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1． 电火花切割设备的组成与分类 （1）电火花切割设备的组成 电火花切割设备是由切割台、走丝机构、供液系统、控制系统和脉冲电源五部分组成。电火花切割设备的结构简图见图1。
电火花切割是利用电极丝对工件进行脉冲放电而实现加工的。电火花加工是采用细金属丝作为电极丝。电极丝以一定的速度往返运动，它不断进入和离开放电区域；在电极丝与工件之间浇注液体介质。这时，只有有效地控制电极丝相对工件运动的轨迹和速度，就能切割出一定形状和尺寸的工件。其中运动轨迹是通过坐标工作台操作X、Y向运动的。 工件装夹在坐标工作台上，控制系统每发出一个进给信号，步进电机就走一步，经过齿轮减速，带动丝杆旋转，使工作台前进或后退0.01mm，因此设备的精度将直接影响工件的加工精度。为了保证工件的加工精度，对导轨的精度、刚度和耐磨性都有较高的要求。一般采用“十”字拖板、滚动导轨和滚珠丝杆传动副将电极的旋转运动变为工作台的直线运动，从而是获得各种平面图形曲线轨迹。为了保证工作台的定位精度和灵敏度，传动丝杆和螺母之间必须消除间隙。 供液系统主要是将工作液及时供给工件，以排除切割区域中蚀除下来的电蚀产物，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，使切割顺利进行。 电火花切割的走丝系统主要由电极丝、储丝筒或收丝卷筒与放丝卷筒、导轮、电极丝保持器、张力装置及电极等构成。在走丝机构中，电极丝、导轮、电极丝保持器对切割加工精度影响较大。 电极丝材料应具有良好的耐蚀性、良好的导电性、高熔点、高抗拉强度和良好的直线性。生产中常用的电极丝材料及其加工性能见表1。 表1 生产中常用的电极丝材料及其加工性能
电火花切割时提高导轮部件的精度可以提高电极丝直线位置的精度。常用导轮的材料及使用寿命见表2。
表2 常用导轮的材料及使用寿命
为了减小电极丝在高速运动时产生的振动，有的电火花切割设备装置了电极丝保持器。电极丝保持器的形式、材料及特点见表3。
（2）电火花切割设备的分类 电火花切割设备种类很多，通常按以下方式进行分类。 ① 按切割轨迹的控制方式，电火花切割设备可以分为靠模仿型控制、光电跟踪控制、数字程序控制、微机控制等形式。 ② 按加工范围，何以分为微型、小型、中型和大型电火花切割设备。 ③ 按设备的功能与特点，分为通用型和专用型（如金相取样切割机、钨棒切割机、超厚切割机、带斜度型和带旋转坐标型）电火花切割设备。 ④ 按电极走丝速度，分为高速电火花切割设备（WEDM-HS）和低速电火花切割设备（WEDM-LS）。这两种切割设备的主要区别见表4，切割工艺水平的比较见表5。 表4 高速走丝与低速走丝电火花切割设备的主要区别
表5 高速走丝与低速走丝电火花切割设备的切割工艺水平的比较
2． 电火花切割脉冲电源及技术参数 （1）电火花切割脉冲电源的基本要求 1) 脉冲峰值电流要适当 在电火花切割中，由于加工精度和电极丝运转张力的要求，电极丝不宜太粗，一般电极丝直径在0.08～0.25mm范围。因此，受电极丝直径的限制，它所允许的放电峰值电流也就不能太大，与此相反，由于工件具有一定的厚度，欲维持稳定加工，放电峰值电流又不能太小，否则切割将不易稳定进行或者根本无法加工。电切割脉冲电源的放电峰值电流一般在15～35A范围内变化。 