改進(jìn)型快走絲線切割機(jī)床導(dǎo)電裝置設(shè)計(jì)
2017-6-15 來(lái)源：仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 作者：熊平原，王 毅，溫志鵬
摘要：DK7732 型線切割機(jī)為廣泛使用的快走絲電火花線切割機(jī)床，在實(shí)際加工過(guò)程中存在斷絲、導(dǎo)電塊出現(xiàn)割痕、張緊效果差、放電不均等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著線切割加工效率和零件表面質(zhì)量。首先分析了該類機(jī)床在工作過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題及原因；然后改變?cè)秀f絲與導(dǎo)電塊的接觸方式，采用鉬絲與導(dǎo)電輪滾動(dòng)接觸方式進(jìn)電，并構(gòu)造三角形導(dǎo)輪穿絲系統(tǒng)，設(shè)計(jì)張緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，提高了導(dǎo)電裝置使用壽命和系統(tǒng)穩(wěn)定性；最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)裝置的正確性和可靠性。
關(guān)鍵詞：線切割機(jī)床；導(dǎo)電裝置；技術(shù)改進(jìn)
1.引言
DK7732 型電火花線切割機(jī)床是蘇州長(zhǎng)風(fēng)公司設(shè)計(jì)制造的一種快走絲機(jī)型，該設(shè)備主要用于對(duì)各類模具、電極、精密零部件制造、復(fù)雜型腔和曲面形體加工，具有加工精度高，光潔度高、切割速度快等特點(diǎn)。加工原理為：電極絲通過(guò)導(dǎo)電塊連接脈沖電源的負(fù)極，工件連接脈沖電源的正極，XY 工作臺(tái)由數(shù)控裝置控制，繞絲筒作正反向交替運(yùn)動(dòng)；電極絲和工件之間澆注工作液介質(zhì)，當(dāng)其距離足夠接近時(shí)，每個(gè)脈沖瞬間電壓擊穿介質(zhì)，產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象，逐步腐蝕工件，以達(dá)到切削成型目的，其工作原理圖如圖1 所示。傳統(tǒng)的線切割導(dǎo)電方式為電極絲與硬質(zhì)合金導(dǎo)電塊直接接觸，電極絲在導(dǎo)電塊表面來(lái)回移動(dòng)。在實(shí)際加工過(guò)程中，特別是切割鋁制工件時(shí)，容易出現(xiàn)斷絲、穩(wěn)定性差等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著線切割加工效率和零件加工質(zhì)量[1-5]。分析了 DK7732 線切割加工過(guò)程中的主要問(wèn)題和原因，從導(dǎo)電接觸方式入手，探討提高加工效率和加工質(zhì)量的有效方法和實(shí)現(xiàn)途徑。
圖 1 DK7732 型線切割機(jī)床工作原理圖
2.主要問(wèn)題分析
2.1 導(dǎo)電塊存在割痕
當(dāng)切割工件厚度大于 60mm 或軟基材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)鉬絲（電極絲）在逆向運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉬絲與導(dǎo)電塊之間會(huì)有火花產(chǎn)生，火花大小不均勻，該現(xiàn)象雖然不會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生其他的影響，但會(huì)導(dǎo)致線切割速度變得緩慢以及鉬絲、導(dǎo)電塊之間的損耗增大，尤其是在切割
鋁件、銅件時(shí)該損耗更加明顯[6]，并且在導(dǎo)電塊表面產(chǎn)生較深的溝槽，在安裝鉬絲或切割時(shí)該溝槽容易卡住鉬絲，增大切割阻力最終導(dǎo)致鉬絲被拉斷。
2.2 粘絲
