[科普中国]-线切割机床

线切割机床（Wire cut Electrical Discharge Machining简称WEDM），属电加工范畴，线切割机也于1960年发明于前苏联，其基本物理原理是自由正离子和电子在场中积累，很快形成一个被电离的导电通道。

线切割机床是由前苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法。

概述在这个阶段，两板间形成电流。导致粒子间发生无数次碰撞，形成一个等离子区，并很快升高到8000到12000度的高温，在两导体表面瞬间熔化一些材料，同时，由于电极和电介液的汽化，形成一个气泡，并且它的压力规则上升直到非常高。然后电流中断，温度突然降低，引起气泡内向爆炸，产生的动力把熔化的物质抛出弹坑，然后被腐蚀的材料在电介液中重新凝结成小的球体，并被电介液排走。然后通过NC控制的监测和管控，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而使工件被加工，使之成为合乎要求尺寸精度及形状精度的产品。电火花线切割机按走丝速度可分为高速往复走丝电火花线切割机（Reciprocating type High Speed Wire cut Electrical Discharge Machining俗称“线切割机床”）、低速单向走丝电火花线切割机（Low Speed one-way walk Wire cut Electrical Discharge Machining俗称“慢走丝”）和立式自旋转电火花线切割机（Vertical Wire Electrical Discharge Machining machine tool With Rotation Wire）三类。又可按工作台形式分成单立柱十字工作台型和双立柱型（俗称龙门型）1。

历程控制系统自20世纪60年代后期至70年代中期，我国高速走丝线切割机床的数控系统专用工控机，采用晶体管分立元件组成门电路，再由门电路组成寄存器、输入控制器、运算器、输出控制器等，加工程序则通过扳键开关手工输入，或通过光电阅读机从穿孔纸带读入，采用辉光数码管和氖灯显示计数长度以及X、Y坐标值（二进制）。进入20世纪70年代后期，数控系统已过渡到以中、大规模集成电路芯片为主的电路。基本原理和结构虽然未改变，但功能得到加强，可靠性也提高了。它的输入仍然有手工输入（扳键或按键）和纸带输入（电报机头）两种方式，指示有荧光数码管和发光二极管形式。该类产品一直到80年代末都在使用。随着单板微型计算机（将CPU、RAM、ROM、输入输出接口装在一块印制电路板上的计算机，简称单板机）的出现，高速走丝线切割机控制器大量使用以Z-80为微机处理器的单板机，真正实现了功能强、价格的目标。对于简易数控系统来说，这是一个辉煌的时期，在其它相关行业的发展促进下，使数控高速电火花线切割机得到了迅速的普及。

到20世纪90年代，数控系统以8051系列单片机的控制器都具有图形缩放、齿隙补偿、短路回退、断丝保护、停电记忆、自动对中、加工结束自动停机等功能，并有锥度切割功能。带显示器的编程、控制一体机也已开始使用，只是所编制的程序，不能直接传输到其它控制台上，但有配备打印机、纸带穿孔机等外部设备，而且也只能控制单台机床。随着计算机的迅速发展和普及，采用台式微型计算机（包括工控机），能够控制分别独立工作的几台机床。在允许数量范围内，增加机床只需增加控制卡。各机床的工作状态，可通过切换画面分别监视。这样不仅节约了控制系统的成本，又利用了计算机强大的数据存取能力。自动编程系统功能在不断增强，编程方式也多种多样，有指令输入、作图法、扫描法、CAD文档转换等，还可通过U盘、网络等接口、通信进行数据交换。避免了手工输入程序、绘图低效率和带来的差错。

快走丝线切割技术的发展已走向明朗化，在保持往复走丝线切割优点的基础上，不断的探索和研究，把新的理论、新的方法，应用到新的系统中。新一代控制系统将会更稳定、更实用、更简单、更方便。

