線切割絕緣介質(zhì)系統(tǒng)關(guān)鍵裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

袁根華

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，廣州510075）

0 引言

線切割加工的充分必要條件主要有3個(gè)：穩(wěn)定的脈沖電源、穩(wěn)定的放電間隙、工作區(qū)域的放電點(diǎn)上有充分的絕緣介質(zhì)，因此線切割絕緣介質(zhì)的存在是加工所必須的。電極絲與工件之間在脈沖電壓作用下，二者彼此非接觸狀態(tài)下正是依靠絕緣介質(zhì)被擊穿放電產(chǎn)生高溫從而蝕除金屬，使得金屬的加工成為可能[1-2]。因而在全部加工過(guò)程中，循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電極絲穿越靜止在工作臺(tái)上有一定高度的加工工件時(shí)，二者在窄而深的間隙中必須始終存在絕緣介質(zhì)，電極絲與工件二者間絕緣介質(zhì)處處提供得越充分均勻則放電加工就越均勻，加工的效率與質(zhì)量就越高[3-4]。

1 線切割絕緣介質(zhì)現(xiàn)有提供系統(tǒng)與裝置的分析

線切割絕緣介質(zhì)提供系統(tǒng)包括介質(zhì)收納水箱、介質(zhì)動(dòng)力馬達(dá)、介質(zhì)控制量開(kāi)關(guān)、輸送與收納的管道，以及其它在機(jī)床內(nèi)外的介質(zhì)流道、位于工作臺(tái)工件上下面有一定高度的噴嘴等，這其中使絕緣介質(zhì)均勻有效的最大影響因素，能在加工過(guò)程中提供給加工窄縫高度方向達(dá)到比較理想的一致的均勻絕緣介質(zhì)的關(guān)鍵裝置是絕緣介質(zhì)噴嘴。

現(xiàn)在的噴嘴上、下一般做成一樣，且噴板與噴嘴是分離組裝一起，好處是可以互換，噴嘴噴板組裝3D圖如圖1所示，噴嘴組件的2D圖如圖2所示。絕緣介質(zhì)經(jīng)過(guò)噴水板內(nèi)孔引流至噴水嘴的環(huán)形槽中，通過(guò)7個(gè)均布的小孔噴向電極絲與工件的加工區(qū)域，以提供源源不斷的絕緣介質(zhì)，形成持續(xù)的電脈沖腐蝕加工金屬。

圖1 快走絲線切割加工原上、下噴板噴嘴組件3D示意圖

圖2 快走絲線切割加工原上、下噴嘴組件2D示意圖

在實(shí)際加工中其存在明顯的不足，上下噴嘴工作時(shí)面臨的工作狀況不同，上噴嘴朝下噴水性絕緣介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)水除了本身因一定速度向下噴射外，介質(zhì)水自身的重力對(duì)于介質(zhì)進(jìn)入工作區(qū)域也有重要作用，兩個(gè)方面合成速度都增加了介質(zhì)水能夠提供電極絲與工件間均勻有效的絕緣介質(zhì)；反觀下噴嘴，則因自下而上噴射，在與上噴嘴相同的出口速度時(shí)，因介質(zhì)自身重力影響，介質(zhì)到達(dá)加工工件處時(shí)合成速度已經(jīng)減少了很多，因此基本上加工時(shí)以上噴嘴提供的絕緣介質(zhì)為主，下噴嘴為輔。此外，實(shí)際能夠提供工作區(qū)域絕緣介質(zhì)的量的多少取決于進(jìn)入工作區(qū)域的絕緣介質(zhì)的速度還要再結(jié)合往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的電極絲的狀況，往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的電極絲如果從工件的上方朝下運(yùn)動(dòng)時(shí)，上噴嘴的絕緣介質(zhì)依靠電極絲的運(yùn)動(dòng)將進(jìn)一步加速加量地進(jìn)入工作區(qū)域，此時(shí)下噴嘴盡管也能提供工件下方一定的絕緣介質(zhì)，但是與電極絲的運(yùn)動(dòng)相反，又進(jìn)一步減少了能夠提供的量和速度，總體上絕緣介質(zhì)此時(shí)在工作區(qū)域無(wú)論量與速度都是最大化，加工狀態(tài)最好。而當(dāng)往復(fù)循環(huán)的電極絲的運(yùn)動(dòng)是從工件的下方朝上運(yùn)動(dòng)時(shí)，上噴嘴噴射的絕緣介質(zhì)的量與速度假如保持不變，因電極絲自下而上的運(yùn)動(dòng)會(huì)干擾并大大減少絕緣介質(zhì)進(jìn)入工作區(qū)域的數(shù)量和速度，而下噴嘴噴射的絕緣介質(zhì)會(huì)因?yàn)榕c電極絲運(yùn)動(dòng)方向一致而有所增加進(jìn)入工作區(qū)域，總體上此時(shí)工作區(qū)域中的絕緣介質(zhì)無(wú)論數(shù)量與速度都不如第一種情況。

