2.3 数控高速走丝电火花线切割机床的主要组成部分

数控高速走丝电火花线切割机床主要由床身、坐标工作台、走丝机构、锥度切割装置、工作液循环系统、脉冲电源、附件和夹具等几部分组成，如图2-12所示。

2.3.1 床身和坐标工作台

床身一般为铸件，是坐标工作台、绕丝机构及丝架的支承和固定基础，通常采用箱式结构，应有足够的强度和刚度。床身内部安置电源和工作液箱，考虑电源的发热和工作液泵的振动，有些机床将电源和工作液箱移出床身外另行安放。

电火花线切割机床对零件轮廓的加工是通过坐标工作台与电极丝的相对运动来完成的。坐标工作台是指在水平面上沿着 X 轴和 Y 轴两个坐标方向移动，用于装夹摆放工件的“平台”。坐标工作台由步进电动机、滚珠丝杠和导轨组成。控制系统每发出一个进给信号，步进电动机就转动一定角度，经过减速器，带动丝杠旋转，通过丝杠副，将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动，带动工件实现 X 、 Y 两个坐标轴方向各自的进给运动，这两个运动经合成可实现各种平面图形的曲线轨迹。

2.3.2 电火花线切割走丝机构

电火花线切割走丝机构是能使电极丝具有一定的张力和直线度，以给定的速度稳定运动，并可以传递给定的电能的机构。在快走丝线切割机床上，电极丝张力与排绕在储丝筒上的电极丝的拉紧力有关，储丝筒通过联轴器与驱动电动机相连。为了重复使用电极丝，有专门的换向装置控制电动机做正、反向交替运动。在运动过程中，电极丝由支架支承，依靠导轮保持电极丝与工作台垂直或切割锥度时倾斜一定的几何角度。数控线切割结构示意图如图2-13所示。下面分别进行说明。

（1）储丝筒 储丝筒在快走丝线切割机中，兼有收、放丝卷筒的功能。储丝筒一般用轻金属材料制成，工作时，将电极丝的一端固定在储丝筒的一端柱面上，然后按一个方向有序地、密排在储丝筒上缠绕一层，将电极丝的另一端穿过整个走丝机构，回到储丝筒，按缠绕方向将电极丝头固定在储丝筒的另一端柱面上。这样缠绕的电极丝，不论储丝筒向哪个方向旋转，电极丝都会有序地一边放一边收。储丝筒通过联轴器与驱动电动机连接，电动机由专门的换向装置控制其正、反交替运转，从而使电极丝往复运动，反复使用该段电极丝。

（2）电极丝 电极丝是电火花线切割时，用来导电放电的金属丝，是线切割机床的“刀具”，在快走丝线切割中泛指“钼丝”。电极丝的质量直接影响切割工件的质量，例如在放电条件一定的情况下，电极丝直径尺寸精度直接反映到切割工件的尺寸精度上。

（3）导轮 导轮部件是确定电极丝位置的部件，主要由导轮、轴承和调整座组成。导轮和轴承的配合由于长期高速运转很容易因磨损而松动，造成电极丝直线位置的不确定，所以需要经常调整导轮松紧或更换导轮和轴承。

（4）电源导电器 高频电源的负极通过导电器与快速运行的电极丝连接。因此，导电器必须耐磨，而且电阻要小。由于切割微粒粘附在电极丝上，导电器磨损后拉出一条凹槽，凹槽会增加电极丝与导电器的摩擦，加大电极丝的纵向振动，影响加工精度和表面粗糙度，因此，导电器要能多次使用。高速走丝电火花线切割机的导电器有两种：一种是圆柱形的，电极丝与导电器的圆柱面接触导电，可以轴向移动和圆周转动，以满足多次使用的要求；另一种是方形或圆形的薄片，电极丝与导电器的大面积接触导电，方形薄片的移动和圆形薄片的转动可满足多次使用的要求。导电器的材料都采用硬质合金，既耐磨又导电。此外，为了保证电极丝与导电块接触的可靠，有的导电器采用了弹性结构。

（5）张力调节器 在加工时电极丝因往复运行，经受交变应力及放电时的热轰击，伸长了的电极丝的张力减小，影响了加工精度和表面粗糙度。若没有张力调节器，就需人工紧丝，如果加工大工件，中途紧丝就会在加工表面形成接痕，影响表面粗糙度。张力调节器的作用就是根据丝长调节张力，使运行的电极丝保持在一个恒定的张力上，也称恒张力机构。

（6）锥度切割装置 锥度切割装置用来切割有模锻斜度的冲模或工件内、外表面的锥度。大部分数控线切割机床都具有锥度切割装置。实现锥度切割的方法有多种，快走丝线切割机床主要用的是偏移式丝架。一般采用偏移上、下导轮的方法实现电极丝的倾斜，如图2-14所示。用这种方法加工的锥度一般较小。

2.3.3 工作液及其循环系统

工作液的主要作用是在电火花线切割加工过程中的脉冲间歇时间内，及时将已蚀除下来的电蚀产物从加工区域中排除，使电极丝与工件间的介质迅速恢复绝缘状态，保证火花放电不会变为连续的弧光放电，使线切割顺利进行下去。此外，工作液还有两个作用：一个是有助于压缩放电通道，使能量更加集中，提高电蚀能力；另一个是可以冷却受热的电极丝，防止放电产生的热量扩散到不必要的地方，有助于保证工件表面质量和提高电蚀能力。