机床组成数控线切割机床由机械、电气和工作液系统三大部分组成。

机械线切割机床机械部分是基础，其精度直接影响到机床的工作精度，也影响到电气性能的充分发挥。机械系统由机床床身、坐标工作台、运丝机构、线架机构、锥度机构、润滑系统等组成。机床床身通常为箱式结构，是提供各部件的安装平台，而且与机床精度密切相关。坐标工作台通常由十字拖板、滚动导轨、丝杆运动副、齿轮传动机构等部分组成。主要是与电极丝之间的相对运动，来完成对工件的加工。运丝机构是由储丝筒、电动机、齿轮副、传动机构、换向装置和绝缘件等部分组成，电动机和储丝筒连轴连接转动，用来带动电极丝按一定线速度移动，并将电极丝整齐地排绕在储丝筒上。线架分单立柱悬臂式和双立柱龙门式。单立柱悬臂式分上下臂，一般下臂是固定的，上臂可升降移动，导轮安装在线架上，用来支撑电机丝。锥度机构可分摇摆式和十字拖板式结构，摇摆式是上下臂通过杠杆转动来完成，一般用在大锥度机。十字拖板型通过移动使电极丝伸缩来完成，一般适用在小锥度机。润滑系统用来缓解机件磨损、提高机械效率、减轻功率损耗。可起到冷却、缓蚀、吸振、减小噪音之作用。

电气电气部分包括机床电路、脉冲电源、驱动电源和控制系统等组成。机床电路主要控制运丝电动机和工作液泵的运行，使电极丝对工件能连续切割。脉冲电源提供电极丝与工件之间的火花放电能量，用以切割工件。驱动电源也叫驱动电路，由脉冲分配器、功率放大电路、电源电路、预放电路和其它控制电路组成。是提供电源给步进电机供电的专用电源，用来实现对步进电机的控制。控制系统主要是控制工作台拖板的运动（轨迹控制）和脉冲电源的放电（加工控制）。

工作液系统工作液系统一般由工作液箱、工作液泵、进液管、回液管、流量控制阀、过滤网罩或过滤芯等组成。主要作用是集中放电能量、带走放电热量以冷却电极丝和工件、排除电蚀产物等。

加工原理（1）线切割——数控电火花线切割加工的简称。

（2）工作原理：利用移动的金属丝作工具电极，并在金属丝和工件间通以脉冲电流，利用脉冲放电的腐蚀作用对工件进行切割加工的。

（3）由于它利用的是丝电极，因此，只能作轮廓切割加工。

（4）工作原理如图2所示。

图2 线切割机床的加工原理

1－－数控装置 ；2－－储丝简； 3－－导轮 ；4－－电极丝 ；5－－工件 ；6－－喷嘴；

7－－绝缘板 ；8－－脉冲发生器； 9－－液压泵； 10－－水箱； 11－－控制步进电动机；

（5）当工件与线电极间的间隙足以被脉冲电压击穿时，两者之间即产生火花放电而切割工件。

（6）通过数控装置l发出的指令，控制步进电动机11，驱动X、Y两托板移动，可加工出任意曲线轮廓的工件1。

机床分类切割机床电火花线切割的走丝速度为6～12mm/s，是我国独创的机种。自1970年9月由第三机械工业部所属国营长风机械总厂研制成功“数字程序自动控制线切割机床”，为该类机床国内首创。1972年第三机械工业部对工厂生产的CKX数控线切割机床进行技术鉴定，认为已经达到当时国内先进水平。1973年按照第三机械工业部的决定，编号为CKX — 1的数控线切割机床开始投入批量生产。1981年9月成功研制出具有锥度切割功能的DK3220型的坐标数控机，产品的最大特点是具有1.5度锥度切割功能。完成了线切割机床的重大技术改进。随着大锥度切割技术逐步完善，变锥度、上下异形的切割加工也取得了很大的进步。大厚度切割技术的突破，横剖面及纵剖面精度有了较大提高，加工厚度可超过1000mm以上。使往复走丝线切割机床更具有一定的优势。同时满足了国内外客户的需求。这类机床的数量正以较快的速度增长，由原来年产量2~3千台上升到年产量数万台，全国往复走丝线切割机床的存量已达20余万台，应用于各类中低档模具制造和特殊零件加工，成为我国数控机床中应用最广泛的机种之一。但由于往复走丝线切割机床不能对电极丝实施恒张力控制，故电极丝抖动大，在加工过程中易断丝。由于电级丝是往复使用，所以会造成电极丝损耗，加工精度和表面质量降低。

