基于數(shù)控線切割機(jī)床的斷線保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

王娟 劉璐

摘要：電火花線切割加工工藝是采用連續(xù)移動(dòng)的金屬電極絲作為工具電極，發(fā)生放電腐蝕，電火花的瞬時(shí)高溫使工件表面熔化甚至汽化而腐蝕掉，從而達(dá)到加工效果。數(shù)控線切割機(jī)床使用時(shí)，電極絲容易出現(xiàn)重復(fù)疊繞、夾絲、斷絲的情況;電極絲松弛或過(guò)緊都易導(dǎo)致斷絲的情況，若電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，送出的電極絲會(huì)纏繞在儲(chǔ)絲筒上，造成電極絲報(bào)廢的。本文針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種數(shù)控線切割機(jī)床的斷線保護(hù)裝置，有效改善了切割機(jī)床的斷線情況，有效提高機(jī)床的加工效率。

Abstract： Wire electrical discharge machining （WEDM） uses continuously moving metal electrode wire as tool electrode， which causes discharge corrosion and makes the surface of workpiece melt or even vaporize.When the NC wire cutting machine is used， the wire of electrode is easy to be rewound， clamped and broken. When the wire of electrode is slack or too tight， it is easy to break wire. If the motor continues to operate， the wire of electrode will be wound on the wire storage cylinder， that caused the electrode wire to be scrapped.In view of the above problems， this paper designs a wire breaking protection device of NC wire cutting machine， which can effectively improve the wire breaking situation and the machining efficiency of the machine.

關(guān)鍵詞：線切割;保護(hù)裝置;斷絲

Key words： wire cutting;protective device;broken wire

中圖分類號(hào)：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0076-03

0? 引言

目前電火花線切割機(jī)床是一種普通使用的數(shù)控機(jī)床，占電加工機(jī)床總數(shù)的60%以上[1]。電火花線切割加工簡(jiǎn)稱“線切割”。電火花線切割加工工藝是采用連續(xù)移動(dòng)的金屬電極絲（常用的電極絲材料有鉬絲、鎢絲、鎢鉬合金、黃銅絲、銅鎢絲等）作為工具電極，發(fā)生放電腐蝕，電火花的瞬時(shí)高溫使工件表面熔化甚至汽化而腐蝕掉，從而達(dá)到加工效果[6]。在日常加工中，電火花線切割機(jī)床的電極絲容易出現(xiàn)重復(fù)疊繞和夾絲，從而使電極絲運(yùn)動(dòng)的精度降低，進(jìn)而電極絲出現(xiàn)抖動(dòng)斷絲的情況，而且電極絲在松弛或過(guò)緊的狀態(tài)時(shí)，也導(dǎo)致斷絲的情況增加，同時(shí)當(dāng)電極絲斷裂后，電機(jī)還在繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，送出的電極絲纏繞在儲(chǔ)絲筒上很難清理，造成電極絲報(bào)廢[2]-[4]。斷絲故障是電火花切割過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題，既浪費(fèi)電極絲，增加成本，穿絲又費(fèi)工費(fèi)時(shí)，而且還會(huì)影響工件表面的加工質(zhì)量，影響生產(chǎn)效率[5]。本文通過(guò)分析電火花線切割斷絲故障的原因，設(shè)計(jì)一種數(shù)控線切割機(jī)床的斷線保護(hù)裝置，有效改善了切割機(jī)床的斷線情況，切實(shí)有效地提高故障產(chǎn)生后的處理質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率具有一定的指導(dǎo)意義。

機(jī)床工作時(shí)，首先給電極絲兩端接通高頻脈沖電源，在工件和電極之間產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，形成脈沖放電，介質(zhì)被擊穿，進(jìn)行工件加工[7]。通過(guò)電火花線切割微觀角度分析，電火花蝕除的過(guò)程是熱和各種力綜合作用的結(jié)果，加工的過(guò)程大致可分為：電離擊穿、脈沖放電、金屬熔化和氣化、氣泡擴(kuò)展、金屬拋出及消電離恢復(fù)絕緣強(qiáng)度。[8]加工過(guò)程是連續(xù)不斷的，只要工作臺(tái)能夠保持不斷地進(jìn)給，就能加工出所需的形狀。 電火花線切割基本工作原理[9]（見(jiàn)圖1）。