2) 脉冲宽度要窄 电火花切割时，要获得较高的加工精度和表面粗糙度，应使每次脉冲放电在工件上产生的放电凹坑要适当，这就需要控制单个脉冲能量。当根据加工条件选定脉冲峰值电流后，可尽量减少脉冲宽度。脉冲宽度越窄，即放电时间越短，放电所产生的热就越来不及传导扩散而被局限在工件和电极丝间很小的范围，工件上形成的放电凹坑小，分散重叠较好，表面光滑平整，使放电表面凸凹不平度小，表面加工精度和表面粗糙度较高。然而切割脉冲电源的单个脉冲能量又不能太小，否则将会使切割速度大大下降，因此脉冲能量要控制在一定范围内。在实际切割中，高速电火花切割电源的脉冲宽度为0.5～64μs，低速电火花切割电源的脉冲宽度为0.1～80μs。 3) 脉冲重复频率要尽量高 脉冲宽度窄，放电能量小，虽然有利于提高加工精度和降低表面粗糙度，但是会使切割速度大大降低，为了兼顾这几项工艺指标，应尽量提高脉冲频率，即缩短脉冲间隔，增大单位时间内的放电次数。这样，既能获得较好的降低表面粗糙度，又能得到较高的切割速度。但脉冲间隔太短，会使消电离过程不充分，造成电弧放电并引起加工表面烧伤。因此，脉冲间隔又不能太短。只能在维持脉冲放电的前提下，尽量缩短脉冲间隔。 一般情况下，高速走丝电火花切割的脉冲重复频率约在5～500kHz范围内。低速走丝电火花切割的脉冲重复频率约在10～1000kHz范围内。 4) 有利于减少电极丝损耗 在高速走丝电火花切割中，电极丝往复使用，如果出现损耗，会直接影响加工精度，损耗较大时还会增大断丝的概率。因此，切割脉冲电源应具有使电极丝低损耗的性能，以便保证一定的加工精度和维持长时间的稳定加工。在高速走丝电火花切割中，电极丝损耗应尽量小，越小越好。电极丝损耗大小是电源性能好坏的重要标志之一。但在低速走丝电火花切割中，由于电极丝一次使用，故其损耗可以不计。 5) 参数调节方便，适应性强 由于工件材料多种多样、厚度经常变化、加工形状与要求也各不相同，所以脉冲电源应能适应各种变化的条件，妈在不同材料、不同厚度、不同形状与不同精度、不同表面粗糙度要求下进行切割时，都能获得满意的结果。为此，需要电源输出脉冲的参数可以方便进行调节，以便适应各种情况的切割加工。 （2）脉冲电源的种类 电火花切割脉冲电源形式种类很多，按电路主要部件划分有晶体管式、可控硅式、电子管式、RC式和晶体管控制RC式；按对放电间隙状态的依赖情况划分有独立式、非独立式和半独立式；按放电脉冲波形划分有方波（矩形波）、方波加刷形波、馒头波、前阶梯波、锯齿波、分组脉冲等。电火花切割脉冲电源波形如图2所示。
目前广泛采用的脉冲电源是晶体管方波电源、晶体管控制的RC式电源和分组脉冲电源。各种波形的电源分述如下。 1) 晶体管方波脉冲电源 晶体管方波脉冲电源是目前普遍使用的一种电源。电源电路形式较多，但原理基本相同。晶体管方波脉冲电源大体由主振级、前置放大级、功率放大级和直流电流电源四部分组成。 主振级是脉冲电源的（主体）核心部分，由它给出所要求的脉冲波形和参数。一般情况下，主振级均采用自激多振荡器直接形成方波，该电路由两晶体管或四晶体管组成，也有采用锯齿波发生器经单稳态触发器形成方波的，也有用组件和集成块环形振荡形成方波的。也有采用锯齿波发生器经单稳态触发器形成方波的，也有用组件和集成块环形振荡形成方波的。 前置放大级是把主振级信号放大，以推动功率放大级。其电路多采用射极输出级，它的输入阻抗高，输出阻抗低，介于功放与主振级之间，起到互不影响的作用，它的电压放大倍数小于或等于1，但能将输入电流放大，即起到改变脉冲电流的作用。 