母等构件。两个步进电动机经过齿轮减速， 带动丝杠螺母，从而 驱动工作台在XY平面 上移动。控制器每发出 一个进给脉冲信号，工 作台就移动lμm，则称 该机床的脉冲当量为 1μm/脉冲。 16

17. 走丝机构传动原理 3、走丝机构 快走丝机构的作用是保证电极丝能进行往复循环的高速运行，由电动机传动储丝筒作高速正反向转动。通过齿轮副传动走丝机构拖板的丝杠螺母，使电极丝均匀地卷绕在储丝筒上。 储丝筒在旋转的同时，做轴向移动，轴向移动应大于电极丝直径，使电极丝整齐排列在贮丝筒上。 快速走丝 能较好 地将电蚀屑排出加工 区，提高加工速度。 电极丝换向时的减速 和加速过程中，放电 和进给必须停止。否 则会出现断丝。由于 电极丝换向时的抖动 和反向停顿，使加工 表面出现凹凸不平的条纹。 17

18. 慢走丝机构,走丝速度在3~12m/s左右，电极丝多采用成卷的黄铜丝或镀锌黄铜丝，工作时单向运行，经放电加工后不再使用，电极丝的张力可调节。慢走丝机构,走丝速度在3~12m/s左右，电极丝多采用成卷的黄铜丝或镀锌黄铜丝，工作时单向运行，经放电加工后不再使用，电极丝的张力可调节。 特点：电极丝只用一次，工作平稳、均匀、抖动小、加工质量好，但加工速度低，加工成本高。 对于能割斜度的走丝机构，通过电极丝上导轮在纵、横两个方向的偏移，使电极丝倾斜，可加工带锥度的工件。 上导轮和工作台分别由四个步进电机驱动，由计算机同时控制。 18

19. （三）控制系统 作用：按程序自动控制电极丝和工件之间的相对运动轨迹和进给速度，完成对工件的加工。同时，根据放电间隙大小和放电状态，使进给速度和工件的蚀除速度相平衡，维持正常的稳定加工。 （四）工作液循环系统 快走丝用的工作液是乳化液，慢走丝用的工作液是去离子水。去离子水是通过离子交换树脂净化器将水中的离子去除，并通过电阻率控制装置，控制去离子水的电阻率。 工作液循环系统的作用： 与电火花成形相同，主要是及时排除电蚀产物，对工件和电极丝进行冷却。 19

20. 二、数字程序的基本控制原理 线切割加工时，数控装置连续运算，并向驱动机床工作台的步进电机发出相互协调的进给脉冲，使工作台(工件)按指定的路线运动。 斜线(直线)OA的插补过程。O点为切割的起点，X、Y轴分别表示工作台的纵、横进给方向。取斜线的起点O为坐标原点，OA终点的坐标为(6，4)。 先从坐标原点O沿X轴正向进给 一步，加工点(电极丝)由O移动到M1，M1点在OA的下方 已偏离斜线，产生了偏差。为使加工点向OA靠拢，需沿Y轴正向进给一步，加工点由M1移动到M2。M2点在OA的上方，也偏离了斜线，产生了新的偏差。为了纠正这个偏差，应沿X轴正向进给一步。如此连续插补，直到斜线终点A(6，4)。 20

21. 二、数字程序的基本控制原理 电极丝相对工件的运动轨迹是折线O—M1— M2—…—A。 斜线(直线)插补就是用上述折线代替直线OA，完成对斜线的加工。 逐点比较法：加工过程中，工作台每进给一步，都要比较一下加工点与规定图形的位置，逐步逼近加工图形的控制方法。 圆弧AB的插补过程。 取圆心为坐标原点，用X、Y轴表示机床工作台的纵、横进给方向。以A点为加工起点。若加工点在圆弧外(包括在圆弧上的点)，沿X轴负向进，给一步，加工点在圆弧内，沿Y轴正向进给一步，一直插补到圆弧终点B。和斜线插补一样，也是用一条折线代替圆弧AB。 21

22. 工作节拍方框图 二、数字程序的基本控制原理 为什么可用折线代替斜线和圆弧呢？ 因为控制台每发出一个进给脉冲，工作台进给的一步距离仅为1μm，斜线和圆弧与折线的最大偏差就是工作台进给一步的距离。这个误差是工件尺寸精度所允许的。 从斜线和圆弧插补过程可以看出，工作台的进给是步进的。它每走一步机床数控装置都要自动完成四个工作节拍。 22

