小模數(shù)齒條線切割加工工藝分析

呂誼明

摘要：本文運用數(shù)控電火花線切割工作原理和加工工藝對小模數(shù)齒條零件的切割所存在的問題進行了分析，同時提出了解決的方法，并且采取了合理的措施，應(yīng)用機械設(shè)計理論和線切割工作原理、加工技巧等，使小模數(shù)齒條零件的齒形切割達(dá)到了設(shè)計技術(shù)要求，為同行實際使用數(shù)控電火花線切割機床的操作提供了較好的實際案例。

關(guān)鍵詞：齒條;線切割;齒形;切割;工藝分析

前言

目前在新產(chǎn)品的研制和開發(fā)中，大量采用數(shù)控機床（包括線切割機床）直接來加工零件以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。但是，再先進的機床，如果沒有重視加工的工藝技術(shù)和操作技巧，沒有達(dá)到工藝的合理性，是不能高效地加工出高質(zhì)量的零件的。因此在數(shù)控機床實際操作過程中，必須重視有關(guān)加工工藝技術(shù)。

數(shù)控快走絲線切割機床切割加工零件的精度高、效率高，特別適應(yīng)平面復(fù)雜形狀零件的加工，具有應(yīng)用靈活、加工周期短、節(jié)約材料等特點。

然而，快走絲線切割加工的電極鉬絲是纏繞在圓柱貯絲筒上來回循環(huán)帶動電極鉬絲走動，使切割后的零件表面存在換向條紋，粗糙度低。在切割過程中，隨放電能量和切割厚度的增加，以及零件材料變形等因素會使斷絲的幾率增加。另外工藝路線制定不當(dāng)、切割起點不妥、零件裝夾不正確，還有工作乳化液濃度和清晰程度等，都會影響零件的加工質(zhì)量。

因此，分析和解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的工藝問題顯得尤為重要，本文通過對辦公機械設(shè)備（自動鉆孔機）中的關(guān)鍵零件小模數(shù)（m?=?1）齒條線切割加工工藝的分析來解決線切割加工過程中存在的問題，以便對同行在實際操作線切割加工時有所幫助。

1.產(chǎn)品與加工缺陷

圖1

圖1是辦公機械設(shè)備（自動鉆孔機）中模數(shù)等于1的漸開線齒條，厚度為3mm，材料為08F，技術(shù)要求為二平面平整度≤0.02，且每個齒形須一致。

由于該齒條零件在快走絲線切割機床切割后發(fā)覺有如下缺陷沒有達(dá)到技術(shù)要求：

1.1齒形為三角形且齒形大小不均勻，變形大。

1.2齒輪和齒條嚙合時有根切現(xiàn)象且間隙大有竄動。

1.3零件平整度差且齒形表面粗糙度大，有明顯的切割痕跡。

1.4在切割時斷絲現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.缺陷產(chǎn)生原因和解決對策

2.1漸開線齒條變成三角形齒條的原因分析和解決方法

眾所周知，齒條可視為齒數(shù)無窮多的齒輪，分度圓無窮大，成為分度線。任意與分度線平行的直線上的齒距均相等，即Pk?=?π?m?。分度線上s?=?e?，其他直線上sk??=?e?k。

齒廓上各點的法線相互平行，齒條移動時，各點的速度方向、大小均一樣，故齒條齒廓上各點的壓力角相同。齒廓的壓力角等于齒形角數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)壓力角值。

數(shù)控電火花線切割是利用移動的細(xì)金屬（鉬）導(dǎo)線作為工具電極，在金屬絲與工件間施加脈沖電流（放電），產(chǎn)生放電腐蝕，對工件進行切割加工的。再加上由于本零件切割使用的是快走絲方式切割，材料的厚度只有3mm，在134.5mm上均勻分布有44個齒，雖然切割時程序（即：鉬絲所走軌跡）中已經(jīng)把鉬絲半徑和放電間隙計算進，但由于模數(shù)小，齒形的表面產(chǎn)生放電腐蝕大，齒形易變成三角形（如圖2），使齒輪嚙合時產(chǎn)生根切現(xiàn)象且間隙大有竄動。

圖2??????????????????????????????????圖3

為此，在切割時采用了如下措施：

2.1.1根據(jù)上述的齒條設(shè)計原理對齒形進行如下變形（見圖3，設(shè)計過程略）。

因為二齒輪的嚙合處在節(jié)點上，所以把節(jié)點處線條齒形作了變形（即：變胖了）。

2.1.2把原來一次切割10件齒條的厚度（30mm）改成一次切割20件齒條（60mm），并且把電流減小，

由于采用了上述措施所以切割后的齒形就不再變成三角形了，齒輪嚙合時的根切現(xiàn)象也消失了。

2.2齒形大小不均勻，變形大的原因分析和解決方法

線切割的加工原理如圖4所示，工件連接脈沖電源的正極，電極絲（鉬絲）接負(fù)極，加上高頻脈沖電源后，在工件與電極絲之間產(chǎn)生很強的脈沖電場，使其間的介質(zhì)被電離擊穿，產(chǎn)生脈沖放電。電極絲（鉬絲）在貯絲筒的作用下作正反向交替運動，在電極絲和工件之間澆注工作介質(zhì)，在機床數(shù)控系統(tǒng)的控制下，工作臺相對電極絲按預(yù)定的程序運動，從而切割出需要的工件形狀。

圖4

工作臺上的工件相對電極絲按預(yù)定的程序作運動一般有四種情況，即在XY坐標(biāo)系中作直線、斜線、順時針圓弧、逆時針圓弧切割。

根據(jù)工作臺上的工件相對電極絲作四種運動情況來分析電極絲的受力（如圖5所示）可知，當(dāng)電極絲在第1、2、4象限運動時電極絲均受到三個方向力的作用且電極絲不易拉長，只有當(dāng)電極絲在第三象限運動時電極絲受到三個方向一致的力，因此電極絲在第三象限運動時電極絲極易拉長，則此時切割出的形狀容易變形。

