線切割機床加工鋁件電極絲進電裝置研究

李文平

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，四川廣元628040)

0 引言

鋁在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，鋁的加工一直是機械加工行業(yè)研究的重要課題。由于線切割加工窄縫零件、異形零件等有其獨特的優(yōu)勢，快走絲線切割在加工鋁中一直占有重要的地位。

但是由于鋁其固有的特性，在線切割加工中，時常會出現(xiàn)以下問題:

(1)導(dǎo)輪磨損較嚴重;

(2)電極絲切割鋁材時，導(dǎo)電塊被同時切割，致使導(dǎo)電塊損耗大，業(yè)界俗稱“切割鋁燒導(dǎo)電塊”;

(3)電極絲易被導(dǎo)電塊上的切割槽卡斷，而且常出現(xiàn)在換向過程中;

(4)易短路，切割不穩(wěn)定，降低切割效率，切割表面質(zhì)量不好。

目前，針對普通線切割機床加工鋁件出現(xiàn)問題的解決辦法不多。一般選擇優(yōu)化工藝參數(shù)，減小脈沖寬度以減小氧化鋁顆粒的大小和數(shù)量，降低變頻和跟蹤的速度［1］，以減少短路的機率，減少與導(dǎo)電塊放電頻率［2］，還需及時更換冷卻液，以保持冷卻液良好的過濾和清潔作用［3］，或者采用專門電極絲。這些措施都不能完全避免問題的產(chǎn)生。

本研究從分析普通線切割機床切割鋁件時產(chǎn)生問題的原因著手，討論解決措施，得出需在機構(gòu)改進上設(shè)計一套電極絲進電裝置，并分析如何設(shè)計電極絲進電裝置的技術(shù)方案，使普通線切割機床適應(yīng)切割鋁件。

1 產(chǎn)生問題的原因

由于鋁這種金屬導(dǎo)電率高，切割時電蝕產(chǎn)物顆粒大，與空氣中氧氣發(fā)生反應(yīng)形成Al2O3。Al2O3又稱剛玉，是一種研磨劑。其會附著在線切割電極絲上，去磨損導(dǎo)電塊以及導(dǎo)輪，導(dǎo)致導(dǎo)輪磨損嚴重［4］。

同時由于電蝕產(chǎn)物Al2O3隨著電極絲被帶到導(dǎo)電塊上，造成電極絲與導(dǎo)電塊發(fā)生火花放電，讓機床進給機構(gòu)誤以為已經(jīng)進給，驅(qū)動工件作移動，但實際上工件未被切割，造成短路。一旦短路，反過來又促進電極絲與導(dǎo)電塊放電，這樣造成短路情況發(fā)生，切割表面質(zhì)量不好，同時導(dǎo)電塊被切割出一個深槽。

深槽的出現(xiàn)，由于電極絲中間部分絲的直徑小于電極絲兩端部分絲的直徑，電極絲在換向時，兩端部分絲在通過由中間部分絲切割出的導(dǎo)電塊深槽時，將會卡斷絲，造成易斷絲的狀況［5］。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，普通線切割機床加工鋁中易出現(xiàn)的4 個問題中:導(dǎo)輪磨損嚴重是由于Al2O3的產(chǎn)生，這個問題不好避免外，其他3 個問題的產(chǎn)生都與電極絲進電位置導(dǎo)電塊相關(guān)［6］。

2 解決問題技術(shù)方案分析

2.1 方案的提出

解決線切割機床加工鋁的問題，一般采用專門的電極絲;或者在電參數(shù)方面上進行調(diào)整，導(dǎo)電塊出現(xiàn)損壞就勤加更換。這兩種解決問題的方式，成本較高，解決問題也不徹底。

經(jīng)上分析可知，線切割機床加工鋁出現(xiàn)的問題中，導(dǎo)輪磨損嚴重是由于Al2O3的產(chǎn)生。解決這個問題的辦法，一是阻止Al2O3產(chǎn)生，二是勤加更換或者選擇高耐磨的導(dǎo)輪。目前從經(jīng)濟效益上考慮，多還是選擇第二種辦法。其他3 個問題“燒導(dǎo)電塊”、換向切割槽卡斷絲及切割不穩(wěn)的問題都與電極絲進電位置導(dǎo)電塊相關(guān)，因此，研究員可以選擇取消導(dǎo)電塊裝置，從而避免“燒導(dǎo)電塊”及換向切割槽卡斷絲的問題，同時提高切割穩(wěn)定性。

但是，取消導(dǎo)電塊后，研究員需設(shè)計替代機構(gòu)，新的電極絲進電裝置，實現(xiàn)導(dǎo)電塊的功能—使線切割電極絲連接電源的一極，且改進后不影響機床的運轉(zhuǎn)。

替代機構(gòu)的設(shè)計要求可歸納如下3 點:

(1)能代替導(dǎo)電塊，實現(xiàn)導(dǎo)電塊的作用。即能將電源的一極接到線切割電極絲上，但不影響線切割機床的運轉(zhuǎn);

(2)新的電極絲進電裝置如何避免Al2O3與其接觸。即使接觸了，也不影響進電裝置的壽命;

(3)新的電極絲進電裝置需不影響線切割機床加工工藝范圍。

2.2 方案的技術(shù)分析

要實現(xiàn)新的電極絲進電裝置設(shè)計要求，本研究需分析以下技術(shù)問題:

(1)電極絲接電位置分析

普通線切割機床電極絲進電的導(dǎo)電塊在絲架的中間位置處。如果去掉導(dǎo)電塊裝置，有兩種方法，一種是接電位置后移，在繞絲筒處接電［7］，另一種是前移，在前導(dǎo)向輪處接電如圖1所示。比較兩種接電方法，筆者發(fā)現(xiàn)采用在前導(dǎo)向輪處接電，鋁切割效率要高一些，在繞絲筒處接電，由于與電極絲工作區(qū)距離遠，造成功率損耗，因而切割效率要低一些。因此，本研究選擇在前導(dǎo)向輪處接電［8］。

