陳星宇

（四川職業(yè)技術學院 機械工程系，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。快走絲電火花線切割機床是一種高速電弧切割機床,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[1]。對快走絲電火花線切割加工技術進行改進,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床基本概述

1.1 電火花線切割機床的基本概念

由于科學技術的發(fā)展，目前在生產(chǎn)中使用的快走絲線切割機床幾乎全部采用數(shù)字程序控制，這類機床主要由機床本體、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，當前我國快走絲線切割加工的切割速度可以最高達到216mm2/min，國外已超過300mm2/min。在高精度化方面，國外機床的幾何精度以及運動精度已經(jīng)達到了較高的水平，一般來說，全行程定位精度以及加工精度可達2～3μm，重復定位精度達2μm。在高自動化方面，32位機等設備的使用有效提升了運算速度，同時使得機床控制的內(nèi)容更加豐富。相比而言，國內(nèi)快走絲電火花線切割機近些年來發(fā)展較為迅速，發(fā)展趨勢主要包括采用高強度耐磨鑄鐵來提高機床的機械剛度、不再單一強調(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：第一線架導絲輪的開距是固定的，一般是70mm左右，當切割工件時，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。第二電極絲通過導輪、導電塊與導電的工件直接相接觸,形成與切削對象相平的高壓電場。當工件被加熱時,工件的內(nèi)部溫度迅速升高,當達到一定的臨界點后,由于局部過熱而導致絕緣強度降低,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行速度,這就使得相關領域工作人員必須對其進行進一步的研究和改進。如圖1所示，為快走電火花線切割機床示意圖。

圖1 快走電火花線切割機床示意圖

1.2 電火花線切割機床的原理

電火花線切割機床是由電機驅(qū)動板和絲杠螺母組成的加工設備,其基本結構如圖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，裝夾在機床工作臺上的工件由工作臺按預定控制軌跡相對于電極絲做成形運動。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：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,同時也對設備的安全性提出了較高的標準；最后,電極絲在高速旋轉(zhuǎn)的絲筒上并與各導輪進行接觸,因此對電極絲的質(zhì)量也有很高的要求；這些都會嚴重的損壞機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床的結構設計

2.1 電火花線切割機床的部分

2.1.1 機床的絲筒電機設計與安裝

在對快走絲電火花線切割機床設計、安裝的時候要把機床的主軸部分和進、走絲機構分開,這樣可以保證它們的相對獨立,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)速也就會相應的變大,而在對其的精度要求方面,快走絲電機的轉(zhuǎn)速不能過慢,要符合生產(chǎn)的需要；由于進給的力不是很大,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)的設置

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

2.2 電火花線切割機床加工的計算

在電火花線切割機床加工的計算過程中，設計人員需要對零件的尺寸、形狀和材料的精度進行計算,確定其加工的方法和工藝路線,從而得到機床的總體方案。在對工件的結構及安裝方式的分析之后,電火花線切割機床的主要工作是：第一進給運動，進給系統(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,絲杠與導軌之間的距離會發(fā)生改變。因此，設計人員需要設計變向器來調(diào)節(jié)絲杠的正向與負向,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確性以及穩(wěn)定性。為此要求用手動的機構來代替。第四送料導向，為使得送料的效率提高,設計人員要考慮到如何才能讓電極的電流過小,并且還能減少電機的功率損耗。因為導柱的直徑比較大，導柱的壓力也會相應的增加很多。

2.3 電火花線切割機床的校核

在對電火花線切割機床的校核過程中，工作人員首先要對機床的零部件進行校核,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備的運行效率,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)、運動過程等進行進一步的驗證與分析,以確保其工作的可靠性以及準確性。以上的檢測都需要依據(jù)國家標準來測試,同時還需結合一些數(shù)據(jù)來做全面的對比與總結,以達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床的技術改進

本文的研究對象是改進電火花線切割機床的工藝性,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床的要求也要比傳統(tǒng)的數(shù)控化設備高很多。在原有的電火花線切割機床上,由于存在著各種不一樣的情況(如：切割的方向的不同),所以需要設計一個控制系統(tǒng)來對工件進行控制,以達到提高產(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 改進電火花線切割機床方案