1? 斷絲原因分析

1.1 跟工件有關(guān)的斷絲[10]

工件的材料種類和金屬工藝處理方法是影響斷絲的一個(gè)重要原因。首先，對(duì)于未經(jīng)過(guò)鍛打、淬火、回火處理的金屬，其內(nèi)部所含碳化物顆粒大，并且聚集成團(tuán)且分布不均勻，導(dǎo)致電性能不穩(wěn)定造成電弧放電而斷絲;其次，經(jīng)熱處理后工件內(nèi)部如果存在內(nèi)力，在切割過(guò)程中導(dǎo)致內(nèi)力釋放，就容易在加中變形開裂或者夾牢電極絲造成斷絲;另外，對(duì)于鑄鐵工件，其內(nèi)部雜質(zhì)較多，造成砂眼空穴，容易引起斷絲;再次，對(duì)于鍛造型的工件，工件毛坯有時(shí)會(huì)含有夾層和夾渣，工件切入點(diǎn)處或者穿絲孔可能會(huì)有不導(dǎo)電的氧化物等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在切割過(guò)程中與電極絲接觸，就會(huì)發(fā)生劇烈磨擦，容易把電極絲勒斷;最后，工件表面覆蓋如塑料薄膜，油漆等不導(dǎo)電造成的斷絲。

1.2 跟工作液有關(guān)的斷絲[11]

工作液具有冷卻功能、絕緣功能、消電離作用、良好的洗滌性、潤(rùn)滑性以及良好的防銹性等多重功能。在線切割加工中，工作液的類型、濃度和流量選擇是非常重要的。而且工作液需要及時(shí)更換，變黑后綜合性能就會(huì)變差，極易造成斷絲。在加工過(guò)程中，工作液的濃度不合理造成斷絲，工作液的選擇應(yīng)綜合考慮工件材料性能核厚度、加工工藝要求以及加工精度來(lái)配置，一般水液濃度比范圍保持在1： 10 ～1： 20范圍內(nèi)。其中，對(duì)切割速度要求高或大厚度工件切割時(shí)，濃度可適當(dāng)降低;而且工作液沖刷不足、工作液不夠或者堵塞造成無(wú)切削液加工，鉬絲也很快會(huì)燒斷。

1.3 跟走絲機(jī)構(gòu)有關(guān)的斷絲[12]

走絲機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)電塊、導(dǎo)輪、張緊機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)絲裝置、以及儲(chǔ)絲筒運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)的換向機(jī)構(gòu)失靈都是造成斷絲的主要原因之一，分析如下：

1.3.1 導(dǎo)電塊磨損引起斷絲? 首先，導(dǎo)電塊磨損會(huì)使電極絲抖動(dòng)而斷絲。在線切割加工過(guò)程中，切割厚鋼材料時(shí)，由于排屑困難，會(huì)產(chǎn)生溝槽，從而導(dǎo)電塊磨損。為了減少磨損，可以經(jīng)常調(diào)整導(dǎo)電塊的角度到合適的位置，改變其與鉬絲的接觸位置，避免過(guò)度磨損，以保證加工的穩(wěn)定性。為了保證加工工件的精度和表面質(zhì)量，在更換導(dǎo)電塊或變換導(dǎo)電塊位置后，必須重新校正電極絲的垂直度;另外，為了確保穩(wěn)定的放電加工，在實(shí)際切割加工中，為了使脈沖能量能全部送往工件與電極絲之間，不允許在電極絲和導(dǎo)電塊間出現(xiàn)火花放電。