圖1 接電位置

(2)進電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)分析

導(dǎo)向輪導(dǎo)電，電極絲會與導(dǎo)向輪產(chǎn)生火花放電。通常火花放電可能會產(chǎn)生在接電處。在接電處會構(gòu)成正、負兩個極性。進電機構(gòu)接在導(dǎo)向輪處，這樣就會在機床處于短路時，導(dǎo)輪變成正極(一般情況下，工件接正極)，進電機構(gòu)變成負極，而產(chǎn)生火花放電，腐蝕導(dǎo)輪。

由此可知，線切割機床的進電裝置設(shè)計的關(guān)鍵問題是，火花放電不能避免，讓電極絲在導(dǎo)向輪處接電，規(guī)避了電極絲被換向切割槽卡斷的問題，但是，無法規(guī)避線切割火花放電“燒導(dǎo)向輪”的問題。經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)，解決辦法一是盡量降低放電頻率，二是將接電的地方選在導(dǎo)向輪的軸處，并對軸進行人為加長，即使腐蝕了，也是人為加長的部分。這樣不影響導(dǎo)向輪的結(jié)構(gòu)。同時由于接在軸處，其結(jié)構(gòu)處于封閉狀態(tài)，沒有Al2O3顆粒，將降低放電頻率。本研究通過采取這種辦法解決產(chǎn)生放電腐蝕后，傷及導(dǎo)向輪的問題。

筆者同時考慮到接電塊要與導(dǎo)向輪軸接觸，軸高速旋轉(zhuǎn)，將產(chǎn)生摩擦，就要選一種材料既導(dǎo)電，同時能降低摩擦的材料。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)石墨可以實現(xiàn)這種功能，因為石墨可以導(dǎo)電，同時可以自潤滑［9］。本研究選用石墨作為電源一極與導(dǎo)向輪軸連接。

3 進電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

經(jīng)上分析，本研究在如圖1所示導(dǎo)向輪處接電，設(shè)計機構(gòu)如圖2所示。電源的一極經(jīng)石墨塊、導(dǎo)輪軸、導(dǎo)輪引入電極絲。石墨塊后方加彈簧，以保證石墨塊與導(dǎo)輪加長軸緊密接觸。加長的導(dǎo)輪軸，可以提高導(dǎo)輪壽命。外在電源由石墨塊引入，可以滿足導(dǎo)輪運轉(zhuǎn)順暢要求。

圖2 進電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證該裝置設(shè)計的有效性，在設(shè)置同樣電參數(shù)情況下，本研究選擇了兩臺線切割機床同時切割如圖3所示的鋁件，其中一臺沒有改進，另一臺做了改進，切割統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。其中，斷絲次數(shù)、短路次數(shù)、切割表面質(zhì)量均統(tǒng)計的是切割如圖3所示1 個鋁件的情況;進電裝置壽命和導(dǎo)輪壽命是統(tǒng)計持續(xù)切割如圖3所示鋁件多個時，誰先出現(xiàn)損壞情況。

圖3 鋁件

表1 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表1 可知，改進后機床在能較好解決斷絲、短路問題，能提高切割表面質(zhì)量問題。在進電裝置壽命方面，統(tǒng)計持續(xù)切割如圖3所示鋁件多個時，誰先出現(xiàn)損壞情況，說明改進后機床在進電裝置壽命方面優(yōu)于改進前機床。在導(dǎo)輪磨損情況方面，在持續(xù)切割如圖3所示鋁件多個時，未明顯發(fā)現(xiàn)改進前機床與改進后機床誰的導(dǎo)輪磨損更嚴重，因此結(jié)果可以說是基本一樣，也說明改進后，在前導(dǎo)輪處接電，不影響導(dǎo)輪壽命。

5 結(jié)束語

本研究通過分析普通線切割機床加工鋁件出現(xiàn)問題的原因，提出了替代普通線切割機床電極絲進電裝置—導(dǎo)電塊的方案。

本研究重新設(shè)計進電裝置，其有效性得到了實驗驗證，實驗結(jié)果表明此裝置可以較好解決普通線切割機床加工鋁件常出現(xiàn)問題，避免損壞導(dǎo)電塊，降低斷絲、短路的頻率，同時提高線切割鋁件的表面質(zhì)量。

［1］張錦洲，魯 南.電參數(shù)對鋁合金線切割加工速度影響的研究［J］.山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2008，22(4):46-48.

［2］張好強，賈曉鳴，侯鎖霞.鋁材電火花線切割加工工藝的改進［J］.模具工業(yè)，2008(10):63-65.

［3］劉文靜.鋁材電火花線切割加工工藝的改進［J］.廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008，33(4):40-41.

［4］陳 平.數(shù)控線切割工作液對鋁件腐蝕原因的探索［J］.電加工與模具，2011(4):46-47.

［5］張好強.快走絲線切割加工鋁合金工藝研究［J］.模具工業(yè)，2008，34(10):67-68.

［6］于 家.數(shù)控線切割加工鋁件中關(guān)鍵性的技術(shù)問題分析［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(17):105-105.

［7］張明光，程軍榮.線切割加工技術(shù)的改進［J］.金屬加工冷加工，2009(19):57-58.

［8］韓運清.線切割機床加工中大厚鋁件的改進［J］.設(shè)備管理與維修，2010(11):40-41.

［9］張亞萍，馬明星.快走絲切電火花線切割機床割鋁裝置設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造，2011(8):176-177.