低速走丝线切割机电极丝以铜线作为工具电极，一般以低于0.2mm/s的速度作单向运动，在铜线与铜、钢或超硬合金等被加工物材料之间施加60~300V的脉冲电压，并保持5~50um间隙，间隙中充满脱离子水(接近蒸馏水)等绝缘介质，使电极与被加工物之间发生火花放电，并彼此被消耗、腐蚀，在工件表面上电蚀出无数的小坑，通过NC控制的监测和管控。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。由于机床结构精密，技术含量高，机床价格高，因此使用成本也高。

单向走丝电火花线切割机床早期只有国外公司的独有机种。台湾的低速走丝电火花线切割机起步虽然较晚，但这几年来发展迅速。其关键的一个举措就是由若干家电加工机床制造企业共同出资，在有关部门一定限度的支持下，由台湾工业技术研究院投入大量的人力、物力做关键技术的开发。经过10多年的攻关，在控制系统及电源等关键技术上取得了突破。台湾各企业制造的低速走丝电火花线切割机应属中档机的范围，近3年每年达到20%～30%的增长率，估计未来5年，台湾低速走丝电火花线切割机的年产量能达2000台，可占世界市场的25%以上。低速走丝电火花线切割机的技术含量高、市场前景好，可以获得较高的回报，是电加工行业各个厂家的“必争之地”、“战略高地”。也可以说，谁掌握了低速走丝电火花线切割机的技术，谁就获得了下一步企业发展壮大的机遇。为了抢占中国市场，日本、瑞士、台湾的电加工机床制造企业在中国大陆设厂生产这类机床。我国的科技工作者在科技部专项基金的支持下，投入了较大的研发力量，已完成新一代低速走丝电火花线切割机的研发，取得了重大突破，已拥有了具有自主知识产权的产品，并占领了一定的市场份额，其性能指标可达中档机水平。还有一些国内企业则希望通过与台湾相关企业的合作，来发展低速走丝电火花线切割加工技术。

线切割机（卧式自旋转电火花线切割机）。立式回转电火花线切割机的特点与传统的高速走丝和低速走丝电火花线切割加工均有不同，首先是电极丝的运动方式比传统两种的电火花线切割加工多了一个电极丝的回转运动；其次，电极丝走丝速度介于高速走丝和低速走丝直接，速度为1～2m/s。由于加工过程中电极丝增加了旋转运动，所以立式回旋电火花线切割机与其他类型线切割机相比，最大的区别在于走丝系统。立式回转电火花线切割机的走丝系统由走丝端和放丝端两套结构完全相同的两端做为走丝结构，实现了电极丝的高速旋转运动和低速走丝的复合运动。两套主轴头之间的区域为有效加工区域。除走丝系统外，机床其他组成部分与高速走丝线切割机相同。