隨著電火花加工的發(fā)展和進步,各種機械和工藝都在進步，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的電火花方法來對工件進行處理,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)濟效益。

3.2 改進電火花線切割機床的結構及部件選型

目前,國內(nèi)電火花線切割機床的發(fā)展主要以傳統(tǒng)的牽引方式為主。其特點是：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)展中應逐步淘汰落后的半自動線切割機床,而采用先進的自動控制系統(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荷。這就要求相關領域設計出一種新型的電火花線切割設備,即改進的電火花綜合驅(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)的進給運動,從而達到不同的效果。該機構的核心部件為變頻電機,變頻調(diào)速,使其在原有基礎上增加5個檔位,可滿足不同的需求，如精確定向、進給距離和方向等。

3.3 改進基于電火花線切割機床的電極裝配

針對電火花線切割機床的加工要求,可以采用以下方案：第一用專用的線纜設備將電火花線切割料機床進行固定,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,需要對其進行熱處理,熱處理的目的是為了使其達到使用的標準要求,而這些的步驟都要經(jīng)過反復的調(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 改進電火花線切割機床的設計與制造

電火花線切割機床的主要功能是將電極絲的絲筒絲桿軸運動轉(zhuǎn)換到工作臺上,并使其沿直線運行。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行,必須在機床導軌上安裝定位裝置,并在機床上放置保護罩。第一在工作臺上安裝時,要嚴格控制好間隙,防止因接觸面磨損而導致的不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生。第二當電機的轉(zhuǎn)速過高時,應及時切斷電源,避免由于電流過大而引起的發(fā)熱和噪聲。第三當電動機的功率較大時,應盡量減少供電電壓,以免影響機器的運行狀態(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 改進導電塊為導電輪

在設備進行工作的過程中，因為導電塊并不能有效地減小電極絲磨損處理，而鉬絲則會在導電塊的表面進行移動，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，所以就會導致導輪以及鉬絲的磨損較為嚴重的情況發(fā)生，如果此種現(xiàn)象進一步嚴重，那么還會導致導電塊表面出現(xiàn)切割過的痕跡。如果可以將導電塊進行改變，將其轉(zhuǎn)化成導電輪的形式，這樣就會對摩擦的方式進行有效的改變，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，同時導電能力也會得到有效的提升。在對其材料進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，因此可以有效提升導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,使其緊貼在導電塊上,那就可以排除鉬絲與導電塊之間的非正常放電、鉬絲在儲絲筒上的疊絲現(xiàn)象、鉬絲在導電塊上留下切槽等原因。為了確保鉬絲在運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行中始終緊貼在導電塊上，確保電火花線切割機床的正常運行。

3.6 改進電火花線切割機床調(diào)試與結果

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,甚至會出現(xiàn)嚴重的報廢現(xiàn)象。因此在對其進行設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,并制定相應的解決措施。第一針對工件的尺寸精度的要求。應該根據(jù)零件孔的孔徑的位置來對工件的直徑大小進行確定的；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,其次便是保證無負載的能力下,還要保障無功功率的允許范圍內(nèi)。

3.7 改進電火花線切割機床調(diào)試步驟

對于改進電火花線切割機床調(diào)試步驟，相關工作人員首先應該確定加工方案,根據(jù)電火花線切割機床的特點和要求,設計合理的生產(chǎn)工藝流程,制定相應的檢測方法和措施,并進行檢查。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,在上述的基礎上,為了保證電火花線切割機床的正常工作,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)進行全面的檢查和調(diào)試,確保其能夠正常工作。在對設備的安裝上,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床來說,要通過調(diào)節(jié)螺釘來實現(xiàn)相應的功能；在對裝置的結構上,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給的方式來完成的；而對于原有的五邊進給就可以用四邊進給的方法。

圖3 采用三螺栓的形式意圖

4 結語

本文主要針對電火花線切割機床的加工技術原理，對現(xiàn)有的電火花線切割機床技術進行分析，提供科學、可行的快走絲電火花線切割機床的結構設計方案、快走絲電火花線切割機床的技術改進措施，以供業(yè)內(nèi)人士及相關領域研究者參考。在整體系統(tǒng)的設計和改進上，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)量符合國家標準。