数控线切割加工

数控电火花线切割机床既是数控机床，电火花线切割加工是在电火花加工基础上用线状电极(钼丝或铜丝)靠火花放电对工件进行切割，故称为电火花线切割，有时简称线切割。控制系统是进行电火花线切割加工的重要组成部分，控制系统的稳定性、可靠性、控制精度及自动化程度都直接影响到加工工艺指标和工人的劳动强度。

2.1 数控线切割加工机床的组成、基本原理与应用 2.1.1．数控线切割机床的组成

数控线切割机床的外形如图 2-1 所示，其组成包括机床主机、脉冲电源和数控装置三大部分。

（1）机床主机部分

机床主机部分由运丝机构、工作台、床身、工作液系统等组成。

运丝机构 电动机通过联轴节带动贮丝筒交替作正、反向转动，钼丝整齐地排列在贮丝筒上，并经过丝架作往复高速移动（线速度为 9m/s 左右）。

工作台 用于安装并带动工件在工作台平面内作 X、Y 两个方向的移动。工作台分上下两层，分别与 X、Y 向丝杠相连，由两个步进电机分别驱动。步进电机每接收到计算机发出的一个脉冲信号，其输出轴就旋转一个步距角，通过一对齿轮变速带动丝杠转动，从而使工作台在相应的方向上移动 0.01mm。工作台的有效行程为 250×320mm。

图2-1数控线切割机床外形图

床身 用于支承和连接工作台、运丝机构、机床电器、及存放工作液系统。工作液系统 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、冷却的作用。每次脉冲放电后，工件与钼丝之间必须迅速恢复绝缘状态，否则脉冲放电就会转变为稳定持续的电弧放电，影响加工质量。在加工过程中，工作液可把加工过程中产生的金属颗粒迅速从电极之间冲走，使加工顺利进行。工作液还可冷却受热的电极和工件，防止工件变形。 （2）脉冲电源

脉冲电源又称高频电源，其作用是把普通的 50Hz 交流电转换成高频率的单向脉冲电压。加工时，钼丝接脉冲电源负极，工件接正极。 （3）数控装置

数控装置以 PC 机为核心，配备有其他一些硬件及控制软件。加工程序可用键盘输入或磁盘输入。通过它可实现放大、缩小等多种功能的加工，其控制精度为±0.001mm，加工精度为±0.001mm。 2.1.2线切割加工原理

线切割加工是线电极电火花加工的简称，是电火花加工的一种，其基本原理如图 2-2所示。被切割的工件作为工件电极，钼丝作为工具电极，脉冲电源发出一连串的脉冲电压，加到工件电极和工具电极上。钼丝与工件之间施加足够的具有一定绝缘性能的工作液（图中未画出）。当钼丝与工件的距离小到一定程度时，在脉冲电压的作用下，工作液被击穿，在钼丝与工件之间形成瞬间放电通道，产生瞬时高温，使金属局部熔化甚至汽化而被蚀除下来。若工作台带动工件不断进给，就能切割出所需要的形状。由于贮丝筒带动钼丝交替作正、反向的高速移动，所以钼丝基本上不被蚀除，可使用较长的时间。

图 2-2线切割加工原理图

线切割机床程序输入方法有三种：键盘输入，穿孔纸带输入和磁盘输入。线切割能加工各种高硬度、高强度、高韧性和高脆性的导电材料，如淬火钢、硬质合金等。加工时，钼丝与工件始终不接触，有 0.01mm左右的间隙，几乎不存在切削力；对微细异形孔、窄缝和复杂形状工件有独特的优势。能加工各种冲模、凸轮、样板等外形复杂的精密零件及窄缝等；尺寸精度可达 0.02~0.01mm，表面粗糙度Ra值可达 1.6μm。加工粉末冶金模、镶拼型腔模、拉丝模、波纹板成型模 。适合于小批量、多品种零件的加工，减少模具制作费用，缩短生产周期。