電極絲依靠自身運(yùn)動(dòng)能否最大化增加進(jìn)入工作區(qū)域的絕緣介質(zhì)的數(shù)量與速度實(shí)際與噴嘴的結(jié)構(gòu)也存在極大的關(guān)聯(lián)性，從圖1、圖2可見(jiàn)，當(dāng)電極絲在噴嘴的中間往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，盡管?chē)娮斓?個(gè)均勻布置的小孔在噴射絕緣介質(zhì)后總會(huì)很快就有介質(zhì)接觸運(yùn)動(dòng)的電極絲，但電極絲周?chē)^緣介質(zhì)的量受到7個(gè)小孔中心與噴嘴中心半徑距的一定影響，當(dāng)半徑小，電極絲包裹粘附的絕緣介質(zhì)的量就會(huì)多。

2 線切割絕緣介質(zhì)上噴板噴嘴的改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上對(duì)于線切割絕緣介質(zhì)提供系統(tǒng)與裝置所產(chǎn)生的欠缺性，以及絕緣介質(zhì)在各種情況下提供的數(shù)量與速度有所差異的分析，首先尋找對(duì)上噴板噴嘴改進(jìn)設(shè)計(jì)的措施。

2.1 上噴板的改進(jìn)設(shè)計(jì)

原先的上噴板如圖1所示，絕緣介質(zhì)的接頭與噴板是2個(gè)工件組裝，使用中存在一定缺陷，水管接頭與噴板間雖然可以用錐度連接，相對(duì)其它形狀連接有防止松動(dòng)漏水的優(yōu)勢(shì)，但是因?yàn)槭褂眠^(guò)程中存在機(jī)床的振動(dòng)，以及有時(shí)要從水管接頭中撥出軟管等操作，造成水管接頭與噴水板間還是會(huì)存在松動(dòng)漏水的現(xiàn)象，減少了相應(yīng)的絕緣介質(zhì)的數(shù)量與速度；為此，將原來(lái)單獨(dú)的水管接頭零件與噴板合并設(shè)計(jì)成為一個(gè)注塑成型的塑料工件，從而克服了原先的不足。其次，噴水板現(xiàn)有設(shè)計(jì)中還存在不足之處是管接頭與外部軟管相接的3段錐形面全部位于噴板的窄槽中，給連接軟管在該位置增加金屬環(huán)扎緊增加了困難。最后，噴板原先與機(jī)架是采用2個(gè)螺栓聯(lián)接，現(xiàn)采用2個(gè)磁鐵聯(lián)接，方便了移動(dòng)噴嘴的對(duì)中操作。改進(jìn)的上噴板2D結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 快走絲線切割加工上噴板改進(jìn)設(shè)計(jì)2D結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 上噴嘴的改進(jìn)設(shè)計(jì)

絕緣介質(zhì)有3種方式進(jìn)入工作區(qū)域：一是噴射出的一部分直接進(jìn)入；二是噴射在工件上表面有絕緣介質(zhì)在重力作用下自然注入；三是由于運(yùn)動(dòng)的電極絲的部分包裹吸附在周?chē)慕^緣介質(zhì)被加速進(jìn)入。前兩種方式絕緣介質(zhì)進(jìn)入的數(shù)量與速度基本上與介質(zhì)控制開(kāi)關(guān)更加有關(guān)外，第三種方式與噴嘴的設(shè)計(jì)關(guān)系極大。原先的設(shè)計(jì)中7個(gè)小孔盡管均勻布置，但是與噴嘴中心位置的有一定半徑距離，絕緣介質(zhì)包裹吸附在運(yùn)動(dòng)的電極絲的量受到影響，且當(dāng)7個(gè)小孔有堵塞時(shí)，出口的絕緣介質(zhì)要么減少要么運(yùn)動(dòng)不垂直向下，又進(jìn)一步影響3種方式進(jìn)入工作區(qū)域的絕緣介質(zhì)的數(shù)量與速度。圖4、圖5是改進(jìn)設(shè)計(jì)的上噴嘴組件3D與2D結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 快走絲線切割加工上噴嘴組件改進(jìn)設(shè)計(jì)3D結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 快走絲線切割加工上噴嘴組件改進(jìn)設(shè)計(jì)2D結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 上噴嘴組件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

