快走絲電火花線切割機(jī)床的技術(shù)改進(jìn)

陳星宇

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，四川 遂寧 629000）

0 引言

快走絲電火花線切割是利用對電極材料進(jìn)行火花放電所產(chǎn)生大量的熱來去除金屬加工的一種方法?？熳呓z電火花線切割機(jī)床是一種高速電弧切割機(jī)床,它具有加工精度高、速度快、切削效率高和能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。對快走絲電火花線切割加工技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),能夠有效提高快走絲的精度和效率。

1 快走絲電火花線切割機(jī)床基本概述

1.1 電火花線切割機(jī)床的基本概念

由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前在生產(chǎn)中使用的快走絲線切割機(jī)床幾乎全部采用數(shù)字程序控制，這類機(jī)床主要由機(jī)床本體、脈沖電源、數(shù)控系統(tǒng)和工作液循環(huán)系統(tǒng)組成。國外快走絲電火花切割機(jī)床的發(fā)展充分體現(xiàn)了高速度化、高精度化以及高自動化等發(fā)展趨勢。在高速度化方面，當(dāng)前我國快走絲線切割加工的切割速度可以最高達(dá)到216mm2/min，國外已超過300mm2/min。在高精度化方面，國外機(jī)床的幾何精度以及運(yùn)動精度已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，一般來說，全行程定位精度以及加工精度可達(dá)2～3μm，重復(fù)定位精度達(dá)2μm。在高自動化方面，32位機(jī)等設(shè)備的使用有效提升了運(yùn)算速度，同時使得機(jī)床控制的內(nèi)容更加豐富。相比而言，國內(nèi)快走絲電火花線切割機(jī)近些年來發(fā)展較為迅速，發(fā)展趨勢主要包括采用高強(qiáng)度耐磨鑄鐵來提高機(jī)床的機(jī)械剛度、不再單一強(qiáng)調(diào)電極絲的高速、加裝電極絲定位限幅器來控制振動。與國外的機(jī)床制造的差距仍然存在，但在逐漸縮小。在加工薄板材的過程中,薄工件一般指其厚度在3mm以下，其斷絲原因：第一線架導(dǎo)絲輪的開距是固定的，一般是70mm左右，當(dāng)切割工件時，在高速走絲的情況下，電極絲失去了加工厚工件時產(chǎn)生的工作液的阻尼作用，加上火花放電的影響鉬絲抖動。第二電極絲通過導(dǎo)輪、導(dǎo)電塊與導(dǎo)電的工件直接相接觸,形成與切削對象相平的高壓電場。當(dāng)工件被加熱時,工件的內(nèi)部溫度迅速升高,當(dāng)達(dá)到一定的臨界點(diǎn)后,由于局部過熱而導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低,最后使其斷絲。在切割的時候會產(chǎn)生大量的熱損耗,因此需要對其進(jìn)行冷卻,以保證其工作的可靠性及耐用性。為了提高鉬絲的耐磨性,延長其使用壽命,并且要求高效率的運(yùn)行速度,這就使得相關(guān)領(lǐng)域工作人員必須對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。如圖1所示，為快走電火花線切割機(jī)床示意圖。

圖1 快走電火花線切割機(jī)床示意圖

1.2 電火花線切割機(jī)床的原理

電火花線切割機(jī)床是由電機(jī)驅(qū)動板和絲杠螺母組成的加工設(shè)備,其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。電火花線切割加工原理同電火花成形加工原理一樣，利用工具電極（電極絲）和工件兩極之間瞬時的脈沖放電產(chǎn)生的高溫對工件進(jìn)行尺寸加工。繞在滾絲筒（又稱儲絲筒）上的電極絲沿滾絲筒的回轉(zhuǎn)方向以一定的速度移動，裝夾在機(jī)床工作臺上的工件由工作臺按預(yù)定控制軌跡相對于電極絲做成形運(yùn)動。脈沖電源的一極接工件，另一極接電極絲，在工件與電極絲之間總是保持一定的放電間隙且噴灑工作液，電極之間的火花放電蝕出一定的縫隙連續(xù)不斷的脈沖放電就切出了所需形狀和尺寸的工件。