在切割運(yùn)行中，由于切割間隙內(nèi)的蝕熔物不能及時(shí)排出，則降低了線切割機(jī)的放電能力，導(dǎo)致電蝕的速度要小于進(jìn)給速度，容易形成短路，而當(dāng)鉬絲與導(dǎo)電塊在接觸部位繼續(xù)放電時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)錯(cuò)誤判斷而繼續(xù)進(jìn)給，鉬絲與工件之間就會(huì)產(chǎn)生一種純機(jī)械摩擦，造成工件的機(jī)械性拉傷以及鉬絲的快速摩損，形成“粘絲”損傷。
2.3 張緊效果差
傳統(tǒng)線切割機(jī)床張緊裝置是一個(gè)重力導(dǎo)輪[7]，安裝在繞絲筒和機(jī)架之間，鉬絲從下方繞過(guò)導(dǎo)輪線槽，依靠導(dǎo)輪重力壓住鉬絲，使鉬絲處于繃緊狀態(tài)，提高系統(tǒng)張緊力。在實(shí)際加工過(guò)程中，如果初始張緊力沒(méi)調(diào)整好，鉬絲跳動(dòng)嚴(yán)重，極易出現(xiàn)脫絲，后續(xù)要重新穿絲，調(diào)節(jié)麻煩。同時(shí)，導(dǎo)輪支架沿導(dǎo)軌移動(dòng)的距離較小，即在重力作用下張緊力所體現(xiàn)出的有效移動(dòng)距離較小，張緊裝置的張緊效果較差。
2.4 放電不穩(wěn)定
由于鉬絲與導(dǎo)電塊直接接觸，隨著加工時(shí)間的增加，鉬絲在一定程度上被拉長(zhǎng)，系統(tǒng)張緊力降低，鉬絲運(yùn)行不平穩(wěn)[8-9]。同時(shí)鉬絲在逆向運(yùn)行時(shí)，其產(chǎn)生的慣性作用，使得鉬絲與導(dǎo)電塊之間產(chǎn)生極小的間隙，而這間隙也會(huì)導(dǎo)致鉬絲與導(dǎo)電塊之間產(chǎn)生火花放電。由于這些放電現(xiàn)象的存在，使得傳遞到鉬絲與工件間的加工電流變小，正常切割部分放電不穩(wěn)定，切割速度及質(zhì)量降低。
3.改進(jìn)方案研究
3.1 導(dǎo)電塊改導(dǎo)電輪
工作時(shí)，由于導(dǎo)電塊靜止不動(dòng)，鉬絲在其表面來(lái)回運(yùn)動(dòng)，其摩擦方式為滑動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)大，鉬絲和導(dǎo)輪磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致導(dǎo)電塊出現(xiàn)割痕。現(xiàn)將導(dǎo)電塊改為導(dǎo)電輪，接觸方式為滾動(dòng)摩擦，磨損量小，導(dǎo)電效果好。為了提高導(dǎo)電輪使用壽命，一般選用硬質(zhì)合金鋼材料，但硬質(zhì)合金鋼相對(duì)密度大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，故本設(shè)計(jì)導(dǎo)電輪采用鑲嵌結(jié)構(gòu)[10]，鑲件為內(nèi)外半徑差 4mm、厚度 4mm 的硬質(zhì)合金環(huán)，基體為半徑 12mm 的高速鋼。其結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。
圖 2 導(dǎo)電輪結(jié)構(gòu)圖
3.2 改進(jìn)張緊裝置
工作時(shí)，鉬絲在機(jī)床上作往復(fù)循環(huán)走絲運(yùn)動(dòng)，同時(shí)間斷放電，產(chǎn)生一定的熱量。隨著加工時(shí)間的增加，鉬絲會(huì)因金屬有延展性而變長(zhǎng)，使原來(lái)系統(tǒng)的張緊力慢慢變小變無(wú)，以致于發(fā)生跳絲現(xiàn)象，影響加工精度和加工速度。同時(shí)，由于鉬絲持續(xù)放電以及走絲時(shí)與導(dǎo)電輪的摩擦，產(chǎn)生一定的材料損耗，鉬絲直徑變小，導(dǎo)致鉬絲與導(dǎo)電輪出現(xiàn)間隙，接觸不穩(wěn)定，放電不均勻。傳統(tǒng)的張緊裝置僅依靠張緊輪的自身重力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，張緊效果差，穩(wěn)定性不好。為此，設(shè)計(jì)一種可調(diào)張緊力支撐輪裝置，通過(guò)彈簧力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的張緊力到設(shè)定值，擰動(dòng)調(diào)節(jié)螺母，設(shè)定系統(tǒng)初始張緊力，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖 3 所示。