电火花线切割加工能正常运行，必须具备下列条件：

1. 钼丝与工件的被加工表面之间必须保持一定间隙，间隙的宽度由工作电压 、加工量等加工条件而定。

2. 电火花线切割机床加工时，必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，如煤油、皂化油、去离子水等，要求教高绝缘性是为了利于产生脉冲性的火花放电，液体介质还有排除间隙内电蚀产物和冷却电极作用。钼丝和工件被加工表面之间保持一定间隙，如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，则不能产生电火花放电；如果间隙过小，则容易形成短路连接，也不能产生电火花放电。

3. 必须采用脉冲电源，即火花放电必须是脉冲性、间歇性，图2-3中ti为脉冲宽度、to为脉冲间隔、tp为脉冲周期。在脉冲间隔内，使间隙介质消除电离，使下一个脉冲能在两极间击穿放电。

ttiptot 图2-3

2.1.3 数控线切割机床的分类

（1）按控制方式可分为靠模仿型控制、光电跟踪控制、数字程序控制及微机控制等； （2）按电源形式可分为RC电源、晶体管电源、分组脉冲电源及自适应控制电源等； （3）按加工特点可分为大、中、小型以及普通直壁切割型与锥度切割型等； （4）按走丝速度可分为慢走丝方式和快走丝方式两种。 2.1.4 线切割加工的加工对象 1.广泛应用于加工各种冲模。

2.可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件 3.加工样板和成型刀具。

4.加工粉末冶金模、镶拼型腔模、拉丝模、波纹板成型模。 5.加工硬质材料、切割薄片，切割贵重金属材料。 6.加工凸轮，特殊的齿轮。

7.适合于小批量、多品种零件的加工，减少模具制作费用，缩短生产周期。

2.2线切割加工程序的编程方法

数控线切割机床的控制系统是根据指令控制机床进行加工的，要加工出所需要的图形，必须首先把要切割的图形编成一定的命令，并将之输入控制系统中，这就是程序。在数控机床中编辑程序有两种方式，一种是手工编程，另一种是自动编程。人工编程采用各种数学方法，使用一般的计算工具，人工地对编程所需的数据进行处理和运算。为了简化编程工作，随着计算机的飞速发展，自动变成已经成为主要编程手段。自动编程使用专用的数控语言及各种输入手段向计算机输入必要的形状和尺寸数据，利用专门的应用软件即可求得各交切点坐标及编写加工程序所需的数据。 2.2.1手工编程

线切割机床编程格式是用3B指令格式：编程格式如表1所示，表中B为分隔符，它

表1 3B程序格式

B X B Y B J G Z 分隔X坐标值 分隔Y坐标符 符 值 分隔计数长计数方加工指符 度 向 令 的作用是把X、Y、J这些数码分开，便于计算机识别。当程序往控制器输入时，读入第

一个B后它使控制器作好接受J值的准备，读入第二个B后作好接受Y轴坐标值的准备。读入第三个B后作好接受J值的准备。加工斜线时，程序中X、Y必须是该斜线段终点相对起点的坐标值。加工圆弧时，程序中X、Y必须是圆弧起点相对其圆心的坐标值。X、Y、J的数值均以um为单位。 （1）记数方向G和记数长度J

为保证所要加工的圆弧或线段能按要求的长度加工出来，一般线切割机床是通过控制从起点到终点某个工作台进给的总长度来达到的。因此在计算机中设立了一个J记数器来进行记数，即把加工该线段的工作台进给总长度J的数值预先置入J计数器中，加工时当被确定为记数长度这个坐标的工作台每进给一步，J计数器就减1。这样，当J计数器减到零时，则表示该圆弧或直线已加工到终点。加工斜线段时必须用进给距离比较长的一个方向作进给控制，若线段的终点为A（Xe，Ye）,当| Xe |>| Ye |,记数方向取Gx，反之，记数方向取Gy，如果两个坐标值一样时，则两个记数方向均可。当圆弧终点坐标靠近Y轴时，计数方向取Gx，靠近X轴时，计数方向取Gy，既圆弧取终点坐标绝对值小的为记数方向。如图2-5所示。

记数长度是直线或圆弧在记数方向坐标轴上投影长度总和。对斜线段，如图2-4，当｜Xe |>| Ye |时，取Ｊ＝| Xe |，反之，则取Ｊ＝| Ye |，对于圆弧，它可能跨越几个象限，如图，圆弧都是从Ａ到Ｂ，如图2-5所示，后图记数方向为Ｇx，Ｊ＝Ｊx1＋Ｊx2＋Ｊx3, 前图记数方向为Ｇy，Ｊ＝Ｊy1＋Ｊy2＋Ｊy3。