功率放大级是把前置放大级的脉冲信号进行功率放大，然后输出，功率放大级多采用反相器电路或射极输出电路。 晶体管方波脉冲电源电路的特点是：脉冲宽度和脉冲频率可调，制作简单、成本低，但只能用于一般精度和一般表面粗糙度要求的切割。 2) 方波加刷形波电源 方波加刷形电源性能比方波电源好。由于下方波有关不断现象，容易形成电弧烧断电极丝和切割不稳定，结构比方波复杂，而且成本高，用得很少。 3) 馒头波电源 馒头波电源脉冲的前沿上升缓慢，脉冲能量开始不集中，放电凹坑小，加工表面粗糙度比方波电源好，而且电极丝损耗小，但加工效率低，仅适用于微细切割加工。 4) 前阶梯波电源 前阶梯波电源可以在放电间隙输出阶梯状上升的电流脉冲波形，有效地减少电流变化。一般是由几路起始时间顺序延时的方波在放电间隙叠加组合而成。它有助于减少电极丝损耗，延长电极丝使用寿命，还可以提高加工表面粗糙度，也被称为电极丝低损耗电源。但加工效率低。 5) 锯齿波电源 锯齿波电源脉冲波形前沿幅度缓变，可以降低加工表面粗糙度，但加工效率不高。锯齿波电源电极丝损耗低，其电路比较简单，成本低，应用较多。 6) 分组脉冲电源 分组脉冲电源是高速和低速切割设备使用效果较好的电源。这种电源有分立元件式、集成电路式、数字式等几种。脉冲形成电路是由高频短脉冲发生器、低频分组脉冲发生器和门电路组成。高频短脉冲发生器是产生小脉冲宽度与小脉冲间隔的高频多谐振荡器；低频分组脉冲发生器是产生大脉冲宽度和大脉冲间隔的低频多谐振荡器，两个多谐振荡器输出的脉冲信号经过“与门”（或者“与非门”）后，就可以输出分组脉冲波形。这样的波形再经过脉冲放大和功率输出级，就能在放电间隙得到同样波形的电压脉冲。 峰值电流限制在一定范围内时，脉冲宽度越窄，单个脉冲能量就越小，得到的表面粗糙度就越低。为了保证切割速度，必须尽可能地提高脉冲重复率。但是脉冲间隔压缩到一定程度后，会使消电离不足而引起切割加工不稳定现象。这样，降低加工表面粗糙度和提高切割速度就出现了矛盾。分组脉冲波正是为了解决这一矛盾而提出的一种比较有效的电源形式；每组高频短脉冲之间有一个稍长的停歇时间，在间隙内可充分消电离。这样高频短脉冲的频率可以提高，缓和了表面粗糙度与切割速度的矛盾，二者都得到较好的兼顾，而且两级间有充分的消电离机会，保证了切割加工的稳定进行。 7) 晶体管控制RC微精加工电源 晶体管控制RC微精加工电源是在晶体管方波脉冲电源的基础上，增添了一个RC电路。放电间隙的能量与RC的数值有关，改变RC的时间常数方波功率输出级的脉冲宽度，可以方便地控制单个脉冲能量。这给电火花切割的精加工带来很大的灵活性。目前在微精加工和低速走丝切割设备中，这种电源应用较多。 8) 双回路与多回路脉冲电源 在电火花切割加工中，还采用双回路脉冲电源进行加工。双回路脉冲电源切割加工原理见图3。采用双回路脉冲电源可以同时加工两个工件，这样在一般的加工表面粗糙度要求情况下，能大大缩短加工时间。