1.3.2 跟導(dǎo)輪有關(guān)的斷絲? 通常為了保證電極絲在導(dǎo)輪槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)與絲不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)輪，V形槽面在制作時(shí)要求有較高的精度。但是由于儲(chǔ)絲筒正反換向時(shí)出現(xiàn)不進(jìn)給或跳進(jìn)給的現(xiàn)象，長(zhǎng)期使用導(dǎo)輪會(huì)使V型槽變寬，導(dǎo)輪軸承磨損后就會(huì)產(chǎn)生間隙，從而造成絲抖動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)將絲卡在其間，使放電間隙狀態(tài)不穩(wěn)定，頻繁短路，造成變頻跟蹤失調(diào)，燒斷電極絲。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，在切割加工中應(yīng)經(jīng)常檢查導(dǎo)輪V形槽是否磨損，以便及時(shí)更換導(dǎo)輪;并且清除堆積在V形槽溝槽內(nèi)的電蝕物，確保加工過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。另外在安裝導(dǎo)輪前必須清洗軸承，確保異輪旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)、靈活、無(wú)阻滯現(xiàn)象，盡量減小導(dǎo)輪的軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)，減緩導(dǎo)輪和軸承的摩損。

1.3.3 儲(chǔ)絲筒造成的斷絲[13]? 儲(chǔ)絲筒的軸承傳動(dòng)精度下降時(shí)主要是由于傳動(dòng)軸承引起的。儲(chǔ)絲筒的徑向跳動(dòng)會(huì)造成鉬絲切割過(guò)程中張力突變，造成絲松，嚴(yán)重的會(huì)使電極絲從導(dǎo)輪槽中脫出而拉斷;儲(chǔ)絲筒的軸向竄動(dòng)會(huì)產(chǎn)生疊絲現(xiàn)象軸向跳動(dòng)還會(huì)造成疊絲，更容易造成斷絲。

1.3.4 電火花線切割機(jī)床的運(yùn)絲系統(tǒng)造成的斷絲? 電火花線切割機(jī)床的運(yùn)絲系統(tǒng)是由運(yùn)絲機(jī)構(gòu)和絲架組成，而運(yùn)絲機(jī)構(gòu)是由運(yùn)絲電機(jī)、貯絲筒、運(yùn)絲拖板、貯絲筒主副軸承座、行程限位撥叉和行程限位開關(guān)組成。如果部件安裝不恰當(dāng)，轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，間隙安裝不合理，運(yùn)動(dòng)時(shí)有偏擺都會(huì)使電極絲運(yùn)動(dòng)受阻，從而引起斷絲。

1.3.5 跟編程有關(guān)的斷絲? 首先，工件加工編程路徑選擇了容易造成變形的路徑會(huì)造成斷絲;另外，二次切割造成的斷絲。線切割機(jī)床會(huì)有回退功能，如果第一次切縫后的縫隙，再次切割放電會(huì)不均勻，鉬絲損耗會(huì)比較嚴(yán)重會(huì)造成的斷絲。

1.3.6 跟電極絲有關(guān)的斷絲? 電極絲的選擇需要綜合考慮電極絲的種類、直徑、導(dǎo)電性、韌性、直線度和均勻性等幾個(gè)因素，電極絲選擇得當(dāng)會(huì)大大減少斷絲的發(fā)生，常用的電極絲材料有鉬絲、鎢絲、鎢鉬合金、黃銅絲、銅鎢絲等。鉬絲由于抗拉強(qiáng)度高，具有良好的導(dǎo)電性和較好的韌性，可以使其在頻繁的急熱急冷變化中，不易變脆而斷絲，廣泛應(yīng)用數(shù)控切割機(jī)床中;另外，電極絲的直線度和均勻性在放電加工中也是十分重要的，切割中的電極絲不應(yīng)出現(xiàn)彎折、打結(jié)現(xiàn)象。一般情況下，選擇直徑在0.06～0.30mm之間為宜，常用的在0.12～0.18mm之間。

1.3.7 跟切割工藝參數(shù)有關(guān)的斷絲? ①工藝參數(shù)設(shè)置不合理造成的斷絲。②對(duì)于大厚度零件，通常排屑困難，工作液很難進(jìn)入到切縫中去，因此進(jìn)給速度不能太快，否則容易出現(xiàn)短路或者拉弧現(xiàn)象，從而很快燒斷鑰絲。③對(duì)于薄壁類零件，如果進(jìn)給速度選擇過(guò)快，也容易造成頻繁短路，鉬絲也很容易燒斷或拉斷。