A(Xe,Ye)A(Xe,Ye)OXYJx1BJx2 图2-4—加工斜线ＯＡ

YJy1BJy2Jy3OAXOAJx3X 图2-5—加工圆弧ＡＢ

（２）加工指令Ｚ

Ｚ是加工指令总括符号，它共有１２种，如图2-6所示，其中圆弧指令有８种，Ｓ

YL2L1SR2SR1NR2NR1YL2YYL3OL4XOL1XSR3OSR4XNR3OXNR4L3L4 图2-6—加工指令

Ｒ表示顺圆，ＮＲ表示逆圆，字母后面的数字表示该圆弧的起点所在象限，如ＳＲ１表示为该圆弧为顺圆，起点在第一象限。对于直线加工指令用Ｌ表示，Ｌ后面的数字表示该线段所在的象限。对于和坐标重合的直线，正Ｘ轴为Ｌ1正Ｙ轴为Ｌ2负Ｘ轴Ｌ3为负Ｙ轴为Ｌ4。

编程时，大家要注意,线切割编程坐标系和数控车床、数控铣床坐标系的区别，线切割编程坐标系只有相对坐标系，每加工一条线段或圆弧，都要把坐标原点移到直线的起点或圆弧的圆心上。 编程举例

EFDCABO 图2-7

加工如图2-7形状轮廓，其中O点为起刀点，走刀路线可以从OA—AB—BC—CD—DE—EF—FA—AO，也可以从OA—AF—FE—ED—DC—CB—BA—AO，

按OA—AB—BC—CD—DE—EF—FA—AO路线编程如下： 走直线OA：B0 B20000 B20000 GY L2 走直线AB：B40000 B0 B40000 GX L1 走直线BC：B30000 B30000 B30000 GX L1 走直线CD：B0 B20000 B20000 GY L2 走圆弧DE：B35000 B0 B70000 GY NR1 走直线EF：B0 B20000 B20000 GY L4 走圆弧FA：B0 B15000 B30000 GX SR2 走直线AO：B0 B20000 B20000 GY L4 2.2.2自动编程

 为了把图样中的信息和加工路线输入计算机，要利用一定的自动编程语言(数控语言)来表达，构成源程序。源程序输入后，必要的处理和计算工作则依靠应用软件(针对数控语言的编译程序)来实现。我们这里的数控编程语言的处理程序主要分为三部分：(1)输入代码直接加工；(2)画图转化为代码加工；(3)扫描图形转化为代码加工。

自动编程根据编程信息的输入与计算机对信息的处理方式不同，分为以自动编程语言为

基础的自动编程方法和以计算机绘图为基础的自动编程方法。以语言为基础的自动编程方法，在编程时编程人员是依据所用数控语言的编程手册以及零件图样，以语言的形式表达出加工的全部内容，然后在把这些内容输入到计算机中进行处理，制作出可以直接用于数控机床的NC加工程序。以计算机绘图为基础自动编程方法，编程人员先自动编程软件的CAD功

能，构建出几何图形，其后利用CAM功能，设置好几何参数，才能制作出NC加工程序。 现在比较常用的CAD/CAM软件有Mastercam、Pro/e、UG等，金工中心线切割机床自动

