基于3D打印的線切割電極絲對(duì)中裝置的設(shè)計(jì)

袁根華

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣州510075）

0 引 言

電火花線切割加工是利用持續(xù)不斷的脈沖電能將電極與工件間的絕緣介質(zhì)擊穿放電產(chǎn)生高溫從而蝕除金屬，形成加工所需要的曲面形狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到相應(yīng)的加工精度及表面粗糙度。由于其獨(dú)特的加工原理與方法，在高硬度、高強(qiáng)度、高韌性等高性能金屬的加工中有不可取代的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用。線切割機(jī)床以電極絲運(yùn)轉(zhuǎn)速度與加工精度可分為快、中、慢3種，其中快走絲線切割加工速度快、切割精度較低，但是因?yàn)槠浼庸こ杀镜?、加工效率高而?yīng)用的場(chǎng)合更多[1-4]?？熳呓z線切割的電極絲是安裝并保持在一套特定的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上反復(fù)循環(huán)利用的，但電極絲能否在這套機(jī)構(gòu)中保持好正確的狀態(tài)，對(duì)于機(jī)床加工精度與機(jī)床使用壽命都有直接的影響。

1 線切割電極絲的正確狀態(tài)

1.1 電極絲整體運(yùn)動(dòng)正確狀態(tài)

快走絲線切割機(jī)床的電極絲緊齊排列在儲(chǔ)絲絲筒上，絲筒受左右行程開關(guān)的控制正反轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)左右運(yùn)動(dòng)，使得電極絲切割工件時(shí)上下作往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，從而在電極絲的壽命期內(nèi)得以重復(fù)循環(huán)使用（如圖1）。此外，電極絲加工時(shí)正確的狀態(tài)還要依靠前后上下共4個(gè)導(dǎo)輪保持，其中后上下2個(gè)導(dǎo)輪主要是使得電極絲在絲筒上均勻布排，前上下2個(gè)導(dǎo)輪的作用是保證電極絲在兩導(dǎo)輪槽中運(yùn)動(dòng)時(shí)兩導(dǎo)輪間的電極絲對(duì)于工件定位平面（或者工作臺(tái)平面）有設(shè)定的準(zhǔn)確角度關(guān)系，如果在加工前穿繞絲或者其它情況而使得電極絲不在前上下導(dǎo)輪的安裝槽內(nèi)，則一方面電極絲與工作臺(tái)平面的設(shè)定加工角度不能保證，而造成加工質(zhì)量問題；另一方面從前上下導(dǎo)輪的槽中跳離開的電極絲可能在循環(huán)運(yùn)動(dòng)中切斷前上下導(dǎo)輪的安裝軸與軸承座，發(fā)生機(jī)床故障。

圖1 快走絲線切割加工時(shí)電極絲在特定的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中運(yùn)行示意圖

1.2 電極絲在前上下導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)中的正確狀態(tài)

圖2為前上下導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)的3D示意圖，該機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱，由手把、軸承座、導(dǎo)輪等構(gòu)成，軸承座內(nèi)孔與導(dǎo)輪軸裝配，其外圓柱面則與機(jī)床的上下支架裝配在一起，電極絲則安裝在導(dǎo)輪的凹槽中，工作時(shí)電極絲與導(dǎo)輪一起依靠摩擦力快速運(yùn)動(dòng)，凹槽的橫截面形狀為三角形，開口處約0.8 mm。