2? 數(shù)控線切割機(jī)床的斷線保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

數(shù)控線切割機(jī)床在使用時(shí)，電極絲容易出現(xiàn)重復(fù)疊繞和夾絲，使電極絲運(yùn)動(dòng)的精度降低，電極絲出現(xiàn)抖動(dòng)斷絲的情況，而且電極絲在松弛或過(guò)緊的狀態(tài)時(shí)，也導(dǎo)致斷絲的情況增加，同時(shí)當(dāng)電極絲斷裂后，電機(jī)還在繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，送出的電極絲纏繞在儲(chǔ)絲筒上很難清理，造成電極絲報(bào)廢的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種具備斷線保護(hù)裝置的數(shù)控線切割機(jī)床。本數(shù)控線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)主要有床身、軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、供絲機(jī)構(gòu)、冷卻液噴淋裝置、絲架、支撐架、固定板、固定夾組件、保護(hù)箱、電極絲、工作臺(tái)、豎直驅(qū)動(dòng)架、廢絲收集箱、操控箱、滑軌等幾個(gè)結(jié)構(gòu)組成。往復(fù)走絲線切割機(jī)床中，運(yùn)絲系統(tǒng)會(huì)直接影響機(jī)床的結(jié)構(gòu)和加工效果，所以走絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常重要，這也是專用機(jī)床和普通機(jī)床一個(gè)重要差異。更為重要的是走絲機(jī)構(gòu)和張緊機(jī)構(gòu)又是緊密聯(lián)系，走絲機(jī)構(gòu)會(huì)決定電極絲的張緊效果、收絲范圍、加工范圍、加工效率，而張緊機(jī)構(gòu)也會(huì)對(duì)走絲機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響，兩者相互影響。如圖2所示。

該裝置在電極絲線架機(jī)構(gòu)上設(shè)置一個(gè)由緊絲輪和限位開關(guān)組成的斷絲保護(hù)裝置。工作時(shí)，將切割產(chǎn)品固定在工作臺(tái)上，利用操控箱開啟軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用電極絲對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行外形切割，使用后的電極絲被收集到廢絲收集箱中;軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于兩處固定塊之間，且連接桿穿過(guò)通孔，同時(shí)將兩處推動(dòng)螺桿向中間位置旋轉(zhuǎn)，使墊片緊貼于背板左右兩側(cè)，保證軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定更加平穩(wěn)，能夠防止電極絲抖動(dòng)，降低斷絲的可能性，提高了電極絲的保護(hù)能力，并且其安裝操作方便;利用電松緊，電極絲在松緊適宜的情況下不易斷絲，提高了結(jié)構(gòu)的合理性;當(dāng)下導(dǎo)輪和上導(dǎo)輪之間電極絲斷開時(shí)，上絲臂向上彈起呈豎直狀態(tài)，同時(shí)上絲臂頂端會(huì)按壓到碰觸開關(guān)，碰觸開關(guān)處于閉合時(shí)，能夠控制電機(jī)使其自動(dòng)停止，從而未使用的電極絲不會(huì)繼續(xù)抽出，有效防止堆積浪費(fèi)。

3? 單因素試驗(yàn)研究

為了了解加裝斷線保護(hù)裝置前后的不同效果，固定絲架上下導(dǎo)輪之間的跨距，保持電極絲張緊力為8N情況下，本實(shí)驗(yàn)利用高速攝影儀拍攝數(shù)控線切割機(jī)床于不同走絲速度下（分別是3、4、5、6、7、8、9、10m/s），檢測(cè)電極絲振動(dòng)幅值變化的情況，如表1、表2所示。

通過(guò)表格數(shù)據(jù)對(duì)比可知：未安裝保護(hù)裝置之前，電極絲振動(dòng)幅值較大，在0.1～0.18mm之間，安裝后電極絲振動(dòng)幅值在 0.1～0.15mm。同比，安裝后的裝置降低了電極絲振動(dòng)的幅度0.03mm，減小了斷絲的可能性，提高了加工精度。