编程软件则用国产CAXA。

2.2.3 CMC2000型线切割机控制柜使用

一 控制柜操作安全注意事项

1控制柜通电前应确保安全接地；

2确保控制柜供电电压为：AC220V±10℅，在电网电压波动较大的情况下，建议给机床系统

配备1.5KVA的三相交流稳压电源； 3当移动控制柜时，应推其中、下部，以防控制柜倾倒；

4未经过专业培训的人员不得随意带电打开控制柜进行维修操作，以防损坏控制柜或发生人

身伤亡事故； 5发现控制柜柜体带电或控制柜内有异味时，应立即切断电源并通知厂方进行维护处理；

二 控制柜功能

● 采用绘图式编程方式，实现编程、加工、控制一体化操作 ；

● 具有在线编程功能，即在加工的同时可进行图形绘制、编程； ● 能实现跳步模、等锥、变锥及上下异面体的加工； ● 具有手操器快速进给功能；

● 具备串行数据传输和网络接入功能；

● 完善的数据接口功能，能读入3B、DXF和AUTOP等格式的文件； ● 方便实用的扫描位图自动矢量化方法；

● 可生成3B、4B及G代码等数控程序，G代码可自定义；

● 完备的汉字库系统，实现各种汉字、英文字母及符号的切割加工；

● 具有完备的列表点曲线和多种保形插值的拟合方法，能将离散点拟合成理想

的曲线； ● 具有完善的公式曲线功能，即根据公式曲线方程绘制出相应的图形；

● 各种常用零件（如齿轮）及非圆曲线（如渐开线、摆线）的自动编程与绘制； ● 具有3B代码传输功能，即将3B代码以模拟电报头的形式传输给其它单板机 控制的线切割机床；

● 具有掉电记忆、断丝保护、短路回退、自动对中心、正反向加工、单段加工、 单向加工、锥度复位、回穿丝点、加工记时、加工完自停机等多种功能； ● 加工图形可进行旋转、水平及垂直对称变换，并且加工程序随着图形的变换 而自动调整；

● 具有两档高频电压选择功能，以适应不同材料及不同工件厚度的切割要求。

三 控制柜外形结构组成

CMC2000型控制柜外形结构组成如下列图示：

吊环

电压表 电流表

显示器 急停开关 显示开关

软 驱 高频开关

系统开关

鼠标

键 盘

手操器

图2-8 CMC2000型控制柜外形结构示意图

四 控制柜组成部件及功能介绍

CMC2000型控制柜的组成部件包括：显示器、工控机（电源模块、接口板、 工控机主

板、硬盘等）、工控机外设（键盘、鼠标和软驱等）、高频驱动板、步进电机驱动模块、电源板、高频变压器、高频电阻、系统变压器、整流滤波电路和手操器等。

1 控制柜各组成部件之间的关系 ○

CMC2000型控制柜的组成部件之间的关系如下图所示,其中虚线框内为工控机部件。

AC220V

AC220V 系统变压器 AC209V

显示器 机床反馈信号 系统整流滤波电路

步进电机驱动模块 接 步进电机

工控机主板 口

高频驱动板 工件/钼

板 丝

高频电阻 电源模块 机床 高频整流滤波电路 工控机外设 手操器 电源板 高频变压器

AC220V

图2-9 CMC2000型控制柜组成部件之间的关系示意图

2控制柜各组成部件的功能 ○

控制柜各组成部件的功能如下： ● 显示器：显示图形与字符。

● 工控机主板：根据工件形状，用编程软件编辑加工图形，同时根据绘制的图形控制步进

电机进行加工。 ● 接口板： 接口板是工控机与其它部件进行相互通信的中间部件。 ● 工控机外设：主要指键盘、鼠标和软驱，用于输入数据。 ● 高频驱动板：将接口板送来的高频脉冲信号进行放大。