与单向低速走丝电火花线切割机床相比

往复高速走丝电火花线切割机床在平均生产率、切割精度及表面粗糙度等关键技术指标上还存在较大差距。针对这些差距，本世纪初，国内有数家高速往复走丝电火花线切割机生产企业实现了在高速走丝机上的多次切割加工（该类机床被俗称为“中走丝” Medium Speed Wire cut Electrical Discharge Machining）。所谓“中走丝”并非指走丝速度介于高速与低速之间，而是复合走丝线切割机床，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。因而可以说，用户所说的“中走丝”，实际上是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。经过几年的发展，国内几乎所有生产高速走丝电火花线切割机床的厂家都在生产及销售中走丝，但最终表明不是所有的往复走丝电火花线切割机都能进行多次切割，或者说不是所有的往复走丝电火花线切割机采用多次切割技术后都能获得好的工艺效果。多次切割是一项综合性的技术，它涉及到机床的数控精度、脉冲电源、工艺数据库、走丝系统、工作液及大量的工艺问题，并不是简单地在高速走丝机上加上一套运丝变频调速系统即可实现的，只有那些制造精度高，并在诸方面创造了多次切割条件的往复走丝电火花线切割机才能进行多次切割和无条纹切割，并获得显著的工艺效果。因此我们的生产企业必须充分注意到这个问题，一定要按系统工程来做，真正把这一技术用好，把这一产品做好。如已有一些企业为进一步提高机床本体精度，X、Y坐标工作台采用了直流或交流伺服电机作驱动单元直接驱动滚珠丝杠，同时采用了带螺距补偿功能的全闭环控制，可以利用数控系统对机床的定位精度误差进行补偿和修正。在保证精度的前提下，减小因长期使用而导致的加工精度下降，延长机床的使用寿命。运丝系统方面采用特殊（大多数采用金刚石）电极丝保持器，保持电极丝的相对稳定，减小加工过程中电极丝的张力变化。冷却系统方面改变常用的粗放冷却方式，采取多级过滤并对介电常数等关键参数加以控制，确保精加工的顺利进行。控制软件方面提供开放的加工参数数据库，可以根据材料的质地、厚度、粗糙度等条件选择对应的加工参数。相信经过我们的努力，多次切割技术将会更加完善，往复走丝电火花线切割加工技术也将得到更好的应用和发展。

节能改造SAJ线切割机床专用变频器特点：

■低频转矩输出180% ，低频运行特性良好

■输出频率最大600Hz，可控制高速电机

■全方位的侦测保护功能(过压、欠压、过载)瞬间停电再起动

■加速、减速、动转中失速防止等保护功能

■电机动态参数自动识别功能，保证系统的稳定性和精确性

■高速停机时响应快

■丰富灵活的输入、输出接口和控制方式，通用性强

■采用SMT全贴装生产及三防漆处理工艺，产品稳定度高

■全系列采用最新西门子IGBT功率器件，确保品质的高质量

操作规程1．检查电路系统的开关旋钮，开启交流稳压电源，先开电源开关，后开高压开关，5分钟后，方可与负线连接。

2．控制台在开启电源开关后，应先检查稳压电源的输出数据及氖灯数码管是否正常，输入信息约5分钟，进行试运算，正常后，方可加工。

3．线切割高频电源开关加工前应放在关断位置，在钼丝运转情况下，方可开启高频电源，并应保持在60～80伏为宜。停车前应先关闭高频电源。

4．切割加工时，应加冷却液。钼丝接触工件时，应检查高频电源的电压与电液值是否正常，切不可在拉弧情况下加工。

5．发生故障，应立即关闭高频电源，分析原因，电箱内不准放入其它物品，尤其金属器材。

6．禁止用手或导体接触电极丝或工件。也不准用湿手接触开关或其它电器部分2。

安全指导1、操作者必须熟悉机床的性能与结构，掌握操作程序，严格遵守安全守则和操作维护规程。

2、非指定人员不得随便动用设备，室内有安全防火措施。

3、开动机床前应先做好下列工作：

1)检查机床各部是否完好，定期调整水平。按润滑规定加足润滑油和在工作液箱盛满皂化油水液，并保持清洁，检查各管道接头是否牢。

2)检查机床与控制箱的连线是否接好，输入信号是否与拖板移动方向一致，并将高频脉冲电源调好。

3)检查工作台纵横向行程是否灵活，滚珠筒拖板往复移动是否灵活，并将滚丝筒拖板移至行程开关在两档板的中间位置。行程开关挡块要调在需要的范围内，以免开机时滚丝筒拖板冲出造成脱丝，关滚丝筒电机必须在滚丝筒移动到中间位置时，才能关闭电源，切勿将要换向时关闭。以免惯性作用使滚丝筒拖板移动而冲断钼丝，甚至丝杆螺母脱丝。上述检查无误后，方可开机。