工作液在线切割加工中对加工工艺指标的影响很大，如对切割速度、表面粗糙度、加工精度和生产率影响很大。因此，工作液应具有一定的介电能力、较好的消电离能力、渗透性好、稳定性好等特性，还应有较好的洗涤性能、耐蚀性能、对人体无危害等。低速走丝线切割机床大多采用去离子水作为工作液，只有在特殊精加工时才采用绝缘性能较高的煤油。高速走丝线切割机床使用的工作液是专用乳化液，目前商品化供应的乳化液有DX-1、DX-2、DX-3等多种规格，各有其特点，有的适用于快速加工，有的适用于大厚度切割，也有的是在原来工作液中添加某些化学成分来改善其切割表面粗糙度或增加防锈能力等，应根据生产实际合理选择。一般线切割机床的工作液循环系统包括：工作液箱、工作液泵、流量控制阀、进液管、回流管及过滤网罩等。对于高速走丝线切割机床，通常采用浇注式的供液方式。

2.3.4 脉冲电源

脉冲电源是数控线切割机床最重要的组成部分之一，提供工件和电极丝之间的放电加工能量，对加工质量和加工效率有直接的影响。它是决定线切割加工工艺指标的关键装置。数控电火花线切割加工的切割速度、被加工面的表面粗糙度、尺寸精度和形状精度及电极丝的损耗等，都将受到脉冲电源性能的影响。电火花线切割脉冲电源一般是由主振级（脉冲信号发生器）、前置放大级、功率放大级和供给各级的直流电源组成。

受加工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（2～60μs），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。脉冲电源的形式和品种很多，主要有晶体管矩形波脉冲电源、高频分组脉冲电源和阶梯波脉冲电源等。

1.晶体管矩形波脉冲电源

晶体管矩形波脉冲电源的工作方式与电火花成形加工类同，如图2-15所示，通过控制功率晶体管VT的基极以形成电压脉宽 t _i 、电流脉宽 t _e 和脉冲间隔 t _o ，限流电阻 R ₁ 、 R ₂ 决定峰值电流 i _e 。这种电源广泛用于高速走丝线切割机床，而在低速走丝机床中用得不多。因为低速走丝线切割机床排屑条件较差，要求采用0.1μs的窄脉宽和500A以上的高峰值电流，这样势必要用到高速大电流的开关元件，电源装置也要大型化。

2.高频分组脉冲电源

高频分组脉冲波形如图2-16所示，这种波是由矩形波派生出来的，即把较高频率的小脉宽 t _i 和小脉间 t _o 的矩形波脉冲分组成为大脉宽 T _i 和大脉间 T _o 输出。

矩形波不能同时满足提高切割速度和改善表面粗糙度这两项工艺指标。若想提高切割速度，则表面粗糙度较差；若想使表面粗糙度值较小，则切割速度急剧下降。而高频分组脉冲电源在一定程度上缓解了两者之间的矛盾，它既具有高频脉冲加工表面粗糙度值小，又具有低频脉冲加工速度高、电极丝损耗低的双重特点，在相同的加工条件下，可获得较好的加工工艺效果，因而得到了越来越广泛的应用。高频分组脉冲电源的电路原理框图如图2-17所示。

由图2-17可见，加工时由高频脉冲发生器、分组脉冲发生器和与门电路产生高频分组脉冲波形，然后经脉冲放大和功率输出，将高频分组脉冲能量输送到放电间隙，进行放电腐蚀加工。一般取 t _o ≥ t _i ， T _i =（4～6） t _i ， T _o ≤ T _i 。

3.阶梯波脉冲电源（低损耗电源）

实践证明，如果每个脉冲在击穿放电间隙后，电压及电流逐步升高，则可以在不太降低生产率的情况下，大大减少电极丝的损耗，延长重复使用电极丝的寿命，提高加工精度，这对于快速走丝线切割加工是很有意义的。这种脉冲电源就是阶梯波脉冲电源，一般为前阶梯波，其电流波形如图2-18所示。前阶梯波由矩形波组合而成，可由几路起始脉冲放电时间顺序延迟的矩形波叠加而成。

2.3.5 数控装置

数控装置是电火花线切割机床的控制核心。其主要作用有两个。首先，在电火花线切割加工过程中，按加工要求自动控制电极丝相对工件的运动轨迹和进给速度，从而实现对工件的形状和尺寸加工。具体来讲，用户在系统软件上对拟加工零件编写加工图形或加工代码，数控装置中的运动控制模块实现加工指令的转换，并实现 X 、 Y 、 U 、 V 四轴的直线/圆弧插补和位置反馈补偿，自动升降速的处理，各轴的伺服控制器通过控制电动机就会带动工作台按要求实现运动。其次，电火花线切割数控装置除需具备基本的运动控制功能之外，还需对电火花线切割加工过程中出现的加工状态进行检测，将放电电压与火花放电状态的放电电压阈值进行比较，确定电极丝与工件所需的相对运动运动方向，并将其反馈给数控系统，确保整个加工过程能够始终以合适的间隙和走丝速度实现火花放电。

总之，电火花线切割数控装置需要实现对高频电源的脉冲宽度、脉冲间隙、电压大小、电流高低的控制；实现对运丝电动机运丝速度的控制；实现对机床冷却电动机、运动电动机及各电源模块的控制。此外，电火花线切割数控装置根据实际需求还可以具有掉电回退、放电间隙自适应控制等功能，并且具有高实时性。 Sz9H+sC2IpKWFqpqAdwH76xrsgVZjS+y/sa6Z0XycVqJ/Y57YYAIQbulRv8fGmCp