● 驱动模块：将接口板送来的电机控制信号进行放大，驱动步进电机转动。

● 电源模块：为工控机外设、工控机主板、硬盘和接口板等提供+5V和+12V电源。 ● 电源板： 为控制柜中的其它部件提供+5V和+12V电源。其中：

输入信号：AC220V、2路AC15V、关机床信号、90V、120V转换控制信号。 输出信号：+5V、+12V。

其中：

关机床信号通过控制关机床继电器使运丝电机停止工作。

通过对90V或120V继电器的开、关控制，可以选择90V或 120V 的加工电压。

● 高频变压器：为产生90V、120V加工电压提供的交流输入电压。其中： 输入：AC220V。

输出：AC64V、AC80V。它们经整流滤波电路产生90V、120V 的加工电压。

● 系统变压器：为整个系统提供电源。其中： 输入：AC220V。

输出：AC220V、AC15V、AC24V；

AC15V和AC24V分别经整流滤波电路提供给驱动模块。

● 手操器：实现机床拖板的快速移动。

五 控制柜面板的使用与操作

CMC2000型控制柜面板如下图所示，其中：

电压表 电流表 电压表：显示加工时的高频电源电压。 电流表：显示加工电流。 各按键和指示灯的功能如下：

■ 系统开关: 系统电源开关。系统开关接

通，表示控制柜上电。

■ 高频开关: 高频电源开关。高频开关接

通，表示高频产生电路上电。

■ 显示开关: 显示器电源开关。显示开关

接通，表示显示器上电。在 加工过程中，当长时间不用 显示器时，可将显示开关断 开，以延长显示器的使用寿 命，并且此时不影响系统工

作。

■ 急停开关: 急停开关常用于处理突发事

件。当按下时，控制柜断电， 即控制柜停止工作；

此开关释

放，则控制柜可以 正常加电。

急停开关

六 手操器使用说明

手操器一般在加工前或加工完成时使用，其外形结构示意图如下图所示：

U/V：U方向或V H：高速运行 M：中速运行

方向指示灯

指示灯 指示灯

X/Y：X方向或 Y方向指示

灯 L：低速运行指示灯

选择X/Y或U/V方

向 选择

高速、中速

或低速运行

向Y+或V+方向运动

向X+或U+方向运

动 向X-或U-方向运动

向Y-或V-方向运动

例1：用手操器以中速控制步进电机作X+方向运动时，操作方法如下：

（1） 用左上角“转换”键选择X/Y指示灯亮；

（2） 用右上角“转换”键选择中速运行指示灯亮（M灯亮）； （3） 按住“+X/U”键，则步进电机便以中速作X+方向的运动。 例2：用手操器以高速控制步进电机作V-方向运动时，操作方法如下：

（1）用左上角“转换”键选择U/V指示灯亮；

（2）用右上角“转换”键选择高速运行指示灯亮（H灯亮）；

（3）按住“-Y/V”键，则步进电机便以高速作V-方向的运动。 注意：

1 对X和Y、U和V进行快速、中速和慢速操作时， 没有超程自停功能，请使用者注

意机床行程；

2 在加工过程中，手操器不起作用；

3 对于无锥度的机床，U/V方向不起作用。

六 操作流程及步骤

1 无锥度图形的操作流程及步骤

(1) 打开急停开关；

(2) 打开控制柜面板上的显示器电源开关和系统电源开关，使控制柜上电； (3) 在C盘DOS提示符下，键入a之后回车确定，进入加工界面，即C>a↙； (4) 若需要回到编程界面，按加工界面中“编程”图标即可。在编程界面中绘制并编译

图形，其步骤如下：

a）在全绘编程界面绘制所要加工的图形； b）如果是用辅助线绘制的图形，则还要取轨迹； c）加引入线和引出线，并选择切割的侧边和切割方向； d）生成3B加工单（3B程序）并转到加工界面。