圖2 機(jī)床走絲系統(tǒng)示意圖

1.3 電火花線切割特性

快走絲電火花線切割的特點(diǎn)：第一工件表面光潔平整,沒有劃痕,而且有一定的硬度；第二工件的直徑比較大,尺寸精度高,可采用高強(qiáng)度耐磨的耐磨劑來提高其耐蝕性；第三在切割過程中,工作液酸的腐蝕性會影響工件材料的使用性能和壽命,所以要求電火花與電源的電壓要低,否則容易引起切削液的變質(zhì)或燒損,并且易發(fā)生短路,同時也對設(shè)備的安全性提出了較高的標(biāo)準(zhǔn)；最后,電極絲在高速旋轉(zhuǎn)的絲筒上并與各導(dǎo)輪進(jìn)行接觸,因此對電極絲的質(zhì)量也有很高的要求；這些都會嚴(yán)重的損壞機(jī)床的零件及帶來不必要的損失和麻煩。

2 快走絲電火花線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 電火花線切割機(jī)床的部分

2.1.1 機(jī)床的絲筒電機(jī)設(shè)計與安裝

在對快走絲電火花線切割機(jī)床設(shè)計、安裝的時候要把機(jī)床的主軸部分和進(jìn)、走絲機(jī)構(gòu)分開,這樣可以保證它們的相對獨(dú)立,并且互不影響。因為快走絲電火花的切割速度比較高,所以它的轉(zhuǎn)速也就會相應(yīng)的變大,而在對其的精度要求方面,快走絲電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能過慢,要符合生產(chǎn)的需要；由于進(jìn)給的力不是很大,因此為了提高它的效率我們就要把電動機(jī)的功率控制到一定的范圍內(nèi),同時還要考慮到它的噪音問題,這也是很有必要的。

2.1.2 高速自動調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)置

工作臺工件的進(jìn)給方向和定位的準(zhǔn)確度都會受到高速的絲筒運(yùn)轉(zhuǎn)情況的直接影響,如果絲筒回轉(zhuǎn)運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩太大,那么就不能夠及時的進(jìn)行處理,從而導(dǎo)致機(jī)器的運(yùn)行不平穩(wěn),出現(xiàn)事故的可能性比較大,所以應(yīng)該設(shè)有專門的保護(hù)措施,避免工作人員的失誤造成不必要的損失和傷害。

2.2 電火花線切割機(jī)床加工的計算

在電火花線切割機(jī)床加工的計算過程中，設(shè)計人員需要對零件的尺寸、形狀和材料的精度進(jìn)行計算,確定其加工的方法和工藝路線,從而得到機(jī)床的總體方案。在對工件的結(jié)構(gòu)及安裝方式的分析之后,電火花線切割機(jī)床的主要工作是：第一進(jìn)給運(yùn)動，進(jìn)給系統(tǒng)的動力由脈沖電源提供。第二切斷移動，在切割的過程中,由于絲杠的反向作用,絲杠與導(dǎo)軌之間的距離會發(fā)生改變。因此，設(shè)計人員需要設(shè)計變向器來調(diào)節(jié)絲杠的正向與負(fù)向,使其能夠完成橫向或縱向的位移控制。第三夾緊裝置，為了使工件夾持穩(wěn)定,防止工件在切削的時候變形,所以要使用夾緊力來實現(xiàn)這一功能。同時還要保證定位的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性。為此要求用手動的機(jī)構(gòu)來代替。第四送料導(dǎo)向，為使得送料的效率提高,設(shè)計人員要考慮到如何才能讓電極的電流過小,并且還能減少電機(jī)的功率損耗。因為導(dǎo)柱的直徑比較大，導(dǎo)柱的壓力也會相應(yīng)的增加很多。