通過(guò)對(duì)比分析可知，電極絲走絲速度從3m/s到10m/s逐漸增大的過(guò)程中，電極絲的振動(dòng)幅值呈現(xiàn)先增大后減小的拋物線趨勢(shì)。分析原因主要有：①走絲速度在5m/s以下時(shí)，電極絲振動(dòng)幅值較小;②當(dāng)走絲速度接近8m/s時(shí)，電極絲和導(dǎo)輪發(fā)生共振現(xiàn)象，振動(dòng)幅值突然大，振動(dòng)幅達(dá)到最大;③當(dāng)電極絲走絲速度超過(guò)8m/s時(shí)，共振現(xiàn)象逐漸消失，其振動(dòng)幅值逐漸減小。

4? 結(jié)論

綜上所述，工件材料的不同、工作液的性能優(yōu)劣、導(dǎo)電塊、導(dǎo)輪的磨損、儲(chǔ)絲機(jī)構(gòu)精度的下降、編程路徑的選擇、電極絲的磨損和張緊力的大小以及切割工藝參數(shù)的合理性等都是造成斷絲的原因，都與穩(wěn)定線切割加工過(guò)程，提高線切割加工質(zhì)量和延長(zhǎng)電極絲的使用壽命有關(guān)。①本文根據(jù)數(shù)控線切割機(jī)床的加工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)對(duì)稱緊絲裝置設(shè)置一個(gè)由緊絲輪和限位開關(guān)組成的斷絲保護(hù)裝置，解決了實(shí)際加工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的“跳槽”的電極絲脫離導(dǎo)輪現(xiàn)象。②利用高速攝影儀，保持電極絲張緊力為8N下，利用單因素試驗(yàn)，電極絲走絲速度分別選擇3、4、5、6、7、8、9、10m/s8個(gè)水平，研究安裝斷線保護(hù)裝置前后走絲速度和電極絲振動(dòng)的規(guī)律。電極絲的振動(dòng)幅值從最大0.18μm降為0.15μm，說(shuō)明斷線保護(hù)裝置有效的減小了電極絲的振動(dòng)，減小了斷絲的可能性;另外，在5m/s以下，由于走絲速度較低，電極絲振動(dòng)幅值總體偏低，運(yùn)行比較平穩(wěn);最后，在安裝保護(hù)裝置前后對(duì)比電極絲的振動(dòng)幅值，呈現(xiàn)先由小變大、再由大減小的拋物線趨勢(shì)，都是在8m/s達(dá)到最大值，分析主要原因是當(dāng)走絲速度接近8m/s時(shí)，電極絲和導(dǎo)輪發(fā)生共振現(xiàn)象，振動(dòng)幅值突然大，振幅越大，越容易脫線，容易造成斷絲。所以在加工時(shí)，要盡量避開共振速度。③電火花線切割加工中，為了減少斷絲現(xiàn)象，加工出符合要求的工件，要做到以下幾點(diǎn)：第一，為減少因工件材料引起的斷絲，材料應(yīng)選擇鍛造性能好、淬透性好、熱處理變形小的材料，這種鋼材中碳化物分布均勻，加工穩(wěn)定性強(qiáng);第二，及時(shí)更換工作液，保持一定的清潔度，保證上、下噴嘴不阻塞、流量合適;第三，合理選用脈沖電源參數(shù)，加工不穩(wěn)定時(shí)要及時(shí)調(diào)整變頻進(jìn)給速度等;第四，經(jīng)常調(diào)整導(dǎo)電塊的角度到合適的位置，改變其與鉬絲的接觸位置，避免過(guò)度磨損，以保證加工的穩(wěn)定性;第五，避免儲(chǔ)絲筒的軸和軸承等零件因磨損而產(chǎn)生間隙，引起絲抖動(dòng)而斷絲;儲(chǔ)絲筒后端的限位擋塊需調(diào)整好，避免貯絲筒沖出限位行程而斷絲。因此應(yīng)該定期檢測(cè)儲(chǔ)絲筒精度并調(diào)整;第六，要保證定期清洗導(dǎo)絲模塊防止被污垢堵塞，從而妨礙電極絲順利走絲，引起斷絲;第七，選擇合理的張緊力、進(jìn)給速度等切割工藝參數(shù);第八，在切割完畢時(shí)，切除部位會(huì)在重力的作用下墜落，電極絲極易被夾斷，可采用磁鐵吸附、夾板夾持等方法及時(shí)固定，有效改善了切割機(jī)床的斷線情況，提高線切割機(jī)床的加工效率以及企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

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