從圖4與圖5可見(jiàn)，此設(shè)計(jì)將線切割的上噴嘴組件設(shè)計(jì)成上、下兩個(gè)噴嘴構(gòu)成一個(gè)組件再裝入上噴板中，兩上、下噴嘴的連接采用上噴嘴的內(nèi)錐面與下噴嘴的外錐面及兩者均開(kāi)縱向槽產(chǎn)生的彈力夾緊實(shí)現(xiàn)裝配。其特點(diǎn)如下：

1）上噴水嘴組件中的零件之一上噴嘴的設(shè)計(jì)參照了原先噴水嘴的設(shè)計(jì)，但是縱向的分流孔從7個(gè)增加為9個(gè)，以便分流更加均勻，其下部適當(dāng)增加了長(zhǎng)度，以便可設(shè)計(jì)內(nèi)錐面與下噴嘴的外錐面裝配連接。

2）最大改進(jìn)點(diǎn)是組件中的下噴嘴的設(shè)計(jì)（如圖6），上部設(shè)計(jì)了外錐面與上噴嘴連接，上部?jī)?nèi)部也設(shè)計(jì)了倒錐內(nèi)孔，以便收集上噴嘴9個(gè)縱向孔分流下來(lái)的絕緣介質(zhì)；下部的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)，整體上是一個(gè)比上部倒錐的錐角更小更長(zhǎng)的內(nèi)錐孔，該內(nèi)錐孔起始直徑為7 mm，終端直徑為5 mm，起始處有5條圓周方向尺寸為1 mm、徑向也為1 mm的斜槽，斜槽與內(nèi)錐縱向的角度為2°～5°，斜槽隨著內(nèi)錐孔直徑從上到下不斷減小而在徑向不斷減小，在內(nèi)錐孔的終端收縮到0。

2.2.2 上噴嘴組件的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

1）組件中的上噴嘴的9個(gè)縱向孔流下的絕緣介質(zhì)并不直接流向工件，而是匯集于下噴嘴的倒錐面上，因此縱使有雜物堵了這9個(gè)小孔，也不會(huì)造成直接流向切槽中的某些方向要么少或無(wú)液體流出，要么并不垂直朝下，進(jìn)一步造成進(jìn)入加工點(diǎn)上的絕緣介質(zhì)減少的現(xiàn)象。

圖6 快走絲線切割加工上噴嘴組件中的下噴嘴改進(jìn)設(shè)計(jì)3D結(jié)構(gòu)示意圖

2）當(dāng)電極絲在組件中的下噴嘴的上部倒錐的終端時(shí)（該處也是下部長(zhǎng)倒錐的起始點(diǎn)，此點(diǎn)處直徑為7 mm，此時(shí)通過(guò)上內(nèi)倒錐面匯集了上噴嘴從9個(gè)直徑為2 mm的縱向孔分流下來(lái)的絕緣介質(zhì)），電極絲開(kāi)始在下噴嘴全長(zhǎng)20 mm的距離中保持與絕緣介質(zhì)基本上能全接觸，絕緣介質(zhì)均勻地緊緊包圍著電極絲，由于摩擦力及水的張力直接依附電極絲加速進(jìn)入切割槽的脈沖放電點(diǎn)上，使得大厚度工件的切割有充足的絕緣介質(zhì)保障，同時(shí)絕緣介質(zhì)直接注入與依附電極絲加速注入對(duì)于沖刷加工出來(lái)的廢渣、加快冷卻電極絲減少損耗都有益處。

3）當(dāng)電極絲從下而上逆向循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，原先的設(shè)計(jì)因?yàn)殡姌O絲逆向運(yùn)動(dòng)及電極絲抖動(dòng)會(huì)使得上噴水嘴自由落體的絕緣介質(zhì)的直線運(yùn)動(dòng)改變?yōu)椴欢ㄏ虻母飨虻氖軘_動(dòng)的斜線方向的運(yùn)動(dòng)，使得上噴水嘴以第1、2種方式進(jìn)入切槽中的絕緣介質(zhì)進(jìn)一步減少；而改進(jìn)后的下噴嘴因?yàn)樵?0 mm長(zhǎng)的第二段倒錐內(nèi)孔面內(nèi)有5條斜槽，能抵抗電極絲的逆向運(yùn)動(dòng)和抖動(dòng)產(chǎn)生的干擾，使得絕緣介質(zhì)流體的運(yùn)動(dòng)依然能夠基本保持向下的直線運(yùn)動(dòng)，從而更好地確保第1、2兩種方式絕緣介質(zhì)有較多量進(jìn)入切槽中的脈沖放電處。