2.3 電火花線切割機(jī)床的校核

在對電火花線切割機(jī)床的校核過程中，工作人員首先要對機(jī)床的零部件進(jìn)行校核,保證零件的精度和質(zhì)量,在加工的時候不出現(xiàn)異常情況,在生產(chǎn)中避免發(fā)生意外。為防止因為損壞或者由于磨損造成影響整個設(shè)備的運(yùn)行效率,所以一定要注意安裝和拆卸,根據(jù)實際的使用要求來選擇合適的部件并確定其型號[2]。最后還要對電火花線切割裝置的各個部分的連接方式、尺寸參數(shù)、運(yùn)動過程等進(jìn)行進(jìn)一步的驗證與分析,以確保其工作的可靠性以及準(zhǔn)確性。以上的檢測都需要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)來測試,同時還需結(jié)合一些數(shù)據(jù)來做全面的對比與總結(jié),以達(dá)到檢驗的目的才能證明此方案的可行性及有效性。

3 快走絲電火花線切割機(jī)床的技術(shù)改進(jìn)

本文的研究對象是改進(jìn)電火花線切割機(jī)床的工藝性,主要解決的是線切割加工與普通的數(shù)控改造,其目的在于提高生產(chǎn)效率,降低成本,實現(xiàn)自動化,因此對電火花線切割機(jī)床的要求也要比傳統(tǒng)的數(shù)控化設(shè)備高很多。在原有的電火花線切割機(jī)床上,由于存在著各種不一樣的情況(如：切割的方向的不同),所以需要設(shè)計一個控制系統(tǒng)來對工件進(jìn)行控制,以達(dá)到提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量的目的；而在現(xiàn)有的電弧式切割的基礎(chǔ)上,根據(jù)實際的要求來選擇合適的控制方式,從而實現(xiàn)對工件的精確控制。

3.1 改進(jìn)電火花線切割機(jī)床方案

隨著電火花加工的發(fā)展和進(jìn)步,各種機(jī)械和工藝都在進(jìn)步，電火花線材的價格也在下降。因此為了滿足市場需求,在未來的發(fā)展中會選擇使用先進(jìn)的電火花方法來對工件進(jìn)行處理,這樣不僅可以保證產(chǎn)品的品質(zhì)、精度,而且還能降低生產(chǎn)成本,獲得經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 改進(jìn)電火花線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)及部件選型

目前,國內(nèi)電火花線切割機(jī)床的發(fā)展主要以傳統(tǒng)的牽引方式為主。其特點(diǎn)是：第一加工精度低,切割速度慢,效率低；第二自動化程度不高,操作人員勞動強(qiáng)度大,生產(chǎn)成本高；第三產(chǎn)品質(zhì)量差,易產(chǎn)生肉眼難以觀察的異物,如假絲、假皮等。因此,在未來的發(fā)展中應(yīng)逐步淘汰落后的半自動線切割機(jī)床,而采用先進(jìn)的自動控制系統(tǒng),實現(xiàn)高速化的作業(yè)模式,以提高生產(chǎn)率和降低工人的工作負(fù)荷。這就要求相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計出一種新型的電火花線切割設(shè)備,即改進(jìn)的電火花綜合驅(qū)動裝置。它可以通過改變電極絲的放電狀態(tài)來調(diào)節(jié)對切削區(qū)的進(jìn)給運(yùn)動,從而達(dá)到不同的效果。該機(jī)構(gòu)的核心部件為變頻電機(jī),變頻調(diào)速,使其在原有基礎(chǔ)上增加5個檔位,可滿足不同的需求，如精確定向、進(jìn)給距離和方向等。