1.3 機(jī)床結(jié)構(gòu)與加工導(dǎo)致電極絲安裝時(shí)在前下導(dǎo)輪的凹槽對(duì)中困難

圖2 電極絲所安裝的前上下導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)3D 示意圖

利用線切割加工工件前必須將絲筒上的電極絲按照?qǐng)D1所示進(jìn)行手動(dòng)的穿繞絲操作，以保證電極絲在機(jī)床上形成循環(huán)的閉路，而加工多孔工件時(shí)，每加工一個(gè)孔都需要手動(dòng)拆絲，待機(jī)床跳步到下一個(gè)孔的相應(yīng)加工位置后再完成一次電極絲的穿繞絲步驟。此外，加工過程中遇斷絲、更換新絲、緊絲等操作后都需要完成一次穿繞絲步驟，該步驟是一個(gè)費(fèi)工費(fèi)時(shí)且必不可少的操作。在該操作中，電極絲必須正確安裝在導(dǎo)輪的凹槽中，尤其是前上下導(dǎo)輪如果與電極絲安裝不到位會(huì)造成加工質(zhì)量與機(jī)床故障。但是電極絲與前下導(dǎo)輪的安裝難度較大，圖3所示為圖1線切割電極絲安裝循環(huán)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)3D示意圖，圖中上、下支架的右端用于安裝圖2所示的前上下導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)，從圖中可看出，前下導(dǎo)輪及相應(yīng)機(jī)構(gòu)處于機(jī)床工作臺(tái)導(dǎo)軌的下面，加工工件時(shí)工件又安裝在導(dǎo)軌的上面，因而要實(shí)現(xiàn)電極絲安裝于導(dǎo)輪0.8 mm的凹槽中并不容易，往往需要操作者一手拿電筒，另一只手握住電極絲對(duì)準(zhǔn)下導(dǎo)輪凹槽，操作費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、費(fèi)力。因此創(chuàng)新改進(jìn)前下導(dǎo)輪與電極絲安裝對(duì)中的結(jié)構(gòu)，以便在光線較差、經(jīng)驗(yàn)不足，甚至視力較差的情況下，不借助其它燈光也能容易地將電極絲安裝于前下導(dǎo)輪凹槽中，這樣一方面可減少對(duì)中時(shí)間，提高工效，另一方面也可減少因電極絲沒有正確安裝于導(dǎo)輪凹槽中而導(dǎo)致的加工質(zhì)量問題，并減少機(jī)床故障。

圖3 電極絲安裝的機(jī)床相應(yīng)結(jié)構(gòu)的3D示意圖

2 解決前下導(dǎo)輪與電極絲凹槽對(duì)中的3種方案及其優(yōu)劣

2.1 燈光方案

前下導(dǎo)輪凹槽與電極絲對(duì)中不方便主要是由于機(jī)床導(dǎo)軌與安裝的工件都使得身處其下的前下導(dǎo)輪凹槽與電極絲安裝對(duì)中時(shí)光線偏暗難以對(duì)中，因此解決問題的第一種方案就是在某一位置，增加一個(gè)可移動(dòng)位置的光源，現(xiàn)有機(jī)床常常在機(jī)床立柱附近安裝一個(gè)加罩的燈泡，燈泡的支撐是可伸縮變形和旋轉(zhuǎn)的，需要電極絲在下導(dǎo)輪凹槽上對(duì)中時(shí)，將燈光照射到對(duì)中位置。但是，由于環(huán)境問題，燈泡常常需要更換，否則就需要在對(duì)中時(shí)改用外光源如手電筒等。即使這樣的燈光方案落實(shí)完好，也需要操作者長(zhǎng)時(shí)間彎腰操作，目光聚焦、細(xì)心操作才能完成對(duì)中。

2.2 前下導(dǎo)輪安裝支架的改進(jìn)

解決前下導(dǎo)輪凹槽與電極絲對(duì)中因加工工件與導(dǎo)軌等的遮擋，而使得對(duì)中時(shí)因光線偏暗而不利對(duì)中的問題，另一個(gè)思路是將下導(dǎo)輪的安裝支架與機(jī)床立柱的連接方式加以改變?，F(xiàn)有機(jī)床下導(dǎo)輪安裝支架與機(jī)床立柱的連接采用螺栓緊固連接，支架在水平方向是不能轉(zhuǎn)動(dòng)的，如果前下導(dǎo)輪支架與立柱間這段長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)改為鉸接方式，當(dāng)需要進(jìn)行電極絲與下導(dǎo)輪凹槽對(duì)中時(shí)，則可以將支架與前下導(dǎo)輪以鉸接點(diǎn)為軸在水平方向旋轉(zhuǎn)一定的角度，使得前下導(dǎo)輪避開工件的遮擋，使光線更好，更方便對(duì)中操作，操作完成后再旋轉(zhuǎn)回到原先正確位置。但是這樣因?yàn)殂q接連接會(huì)使得重回位時(shí)存在重復(fù)定位誤差而影響加工精度，且依然需要對(duì)中操作人員長(zhǎng)時(shí)間彎腰，目光聚焦細(xì)心才能對(duì)好中。