第1象限運動時的受力??第2象限運動時的受力?第3象限運動時的受力??第4象限運動時的受力

圖5

另外，穿絲孔是電極絲相對工件運動的起點，同時也是程序執(zhí)行的起點，一般選在工件上的基準(zhǔn)點處。為縮短開始切割時的切入長度，穿絲孔也可選在距離型孔邊緣2～5mm處，加工時，為減小變形，電極絲切割時的運動軌跡與邊緣的距離應(yīng)大于5mm。由于原來切割的起點是在零件毛坯外面，后來雖然改成在零件毛坯里面（見圖6）但還是不理想。

圖6

根據(jù)線切割的加工原理和電極絲的受力分析，發(fā)覺齒形不理想的主要原因是整個切割的路徑是順時針方向，在切割齒形時重復(fù)L3方向過多造成的。為此調(diào)整切割路徑方向為逆時針，結(jié)果切割后的齒形質(zhì)量良好。

2.3斷絲、零件平整度、齒形粗糙度等問題原因分析和解決方法

電火花線切割加工過程，是使用細(xì)金屬（鉬）導(dǎo)線作為工具電極和工件之間不斷產(chǎn)生脈沖性的火花放電，靠放電時局部、瞬時產(chǎn)生的高溫去除工件多余材料，以及使材料改變性能或被鍍覆等的放電加工。齒條零件是3mm厚度的08F鋼，為提高加工生產(chǎn)率，切割時是將20塊3mm鋼板疊成厚度（60mm）后進行切割的，切割中鋼板和鋼板之間產(chǎn)生分離，由于加工會引起材料變形，在鋼板分離時有一個彈跳力把電極鉬線蹦斷，另外快速走絲線切割機床的穿絲導(dǎo)輪一般為單臂導(dǎo)輪或者雙臂導(dǎo)輪，導(dǎo)輪在高速旋轉(zhuǎn)時總會產(chǎn)生跳動（單臂導(dǎo)輪尤其嚴(yán)重），還有切割工作乳化液、脈沖電參數(shù)、工件的裝夾等選擇也是造成電極鉬線斷裂的因素之一。

齒形表面粗糙度大是和所選用的脈沖電參數(shù)和切割工作乳化液有關(guān)。線切割加工一般都采用晶體管高頻脈沖電源，用單個脈沖能量小、脈寬窄、頻率高的脈沖參數(shù)進行正極性加工。加工時，可改變的脈沖參數(shù)主要有電流峰值、脈沖寬度、脈沖間隔、空載電壓、放電電流。要求獲得較好的表面粗糙度時，所選用的電參數(shù)要小;若要求獲得較高的切割速度，脈沖參數(shù)要選大一些，但加工電流的增大受排屑條件及電極絲截面積的限制，過大的電流易引起斷絲，快速走絲線切割加工脈沖參數(shù)的選擇見表1。

表1 ???快速走絲線切割加工脈沖參數(shù)的選擇

應(yīng)??用

脈沖寬度ti/mS

電流峰值Ie/A

脈沖間隔t0/mS

空載電壓/V

快速切割或加大厚度工件Ra>2.5mm

20～40

大于12

為實現(xiàn)穩(wěn)定加工，一般選擇

t0/ti=3～4以上

一般為70～90

半精加工Ra=1.25～2.5mm

6～20

6～12

精加工Ra<1.25mm

2～6

4.8以下

根據(jù)上述分析，采取了如下的措施：

2.3.1將一塊塊3mm厚度的鋼板在靠近齒型處用三個螺釘緊密固定。

如圖6所示，在靠近齒型處用鉆三個螺釘通孔，3mm鋼板疊加固定前應(yīng)將每一塊鋼板去毛刺，3mm鋼板疊加固定后要檢查鋼板和鋼板之間的密接程度，盡量做到無縫隙。

2.3.2工件的裝夾采用兩端支撐方式裝夾（如圖7）。

圖7?????????????????????????????????圖8

如圖7所示是兩端支撐方式裝夾工件，這種方式裝夾方便、穩(wěn)定，定位精度高，它比懸臂方式裝夾工件要好，因為懸臂方式裝夾工件，雖然裝夾方便、通用性強，但由于工件一端懸伸，易出現(xiàn)切割表面與工件上、下平面間的垂直度誤差，所以僅用于加工要求不高或懸臂較短的情況。

2.3.3在上導(dǎo)輪的下方和下導(dǎo)輪的上方通過電極絲處開一個小方孔，在小方孔內(nèi)塞入海綿（見圖8），使電極絲在串過導(dǎo)輪后再串過海綿進入到工件，這樣就使因?qū)л喌奶鴦佣鴰与姌O絲跳動的情況消失。

2.3.4根據(jù)上述表1，選用小的電參數(shù)和選用線切割專用的SM-1型乳化液或者海牌9037線切割乳化液作為切割時的工作冷卻液，來達(dá)到較好的表面粗糙度。

通過采取上述各項措施，切割后的齒條零件基本達(dá)到了設(shè)計的技術(shù)要求。

3.結(jié)論

通過分析上述齒條零件的切割工藝分析和實際采用的措施效果，可以得出在使用線切割機床切割零件時必須做到：

3.1?首先要了解所要加工零件的技術(shù)要求及該零件的工作使用要求;

3.2合理選擇切割的起點位置和切割運動的軌跡;

3.3正確選用零件的裝夾方式;

3.4合理選用線切割加工脈沖電參數(shù)和工作冷卻液。

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