同样多头线架电火花切割设备也可采用多回路电源，它可以同时加工多个相同的工件，也可以一次加工一个工件上的多个相同的图形。这两种加工方式不但能在一定表面粗糙度下，大幅度提高加工速度，而且有助于提高工件的加工重复精度。 双回路或多回路脉冲电源的电路原理同单回路脉冲电源一样，它可以由两个或多个单回路脉阅电源组成，也可只由一个脉冲电源分割成两路或多路输出来实现。 （3）脉冲电源的技术参数 我国电火花切割脉冲电源到目前尚未系列化，种类繁多，各有各的工艺特性。但是各种脉冲电源的技术参数必须根据切割工艺指标进行选择。 1) 电源电压 电火花切割加工与成形加工一样，都是基于脉冲放电时的电腐蚀原理。其蚀除大小正比于单个脉冲能量。在某一时间内的蚀除总量为这段时间内单个脉冲蚀除量的总和。电火花切割速度随输送给放电间隙的功率大小而变化。在同一加工条件下，其放电电压大小基本不变，切割速度实际上随平均加工电流增加而增加。 在其他条件保持不变的情况下，升高脉冲电源电压（开路电压）会使脉冲峰值电流增大，切割速度会因电源电压提高相应提高。同时还发现过多地降低脉冲电源电压（降到35V以下），就会因脉冲峰值电流太小，切割不稳定和短路现象明显增加。脉冲电源电压升高到140V以上时，由于乳化液绝缘强度低，经常烧毁电极丝。再则由于电源电压升高过度，脉冲峰值电流增大。切割时的电流太大，产生的电蚀产物过多，使电流效率降低，反而使切割速度相应降低。电源电压与切割速度和表面粗糙度之间的关系见表6。 表6 电源电压与切割速度和表面粗糙度之间的关系
注：加工材料为Cr12MoV，厚度为40mm；介质为502-1乳化液；脉冲宽度为10μs，脉冲间隔为40μs；选用直径为ф0.12mm、长度为200mm的W20Mo电极丝。
脉冲电源电压太低或太高，对切割速度与表面粗糙度都不利。升高电源电压对切割速度有利，但使表面粗糙度增加；电源电压太低，加工不稳定，100mm厚度以下的工件切割以航天502-1型乳化油做成乳化液介质时，电源电压应控制在60～100V为佳。 2) 脉冲峰值电流 其他参数不变，增大峰值电流，则会因单个脉冲能量的增加造成切割速度增加，但会使表面粗糙度明显变坏。脉冲峰值电流对切割速度和表面粗糙度的影响见表7。 表7 脉冲峰值电流对切割速度和表面粗糙度的影响
注：加工材料为Cr12MoV，厚度为40mm；介质为502-1乳化液；脉冲宽度为20μs，脉冲间隔为80μs；选用直径为ф0.12mm、长度为200mm的W20Mo电极丝；电源电压为80V。
峰值电流增加，使切割速度提高。这主要是由于切割加工电流随峰值电流成比例增加，输送给放电间隙的能量增加。同时峰值电流增加会使单个脉冲能量增加，有利于熔化金属的抛出，放电间隙也相应增大，排屑条件得到改善，因此切割速度会相应提高。另外，工件上放电凹坑会随峰值电流的增加逐渐增大和加深，所以表面明显粗糙。反之，减小峰值电流，表面粗糙度得到改善，但切割速度会明显下降，峰值电流应控制在15～30A之间。 3) 脉冲宽度 脉冲宽度的大小，对表面粗糙度和切割速度影响较大。在其他脉冲参数不变的情况下，增大脉冲宽度会增大单个脉冲能量和切割加工电流，切割速度也会随之提高，表面明显粗糙。电火花切割工艺指标的好坏，特别是表面粗糙度的好坏，在电源电压与峰值电流匹配比较合理的情况下，从某种意义上讲，脉冲宽度的大小实质上决定了表面粗糙程度。脉冲宽度对切割速度和表面粗糙度的影响见表8。 表8 脉冲宽度对切割速度和表面粗糙度的影响
注：加工材料为Cr12MoV，厚度为40mm；介质为502-1乳化液；选用直径为ф0.12mm、长度为200mm的W20Mo电极丝；电源电压为80V。
以航天502-1型乳化油为介质，对于厚度100mm以下的工件进行切割时，脉冲电源设计的工艺参数见表9。 表9 脉冲电源设计的工艺参数
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