2.3 設(shè)計(jì)一個(gè)專門的對(duì)中裝置

根據(jù)導(dǎo)輪凹槽的三角形橫截面的開口處有0.8 mm左右的寬度，在下導(dǎo)輪與支架安裝的位置附近，增加一個(gè)輔助裝置，促使電極絲沿著這一輔助裝置順利地滑入0.8 mm的下導(dǎo)輪凹槽口，再進(jìn)入凹槽底部。這樣，光線的明暗不影響對(duì)中，再也不用久久彎腰，目光聚焦地來(lái)進(jìn)行對(duì)中了。

3 基于3D打印制造的電極絲與下導(dǎo)輪對(duì)中裝置的快速迭代設(shè)計(jì)

3.1 3D打印制造在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的作用

3D打印制造的材料一般有塑料、金屬、陶瓷等，制造方法一般有立體光平板印刷( SLA)、分層實(shí)體制造(LOM)、選擇性激光燒結(jié)（SLS)、熔絲沉積鑄造(FDM)等4種。不論3D打印的打印材料還是制造種類的不同，毫無(wú)例外都會(huì)呈現(xiàn)出3D打印制造獨(dú)特的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)剝離制造方法不同，3D打印也稱疊層增材制造，能夠?qū)㈦娔X中設(shè)計(jì)出的3D數(shù)字模型通過分層掃描得到每層的數(shù)字信息，生成控制代碼來(lái)控制打印機(jī)一層層疊加黏合來(lái)制造零件。因不需要傳統(tǒng)制造中大量的輔助工具與大量工序流程機(jī)床設(shè)施，從而在樣機(jī)模型制造時(shí)能節(jié)約大量的制造時(shí)間，大大縮短制造周期，對(duì)于生產(chǎn)單件性的專供評(píng)價(jià)產(chǎn)品外觀與性能的原型樣品具有十分獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)外觀與性能評(píng)價(jià)過程需要再改進(jìn)時(shí)，只要修改3D模型就能再次利用3D打印快速打印出來(lái)再評(píng)價(jià)，這些特點(diǎn)應(yīng)用在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，就可以加快產(chǎn)品迭代更新定型[5]。此次創(chuàng)新設(shè)計(jì)的電極絲與下導(dǎo)輪對(duì)中裝置就是充分利用了3D打印制造實(shí)現(xiàn)了對(duì)中裝置的快速迭代設(shè)計(jì)。

3.2 設(shè)計(jì)中經(jīng)歷的幾次迭代改進(jìn)過程及最終對(duì)中裝置的確立

下導(dǎo)輪支架與導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)組件安裝的3D示意圖（如圖4）中，支架在與前下導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)組件安裝的右端被銑削加工成左右對(duì)稱的上下貫通的兩部分，中間的銑削槽容納了前下導(dǎo)輪，支架左右對(duì)稱的兩端則通過內(nèi)孔與同樣左右對(duì)稱的下導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)組件中的軸承座進(jìn)行了安裝。