(5) 根据电机状态，按“电机锁放”图标以便锁定电机或者释放电机；

(6) 根据被加工工件的形状及切割轨迹路线夹好工件，要保证工件不翘起或下垂； (7) 穿丝；

(8) 点击加工界面上的“对中/校直”图标，选择对中功能，则系统开始对中； 说明：

a）并非所有的加工都需要对中；

b）对于无锥度的机床，校直功能不起作用。

(9) 根据工件材料和厚度在加工界面上设置有关加工参数； (10)用“对边”功能选择合适的进刀位置； (11)打开机床上的运丝、水泵开关；

(12)打开控制柜面板上的高频电源开关键，然后按下加工界面上的“开关高频”按键，

使信息窗口中的高频指示灯变亮； (13)按加工界面的“正向加工”图标或“反向加工” 图标开始加工，当钼丝切入工件

后，按下控制柜加工界面中的“加工参数”图标，调节加工参数使电流趋于稳定。具体调节步骤如下：

脉间：根据工件厚度选择加工电流，然后调节脉间，使电流表指针稳定； 脉宽：根据被加工工艺对粗糙度的要求调节脉宽，如果要求粗糙度较高， 则脉宽值调小，但是效率较低；

最大速：调节最大速时，要从加工效率η和工件厚度H两方面来考虑，

假设加工效率为100mm2/min，工件厚度为50mm，则最大速计算如下： Max＝（η×1000）/（H×60）＝34微米/秒

根据计算结果调节最大速即可，实际调节可略高于34步/秒；

跟踪：控制系统会根据加工放电的情况，自动调节变频信号快慢，一般 跟踪值为开机时面板上显示的值；

高频档：根据工件厚度及工艺要求，选择投入的高频档数；

(14)加工结束后，关控制柜高频电源，系统电源和显示器电源开关。 2 有锥度图形的操作步骤

(1) 打开急停开关；

(2) 打开控制柜面板上的显示器电源开关和系统电源开关；

(3) 在C盘DOS提示符下，键入a之后回车确定，进入加工界面，即C>a↙； (4) 若需要回到编程系统，按加工界面中“编程”图标即可。在编程系统中绘制编译图

形步骤如下：

a）在全绘编程界面绘制所要加工的图形；

b）如果是用辅助线绘制的图形，则还要取轨迹； c）加引入线和引出线，并选择切割的侧边和切割方向； d）生成3B加工单（3B程序）并转到加工界面。

(5) 根据电机状态，按“电机锁放”图标以便锁定电机或者释放电机；

(6) 根据被加工工件的形状及切割轨迹路线夹好工件，要保证工件不翘起或下垂； (7) 穿丝；

(8) 点击加工界面上的“对中/校直”图标，选择对中功能或校直功能，则系统开始对

中或校直；

说明：

a）并非所有的加工都需要对中；

b）对于有锥度的机床，一般加工前都需要用校直功能将钼丝校垂直。 (9) 根据工件材料和厚度在控制柜加工界面上设置加工参数和锥度参数L、D、H、R，

其中：

L：上、下导轮之间的中心距离； D：下导轮的中心到工件下表面的高度；

H：被加工工件的厚度；

R：上、下导轮的半径，一般上、下导轮的半径是相等的。 (10)选择合适的进刀位置；

(11)打开机床上的运丝、水泵开关；

(12)打开控制柜面板上的高频电源开关键，然后按下控制柜加工界面上的“开关高频”按键，使信息窗口中的高频灯变亮；

(13)按加工界面的“正向加工”图标或“反向加工” 图标开始加工，当钼丝切入工件

后，按下控制柜加工界面中的“加工参数”按键，调节加工参数使电流趋于稳定；调节步骤如下：

脉间：根据工件厚度选择加工电流，然后调节脉间，使电流表指针稳定； 脉宽：根据被加工工艺对光洁度的要求调节脉宽，如果要求光洁度较高， 则脉宽值调小，但是效率较低；

最大速：调节最大速时，要从加工效率η和工件厚度H两方面来考虑，

假设加工效率为100mm2/min，工件厚度为50mm，则最大速计算如下： Max＝（η×1000）/（H×60）＝34微米/秒

根据计算结果调节最大速即可，实际调节可略高于34步/秒；

跟踪：控制系统会根据加工放电的情况，自动调节变频信号快慢，一般

跟踪值为开机时面板上显示的值；

高频档：根据工件厚度及工艺要求，选择投入的高频档数；

(14)加工结束后，关控制柜高频电源，系统电源和显示器电源开关。 3 其它常见操作

1） 加工出现断丝停车时，可进行两方面的操作：

a）若断丝处能够直接穿丝，则钼丝穿好后，按“正向加工”或“反向加工”按扭可继续原有的加工；

b）若断丝处不能够直接穿丝，则先按“回穿丝点”按扭回到穿丝点处，钼丝穿好后，再按“正向加工”或“反向加工”按扭从新加工；

2） 加工跳步模工件，当在跳步处暂停时，需要将钼丝抽出，再按“正向加工”或“反向加

工”按扭走到下一个跳步点处，在机床暂停之后将钼丝穿上，再按“正向加工”或“反向加工”按扭继续加工，如此反复，直到加工结束。

3） 对中时，先将钼丝穿在事先打好的圆孔中，再按“对中校直”按扭，选中对中有效之后

按回车键即可。

4） 短路时，系统会自动回退一定的距离，若短路不能消除，则停机，等待人工处理，当短

路消除后，再按“正向加工”或“反向加工”按扭继续加工。

作业：

请编写下图程序：

DC