3.3 改進(jìn)基于電火花線切割機(jī)床的電極裝配

針對電火花線切割機(jī)床的加工要求,可以采用以下方案：第一用專用的線纜設(shè)備將電火花線切割料機(jī)床進(jìn)行固定,然后在通過專門的夾緊力將其牢固地安裝在下一個電極上。第二電火花線切割加工機(jī)床需要用到的絲桿的材質(zhì)是QT,而QT的硬度較低,在加工時,需要對其進(jìn)行熱處理,熱處理的目的是為了使其達(dá)到使用的標(biāo)準(zhǔn)要求,而這些的步驟都要經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整才能完成。第三由于電火花的特性以及電解液的導(dǎo)磁性質(zhì),使得電極絲的表面會產(chǎn)生一層薄膜,這層膜的厚度會比較大,而且在加工時,也很難保證對電極的精度要求。第四因為電解液的導(dǎo)磁性,所以電極絲的表層會形成一個電位差,這個電位差就是電解液的電壓。針對以上的問題提出了以下的優(yōu)化方案：第一將電極管的外壁上涂上防銹的油性溶液,這樣可以防止電極氧化,從而提高生產(chǎn)效率。第二將工件的外表面涂上帶有聚苯乙烯的粘片,這種粘片也能起到一定的潤滑作用,還能減少工件的磨損程度。

3.4 改進(jìn)電火花線切割機(jī)床的設(shè)計與制造

電火花線切割機(jī)床的主要功能是將電極絲的絲筒絲桿軸運(yùn)動轉(zhuǎn)換到工作臺上,并使其沿直線運(yùn)行。電弧放電的原理是利用高壓電源的作用來實現(xiàn)的；對工件進(jìn)行加工的時候會產(chǎn)生一定的高溫和噪聲,所以在對工件的表面進(jìn)行處理的過程中,需要采用耐腐蝕的材料來提高其耐磨性。為了保證電火花線切割加工的正常進(jìn)行,必須在機(jī)床導(dǎo)軌上安裝定位裝置,并在機(jī)床上放置保護(hù)罩。第一在工作臺上安裝時,要嚴(yán)格控制好間隙,防止因接觸面磨損而導(dǎo)致的不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生。第二當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速過高時,應(yīng)及時切斷電源,避免由于電流過大而引起的發(fā)熱和噪聲。第三當(dāng)電動機(jī)的功率較大時,應(yīng)盡量減少供電電壓,以免影響機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。如果有特殊情況,如溫度較高,或因接地電阻較小等,則可以采用不同的措施來減小干擾。如使用一個三相交流電源并聯(lián)的方式來降低接地故障的發(fā)生率；或者是將兩個直流高壓電容器串聯(lián),以達(dá)到降壓的目的；還可利用調(diào)節(jié)電位器的脈沖寬度,從而使放電頻率由原來的1.5Hz提高到22kHz。

3.5 改進(jìn)導(dǎo)電塊為導(dǎo)電輪

在設(shè)備進(jìn)行工作的過程中，因為導(dǎo)電塊并不能有效地減小電極絲磨損處理，而鉬絲則會在導(dǎo)電塊的表面進(jìn)行移動，移動的過程中需要的摩擦方式為滑動摩擦的方式，此種摩擦方式的摩擦系數(shù)較大，所以就會導(dǎo)致導(dǎo)輪以及鉬絲的磨損較為嚴(yán)重的情況發(fā)生，如果此種現(xiàn)象進(jìn)一步嚴(yán)重，那么還會導(dǎo)致導(dǎo)電塊表面出現(xiàn)切割過的痕跡。如果可以將導(dǎo)電塊進(jìn)行改變，將其轉(zhuǎn)化成導(dǎo)電輪的形式，這樣就會對摩擦的方式進(jìn)行有效的改變，將其轉(zhuǎn)化為滾動摩擦的方式，這樣就會使得磨損的情況得到很好的改善，同時導(dǎo)電能力也會得到有效的提升。在對其材料進(jìn)行選擇是最好可以選擇合金鋼，此種材料具有質(zhì)地較硬的特點(diǎn)，因此可以有效提升導(dǎo)電輪的實際使用時間[3]。另外，針對鉬絲松馳的情況，需要針對其原因進(jìn)行分析,如果在工作過程中一直有一個恒定的重力作用在鉬絲上,使其緊貼在導(dǎo)電塊上,那就可以排除鉬絲與導(dǎo)電塊之間的非正常放電、鉬絲在儲絲筒上的疊絲現(xiàn)象、鉬絲在導(dǎo)電塊上留下切槽等原因。為了確保鉬絲在運(yùn)行過程中始終處于一定力的張緊狀態(tài),需要為鉬絲提供一個恒力。如自動張絲裝置來提供恒力。由于自動張緊裝置可以確保施加在鉬絲上的力方向不變垂直向下、大小不變，因此可以保證鉬絲在運(yùn)行中始終緊貼在導(dǎo)電塊上，確保電火花線切割機(jī)床的正常運(yùn)行。