對(duì)中裝置是利用支架中間的銑削槽定位來(lái)完成設(shè)計(jì)，裝置如圖5所示。首次設(shè)計(jì)的對(duì)中裝置設(shè)成一體，左右2個(gè)螺釘通孔實(shí)現(xiàn)對(duì)中裝置在支架上的緊固安裝，對(duì)稱的側(cè)定位面與支架內(nèi)槽兩側(cè)面以單側(cè)0.02 mm的間隙實(shí)現(xiàn)配合安裝定位，與下導(dǎo)輪貼近的1/4圓弧面及垂直面與下導(dǎo)輪最近點(diǎn)相隔一定距離（間隙t), 電極絲由下導(dǎo)輪的下方從對(duì)中裝置斜槽寬端處開始受到斜槽兩側(cè)的斜面導(dǎo)引滑入越來(lái)越窄的斜槽窄端（寬度d),直到進(jìn)入下導(dǎo)輪的凹槽中。該方案設(shè)計(jì)通過3D打印出樣品在線切割機(jī)床上進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，迭代打印求解到了較佳的幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)（間隙t和寬度d），即1/4圓弧及垂直面與下導(dǎo)輪圓弧最近點(diǎn)相隔的最短距離，以及對(duì)中裝置與下導(dǎo)輪最接近處的槽寬。在試用過程中發(fā)現(xiàn)對(duì)稱側(cè)定位面對(duì)應(yīng)的對(duì)中裝置厚度，由于支架的銑削寬度公差較大，對(duì)中裝置厚度尺寸不能按照單側(cè)間隙0.02 mm進(jìn)行間隙配合來(lái)設(shè)計(jì)該尺寸，只能按照支架槽寬度尺寸的自由公差來(lái)設(shè)計(jì)對(duì)中裝置的這一安裝厚度，為使電極絲順利滑入下導(dǎo)輪的槽中，對(duì)于1/4圓弧及垂直面于下導(dǎo)輪最近點(diǎn)距離和最接近下導(dǎo)輪處的對(duì)中裝置槽寬再進(jìn)行了幾次迭代制造，確定設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖4 下導(dǎo)輪支架與導(dǎo)輪組件安裝的3D示意圖

圖5 首次設(shè)計(jì)的一體化的下導(dǎo)輪對(duì)中裝置的3D示意圖

以上的對(duì)中裝置雖然能夠完成對(duì)中，但是使用一段時(shí)間發(fā)現(xiàn)其不利之處：首先是對(duì)中裝置的斜槽長(zhǎng)時(shí)間使用容易嵌藏加工中的金屬殘?jiān)酃?，在電極絲從下而上運(yùn)行時(shí)，被帶入工件的放電區(qū)域，增加了脈沖放電加工中工件與電極絲間的二次放電，從而影響加工精度等；其次是對(duì)中裝置與支架間使用螺釘緊固連接的方式，使得下導(dǎo)輪的工作狀態(tài)不易觀察，更換導(dǎo)輪時(shí)也增加了麻煩；最后，也是最關(guān)鍵的一點(diǎn)是當(dāng)加工的工件是斜面或者錐面時(shí)，電極絲傾斜一個(gè)角度，將會(huì)直接接觸到對(duì)中裝置的導(dǎo)絲斜面，影響加工精度同時(shí)也會(huì)切壞對(duì)中裝置。

圖6為再次迭代改進(jìn)的非一體對(duì)稱的下導(dǎo)輪對(duì)中裝置安裝于支架的3D示意圖，圖7為對(duì)中裝置的2D示意圖，從圖6、圖7可見，對(duì)中裝置設(shè)計(jì)成兩邊獨(dú)立對(duì)稱的非一體化形式，加工斜面和錐面時(shí)因支架銑削槽的上部無(wú)對(duì)中裝置的部分，因此電極絲不會(huì)再接觸到對(duì)中裝置，該對(duì)中裝置設(shè)計(jì)成完全對(duì)稱的2個(gè)零件，克服了一體設(shè)計(jì)更加容易嵌藏金屬殘?jiān)酃傅娜秉c(diǎn)，而使用對(duì)稱的4塊小磁鐵吸附于支架上，比螺釘緊固更便于拆卸。

圖6 再次迭代改進(jìn)的非一體對(duì)稱的下導(dǎo)輪對(duì)中裝置安裝于支架的3D示意圖

圖7 再次迭代改進(jìn)的下導(dǎo)輪對(duì)中裝置的2D示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

在快走絲線切割加工中，穿繞絲時(shí)電極絲在下導(dǎo)輪中實(shí)現(xiàn)對(duì)中，對(duì)于確保加工精度、減少機(jī)床故障等都很重要。而電極絲與下導(dǎo)輪對(duì)中受到光線環(huán)境影響及機(jī)床導(dǎo)軌加工工件的遮擋使得對(duì)中操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本文設(shè)計(jì)的一種不依賴環(huán)境光也不需要經(jīng)驗(yàn)，且方便實(shí)現(xiàn)對(duì)中操作的對(duì)中裝置，具有重要的參考價(jià)值。