3 線切割絕緣介質(zhì)下噴板噴嘴的改進(jìn)設(shè)計(jì)

電極絲是往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的，在上、下導(dǎo)輪間進(jìn)行朝下、朝上的直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電極絲在朝上運(yùn)動(dòng)時(shí)，從上噴嘴流下的絕緣介質(zhì)因電極絲的抖動(dòng)與向上的線速度干擾，對(duì)其注入的數(shù)量與速度也會(huì)產(chǎn)生影響，此時(shí)希望下噴嘴向上噴射的絕緣介質(zhì)與向上運(yùn)動(dòng)的電極絲包裹吸附部分絕緣介質(zhì)能夠補(bǔ)充工作區(qū)域與電極絲從上而下運(yùn)動(dòng)絕緣介質(zhì)的減少數(shù)量。但線切割原先的上、下噴嘴相同難以完成這個(gè)任務(wù)，這就造成了電極絲向下運(yùn)動(dòng)時(shí)比向上運(yùn)動(dòng)放電更加充分，

加工效率與質(zhì)量更好。因此改進(jìn)下噴嘴結(jié)構(gòu)，盡量使得電極絲向上運(yùn)動(dòng)時(shí)與向下運(yùn)動(dòng)時(shí)工作區(qū)域絕緣介質(zhì)數(shù)量與速度差異減少是有必要的。圖7是改進(jìn)后的下噴嘴組件結(jié)構(gòu)2D示意圖。

圖7 快走絲線切割加工下噴嘴組件改進(jìn)設(shè)計(jì)2D結(jié)構(gòu)示意圖

此改進(jìn)設(shè)計(jì)方案優(yōu)點(diǎn)在于，首先通過(guò)加長(zhǎng)噴水板噴嘴外殼段的長(zhǎng)度及內(nèi)錐面設(shè)計(jì)，使得噴嘴內(nèi)圓錐面的聚焦點(diǎn)接近安裝在工作臺(tái)上的工件底面（下噴嘴噴板安裝面到工件底部的尺寸在機(jī)床上是固定的，因此聚焦點(diǎn)容易確定），也就是接近工件下表面的切割槽處，有利于絕緣介質(zhì)直接依靠水的噴射力進(jìn)入切割槽中的脈沖放電處。其次，噴水板的噴嘴外殼與噴嘴內(nèi)膽裝配后，絕緣介質(zhì)從倒圓錐空腔空間噴射而出，由于空腔漸漸收縮，這樣使得絕緣介質(zhì)的速度不斷加大，在出口處達(dá)到最大速度，進(jìn)一步有利于絕緣介質(zhì)進(jìn)入脈沖放電點(diǎn)。再次，電極絲在經(jīng)過(guò)絕緣介質(zhì)聚焦點(diǎn)時(shí)，電極絲與絕緣介質(zhì)全接觸，依靠絕緣介質(zhì)與電極絲間的摩擦力及水的張力吸附力，從下朝上運(yùn)動(dòng)時(shí)，電極絲會(huì)加速加量將部分絕緣介質(zhì)帶入脈沖放電處，從而保證穩(wěn)定的放電加工，以及沖刷殘?jiān)图涌祀姌O絲冷卻。

4 結(jié)語(yǔ)

在快走絲線切割加工中，絕緣介質(zhì)在放電點(diǎn)上的存在是電脈沖加工的必要充分條件之一，加工中如何充分有效提供加工區(qū)域中電極絲與工件間的絕緣介質(zhì)是提高加工質(zhì)量與加工效率的關(guān)鍵，通過(guò)改進(jìn)絕緣介質(zhì)系統(tǒng)的關(guān)鍵件——上、下噴嘴組件的結(jié)構(gòu)，在原有的基礎(chǔ)上大大提高了工作區(qū)域放電點(diǎn)上絕緣介質(zhì)的數(shù)量與速度，較好地改善了加工條件，使得快走絲線切割加工的質(zhì)量與效率得以進(jìn)一步提高。