3.6 改進(jìn)電火花線切割機(jī)床調(diào)試與結(jié)果

在電火花線切割加工的過程中,由于各種因素的綜合影響,導(dǎo)致其表面的質(zhì)量不穩(wěn)定,從而造成了產(chǎn)品的合格率不高,甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的報廢現(xiàn)象。因此在對其進(jìn)行設(shè)計的時候要充分考慮到各方面的問題和可能產(chǎn)生的故障隱患,并制定相應(yīng)的解決措施。第一針對工件的尺寸精度的要求。應(yīng)該根據(jù)零件孔的孔徑的位置來對工件的直徑大小進(jìn)行確定的；依據(jù)所測的孔徑的高度對工件的厚度以及外圓的圓度進(jìn)行測量。第二針對電源的性能參數(shù)的選擇。首先,就是要確保供電電壓的穩(wěn)定性和安全性,其次便是保證無負(fù)載的能力下,還要保障無功功率的允許范圍內(nèi)。

3.7 改進(jìn)電火花線切割機(jī)床調(diào)試步驟

對于改進(jìn)電火花線切割機(jī)床調(diào)試步驟，相關(guān)工作人員首先應(yīng)該確定加工方案,根據(jù)電火花線切割機(jī)床的特點(diǎn)和要求,設(shè)計合理的生產(chǎn)工藝流程,制定相應(yīng)的檢測方法和措施,并進(jìn)行檢查。其次，在實際操作過程中,如果發(fā)現(xiàn)問題,立即對其分析,找出原因,并及時修改。再次,在整個的生產(chǎn)過程中,要不斷地觀察零件的動態(tài)性能,通過調(diào)節(jié)裝置的整體可靠性來提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平。最后,在上述的基礎(chǔ)上,為了保證電火花線切割機(jī)床的正常工作,還需要對其電氣控制系統(tǒng)的原理、功能、特性等方面的研究和探討。對整個電火花線切割加工系統(tǒng)進(jìn)行全面的檢查和調(diào)試,確保其能夠正常工作。在對設(shè)備的安裝上,要注意零件的固定、連接的方式以及定位的位置等問題。對于原有的電火花線切割機(jī)床來說,要通過調(diào)節(jié)螺釘來實現(xiàn)相應(yīng)的功能；在對裝置的結(jié)構(gòu)上,也就是主要的部分是采用的是三螺栓的形式來完成。如圖3所示；而對于原有的三螺栓,則是利用的是原來的四邊進(jìn)給的方式來完成的；而對于原有的五邊進(jìn)給就可以用四邊進(jìn)給的方法。

圖3 采用三螺栓的形式意圖

4 結(jié)語

本文主要針對電火花線切割機(jī)床的加工技術(shù)原理，對現(xiàn)有的電火花線切割機(jī)床技術(shù)進(jìn)行分析，提供科學(xué)、可行的快走絲電火花線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、快走絲電火花線切割機(jī)床的技術(shù)改進(jìn)措施，以供業(yè)內(nèi)人士及相關(guān)領(lǐng)域研究者參考。在整體系統(tǒng)的設(shè)計和改進(jìn)上，需要根據(jù)實際的情況來制定方案，以保證生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)。