4)安装工件，将需切割的工件置于安装台用压板螺丝固定，在切割整个型腔时，工件和安装台不能碰着线架，如切割凹模，则应在安装钼丝穿过工件上的预留孔，经找正后才能切割。

5)切割工件时，先启动滚丝筒，揿走丝按钮，待导轮转动后再启动工作液电机，打开工作液阀。如在切割途中停车或加工完毕停机时，必须先关变频，切断高频电源，再关工作液泵，待导轮上工作液甩掉后，最后关断滚丝筒电机。

6)工作液应保持清洁，管道畅通，为减少工作液中的电蚀物，可在工作台及回水槽和工作液箱内放置泡沫塑料进行过滤，并定期洗清工作液箱、过滤器，更换工作液。

7)经常保持工作台拖板、滚珠丝杆及滚动导轨的清洁，切勿使灰尘等进入，以免影响运动精度。

8)如滚丝筒在换向时有抖丝或振动情况，应立即停止使用，检查有关零件是否松动，并及时调整

9)每周应有1-2次用煤油射入导轮轴承内，以保持清洁和使用寿命。

10)要特别注意对控制台装置的精心维护，保持清洁。

11)操作者不得乱动电气元件及控制台装置，发现问题应立即停机，通知维修人员检修。

12)工作结束或下班时要切断电源，擦拭机床及控制的全部装置，保持整洁，最好用罩将计算机全部盖好，清扫工作场地(要避免灰尘飞扬)特别是机床的导轨滑动面擦干净，并加好油认真做好交接班及运行记录。

线切割保养要点及注意事项1、 操作者必须熟悉线床的操作技术，开机前应按设备润滑要求，对机床有关部位注油润滑（润滑油必须符合机床说明书的要求）。

2、 操作者必须熟悉线切割加工工艺，恰当的选取加工参数，按元宝操作顺序操作，防止造成断丝等故障。

3、 用手摇柄作储丝筒后，应及时摇柄拔出，防止储丝筒转动时将摇柄甩出伤人。装卸电极丝时，注意防止电极线扎手。换下来的废丝要放在元宝的窗口内，防止混入电路和走丝系统中造成电器短路、触电和断丝等事故。注意防止因丝筒惯性造成断丝及传动件碰撞。为此，停机时，要在储丝筒刚换向后再尽快按下停止按钮。

4、正式加工工件之前，应确认工件位置已安装正确，防止碰撞线架和因超程撞坏丝杆、螺母等传动部件。

5、尽量消除工件的残余应力，防止切割过程中工件爆炸伤人。加工之前应安装好防护罩。

6、机床附近不得放置易燃、易爆物品，防止因工作液一时供应不足产生的放电火花引起事故。

7、在检修机床、机床元件、脉冲电源、控制系统时，应注意适当地切断电源，防止触电和损坏电路元件。

8、定期检查机床的保护接地是否可靠，注意各部件是否漏电，尽量采用触电开关。合上加工电源手，不可用手或手持导电工具同时接触脉冲的两输出端（床身与工件），以防触电。

9、禁止用湿手按开关或接触电器部分。防止工作液等导电物进入电器部分，一旦发生因电器短路造成时，应首先切断电源，立即用四氯化碳等合适的灭火器灭火，不准用水救火。

10、停机时，应先停高频脉冲电源，后停工作液，让电极运行一段时间，并等储丝筒反向后再停走丝。工作结束后，关掉总电源，擦净工作台及夹具，并润滑机床3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学