23. (1)偏差判别 判别加工点对规定图形的偏离位置，以决定工作台的走向。 (2)工作台进给 根据判断的结果，控制工作台在X或Y方向进给一步，以使加工点向规定图形靠拢。 (3)偏差计算 在加工过程中，工作台每进给一步，都由机床的数控装置根据数控程序计算出新的加工点与规定图形之间的偏差，作为下一步判断的依据。 (4)终点判断 每当进给一步并完成偏差计算之后，应判断是否已加工到图形的终点，若加工点已到终点，便停止加工。否则，应按加工节拍继续加工，直到终点为止。 23

24. 计算机是如何判断加工点对规定图形的偏差的？计算机是如何判断加工点对规定图形的偏差的？ 对于直线：以起点为坐标原点 用F=xey-xye来表示偏差的大小，直线终点坐标为（xe ，ye），当F≥0时，X轴正方向进给一步；当F＜0时， Y轴正方向进给一步。 对于圆弧：以圆心为坐标原点 用F=x2+y2-R2来表示偏差的大小，当F≥0时，X轴正方向进给一步；当F＜0时， Y轴正方向进给一步。 计算机用递法进行偏差计算。即每进给一步，用前一步的偏差来推算新加工点的偏差。 24

25. 计算机是如何进行终点判断的？ 通过控制线段从起点加工到终点时，工作台在X或Y方向 上的进给总长度Gx或Gy来进行终点判断的。 在数控装置中设立了一个计数器来进行计数。在加工前将X或Y方向上进给的总长度存入计数器，加工过程中工作台在计数方向上每进给一步，计数器就减去1，当计数器中存入的数值被减到零时，表示已切割到终点，加工结束。 计数方向是否可任选呢？ 如图所示，应选X方向计数Gx=6步 若选Y方向计数Gy=4步，加工完M8就停止加工，X方向少走一步。 为防止漏走，应取投影长度大的方向作计数方向。 25

26. 三、3B格式程序编制 数控程序就是用来控制机床，使机床按照预定要求进行切割加工。变换成机器可以接受的指令码，这个全过程称为程序的编制。 3B格式是数控线切割机床所用的程序之一。 3B格式程序是按电极丝中心轨迹编程，编程时，工件尺寸要换算成电极丝中心轨迹。 （一）程序格式(无间隙补偿) 26

27. 三、3B格式程序编制 步骤： 1、计算补偿量和轨迹图。 2、计算直线终点相对坐标；计算圆弧起点和终点相对圆心坐标。 3、根据终点坐标确定计数方向和计数长度。 4、根据直线终点位置和圆弧起点位置确定加工指令。 27

28. 1．分隔符号B用来将X、Y、J的数码分开，利于控1．分隔符号B用来将X、Y、J的数码分开，利于控 制装置识别。 2．坐标值X、Y即X、Y相对坐标的绝对值，单位µm 坐标原点为线段起点，X、Y分别取线段在对应方向上的增量，即该线段在相对坐标系中的终点坐标的绝对值。X、Y允许取比值，若X或Y为零时，X、Y值均可不写，但分隔符号保留。例如 B2000B0B2000GxL1 可写为BBB2000GxL1。 直线 坐标原点为圆心，X、Y取圆弧起点坐标的绝对值，但不允许 取比值。 圆弧 28

29. 3．计数方向GGx —取X方向进给总长度计数 GY——取Y方向进给总长度计数 直线： 用线段的终点坐标的绝对值进行比较，哪个方向数值大，就取该方向作为计数方向。即： |Y|> |X|时，取GY； |Y|< |X|时，取Gx； |Y|=|X|时，取Gx或GY，有些机床对此专门规定。 29

30. 3．计数方向GGx —取X方向进给总长度计数 GY——取Y方向进给总长度计数 圆弧： 根据终点坐标的绝对值，哪个方向数值小，就取该方向为计数方向。 与直线相反。即： |Y|< |X|时，取GY； |Y|>|X|时，取Gx； |Y|=|X|时，取Gx或GY，有些机床对此专门规定。 ±45°线以内的直线取Gx 圆弧终点在±45°线以内的取Gy 30

31. R= =5mm R5 4．计数长度J 根据计数方向，选取直线或圆弧在该方向上的投影总和（绝对值），单位µm 终点坐标Y 绝对值较小 Y方向投影较长 直线AB： 取 GY 圆弧CD： 取GY J=3000 µm 31

32. 逆时针方向切割 顺时针方向切割 5．加工指令Z根据被加工图形的形状，所在象限和走向等确定。控制台根据这些指令，进行偏差计算，控制进给方向。 直线加工指令有：L1、L2、L3、L4 顺时针方向加工圆弧加工指令有：SR1、SR2、SR3、SR4 逆时针方向加工圆弧加工指令有：NR1、NR2、NR3、NR4 圆弧 直线 加工指令Z ：看走向，看起点象限或即将进入的象限（轴上的点）。 加工指令Z ：看终点象限轴上的点看方向。 32

33. 3B格式编程实例 Y轴投影较长，取Gy 终点在第二象限取L2 终点在X轴反方向 取GxL3 坐标值取绝对值 B2000 B3000 B3000 Gy L2 B2 B3 B3000 Gy L2 B13500B0B13500GxL3，或BBB13500GxL3 X和 Y同时按比例缩放 轴上的点只写分隔符号 33

34. R5 3B格式编程实例 J1=3+5 =8mm J2=4+5=9mm 顺时针切割SR 终点坐标绝对值小的方向为计数数方向 取起点坐标绝对值 B3000 B4000 B17000 Gy SR3 起点在第三象限 总计数长度J1+J2 34

35. 例题：加工圆弧AB • 由终点坐标B（2，-9）判断 |Y|>|X|，计数方向取Gx； 2）圆弧半径： 计数长度： • 加工指令Z取SR3（起点在第三象限，顺时针切割） • 4) 程序B9000 B2000 B25880 Gx SR3 起点坐标绝对值 35

36. 电极丝 中心轨迹 凸模 凹模 （二）间隙补偿 实际编程时，通常不是编工件轮廓线的程序，应该编切割时电极丝中心所走的轨迹的程序，即还应该考虑电极丝的半径和电极丝至工件间的放电间隙。 间隙补偿量 ：△R=电极丝半径r+放电间隙δ 36

37. 以凹模尺寸为基准编程时的补偿量 （1）切割凹模或样板零件向内偏 ： △R=r+δ （2）切割凸模时由凹模尺寸向外偏 ： △R=r+δ-Z/2 （3）切割固定板时由凹模尺寸向内偏 ： △R=r+δ+Z/2 （4）切割卸料板时由凹模尺寸向内偏 ： △R=r+δ+Z/2-Δ/2 式中 Δ 为卸料板与凸模的双边间隙,一般取0.2mm。 37

38. （三）编程步骤 在编程前应了解数控线切割机床的规格及主要技术参数，数控装置的功能及适应程序代码格式。 1．正确选择穿丝孔和电极丝切入位置 穿丝孔是电极丝加工的起点，也是程序的原点，O点为穿丝孔。一般选工件的基准点附近。红色所示为待线割的孔。 穿丝孔到工件之间有一条引入线段，如OA段，称为引入程序段。在手工编程时，应减去一个间隙补偿量△R ，从而保证图形位置的准确性，防止过切。 38

39. 2．计算间隙补偿量△R 。 3．确定加工路线 根据工件的装夹情况，建立坐标系。选择正确的加工路线能减小工件的变形，保证加工精度。 4．求加工轨迹各线段的各交点相对坐标值 将图形分割成若干条单一的直线或圆弧，按图纸尺寸 （平均尺寸）求出加工轨迹各线段的交点的相对坐标值。 5．编制程序 6．程序检验 空运行，即将程序输入数控装置后空走，检查机床的回零误差。 39

40. 加工轨迹图形 （四）编程实例 例1 如图所示的加工轨迹，它由三条直线段和一段圆弧组成，所以要分成四段来编程序。 (1)加工直线段AB，以起点A为坐标原点， AB与X轴重合，程序为：BBB40000GXLl (2)加工斜线段BC，应以B点为坐标原点， 则C点对B点的坐标为X=10 mm，Y=90 mm， 程序为： B1 B9B90000GYL1 (3)加工圆弧CD，以该圆弧圆心O为坐标原 点，经计算圆弧起点C对O的坐标为X=30 mm，Y=40 mm，起点在第一象限，逆时针加工，程序为：30000B140000B60000GxNR1 (4)加工斜线DA，以D为坐标原点，终点A对D的坐标为X=l0mm，Y=-90mm，终点在第四象限，程序为：B1 B9B90000GYL4

41. 编程举例 编制如图所示凸凹模（图中尺寸为计算后的平均尺寸）的数控线切割程序。电极丝为的钼丝Φ0.18mm，单边放电间隙为0.01mm。 41

42. 算出电极丝中心轨迹 ①建立坐标系，确定 穿丝孔位置。 切割凸凹模时， 加工顺序应先内后外， 选取Φ20圆的圆心Ｏ， 其中穿丝孔位置分别 是O点和B点（0，-30）。 ②确定补偿量 △R=0.18/2+0.01=0.10mm ③计算电极丝中心轨迹交点相对坐标 O为原点：A′(9.9，0）、B (0，-30）； C′(0，-25.1)； F′(8.49，23.621） B为原点：C′(0，4.9)； C′为原点：D′(60.1，0) D′为原点： E′(0，35.17)； E′为原点: F′(-51.61，18.551） 42

43. ④编写程序 直线段OA和BC段为引导程序段，需减去补偿量0.10mm。其余线段和圆弧按考虑间隙补偿后的轨迹编程。 先切割内孔，从圆心空走到外形B处，再按顺序切割。 加工顺序为： O→A′→A′→O→B→C′→D′→E′→F′→C′

44. 加工顺序为：O→A′→A′→O→B→C′→D′→E′→F′→C′加工顺序为：O→A′→A′→O→B→C′→D′→E′→F′→C′ 3B格式程序 B B B009900 Gx L1 穿丝切割，OA′段 B9900 B B039600 Gy NR1 内孔加工 B B B009900 Gx L3 A′O段 D 拆丝 B B B030000 Gy L4 空走OB段 D 装丝 B B B004900 Gy L2 BC′段 B B B060100 Gx L1 C′D′段 B B B030170 GY L2 D′E ′段 B51610 B18551 B051610 Gx L2 EF段 B8490 B23621 B058690 Gx NR1 FC段 DD 结束

45. 四、4B格式程序编制 对有间隙补偿功能的数控系统，采用4B格式直接按工件尺寸编程，间隙补偿单独输入数控系统。 特点：①一个程序可加工多个零件。 只要编制一个零件的程序，通过输入不同的补偿间隙，就可加工与之相配合的若干相关零件，如凹模、凸模、固定板、卸料板可用同一程序加工。不仅减少了编程工作量，而且能使配合间隙均匀。 ②编程时，工件尖角处要加R0.1的过渡圆弧。 沿加工图线的法线方向引入到加工位置，不加过渡圆弧。 ③程序中要有圆弧半径和曲线凹凸形式。 4B格式比3B格式多圆弧半径和曲线凹凸形式，对于直线，两种格式相同。

46. 四、4B格式程序编制 程序格式 1．R为圆弧半径 若加工图形中出现尖角时，取R0.1mm的圆弧过渡。 2．D或DD（曲线形式，对凸模来说，凸出或凹入） 凸圆弧用D表示，凸模补偿后半径加大； 凸模加工正补偿，凹模加工负补偿。 凹圆弧用DD表示，凸模补偿后半径减小。 凸模加工负补偿，凹模加工正补偿。

47. 编写4B格式程序 ： O→A→A→O→B→C→D→E→F→C B B B010000 Gx L1 穿丝切割，OA段 B10000 B B040000 B1000 Gy D NR1 内孔加工 B B B010000 Gx L3 AO段 D 拆丝 B B B030000 Gy L4 空走OB段 D 装丝 B B B005000 Gy L2 BC段 B B B059000 Gx L1 CD段 B B100 B0000100 B100 GY D NR4 D点过渡 B B B0297300 GY L2 DE 段 B100 B B000066 B100 GX D NR1 E点过渡 B51478 B18502 B051478 Gx L2 EF段 B8456 B23526 B058456 B2500 Gx D NR1 FC段 DD 结束

48. 五、ISO代码数控程序编制 ISO代码进行数控编程是电加工控制发展的必然趋势。目前，部分厂家采用3B、4B和ISO并存的方式作为过渡。 （一）程序段格式和程序格式 P10 N01 G92 XO YO N02 G01 X5000 Y5000 N03 G01 X2500 Y5000 N04 G01 X2500 Y2500 N05 G01 XO YO N06 M02 程序名 字母和数字 程序主体 由若干个程序段组成 程序结束指令

49. 程序段格式 N02 G01 X5000 Y5000 尺寸字 电极丝运动坐标位置，X、Y、U、V、A、I、J等，后续数字为整数，单位µm,正、负号。 加工指令G其后续有两位正整数， 如G00～G99。 顺序号字 程序段的序号，N后续数字2～4位。如N03、N0010。

50. （二）ISO代码及其编程 常用ISO指令代码 1．G00 为快速定位指令 在线切割不加工情况下，使指定的某轴以最快速度移动到指令位置 书写格式：G00 X__ Y__ 例 如：G00 X60000 Y80000 注意：如果程序中指定了G01、G02指令，则G00无效