圖 3 可調(diào)張緊力支撐輪裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.3 采用三角導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)
由于導(dǎo)電裝置不僅是為了讓鉬絲帶電，而且也是為了支撐鉬絲，保證運(yùn)行平穩(wěn)性，因此導(dǎo)電裝置要能控制鉬絲在運(yùn)絲過(guò)程中不會(huì)發(fā)生跳動(dòng)。同時(shí)，穿絲是一個(gè)復(fù)雜的工作，為降低穿絲難度，提高工作效率，導(dǎo)電裝置要易于工人穿進(jìn)鉬絲。為此，本設(shè)計(jì)采用三角導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)，由 2 個(gè)導(dǎo)電輪和 1 個(gè)支撐輪組成，形成三角狀，穿絲方便，導(dǎo)電可靠。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖 4 所示。
圖 4 三角導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
4 裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 整體結(jié)構(gòu)
1.底板 2.支架 3，4.螺母 5.墊片 6.彈簧 7.叉形架 8.銷軸9.軸承 10.支撐輪 11.螺母 12.導(dǎo)電輪 13.軸承 14.軸 15.螺母16.碳刷 17.彈簧 18.螺釘 19.螺釘 20.彈簧 21.碳刷22.導(dǎo)電輪 23.軸承 24.軸 25.螺母
圖 5 導(dǎo)電裝置爆炸視圖
裝置主要由底板、支架、導(dǎo)電輪、可調(diào)張緊力支撐輪、碳刷等部件組成，安裝在線切割機(jī)床機(jī)架上（可上下 2 個(gè)，對(duì)此放置），用螺釘緊固。鉬絲穿過(guò) 2 個(gè)導(dǎo)電輪和 1 個(gè)支撐輪，形成三角導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)，鉬絲在輪槽中移動(dòng)；通過(guò)松緊 3，4 螺母，拉動(dòng) 7 叉形架，帶動(dòng)支撐輪上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉬絲的張緊功能；通過(guò)擰緊 22，23 螺釘，增加 21，24 彈簧壓力，壓緊 20，25 碳刷，使碳刷與 14，17 導(dǎo)電輪緊密接觸，螺釘帶電，通過(guò)碳刷，傳導(dǎo)給導(dǎo)電輪，使鉬絲獲得脈沖電壓。
4.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)
（1）底板部件。底板 1 采用絕緣塑膠材料，通過(guò)螺釘連接到機(jī)床機(jī)架上，支架 2 為金屬材料，通過(guò)螺釘固定到底板 1，支架 2與機(jī)床絕緣。
（2）張緊部件。軸承 9 內(nèi)圈與銷軸 8 過(guò)盈配合，軸承 9 外圈與支撐輪 10 內(nèi)孔過(guò)盈配合，裝配到銷軸 8 中部，穿入叉形架 7 支撐孔內(nèi)，用螺母 11 鎖緊；叉形架 7 連同彈簧 6 一起裝入支架 2 上安裝孔內(nèi)，墊上墊片 5，擰緊螺母 3，4；通過(guò)調(diào)節(jié)螺母 3，4 的鎖緊，在彈簧 6 的彈力作用下，帶動(dòng)叉形架 7 上下微量移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉬絲張緊功能。
（3） 導(dǎo)電部件。導(dǎo)電輪部件分左導(dǎo)電輪部件和右導(dǎo)電輪部件，兩者在支架 2 上對(duì)稱分布；左導(dǎo)電輪部件由螺母 15、軸 14、軸承 13、導(dǎo)電輪 12、墊片 26、螺母 29、碳刷 16、彈簧 17、螺釘 18 組成，導(dǎo)電輪 12 內(nèi)孔與軸承 13 外圈過(guò)盈配合，軸承 13 內(nèi)圈與軸14 過(guò)盈配合，軸 14 固定在支架 2 上，導(dǎo)電輪 12 與碳刷 16 接觸，通過(guò)擰動(dòng)螺釘 18，調(diào)節(jié)碳刷 16 與導(dǎo)電輪 12 的接觸程度。右導(dǎo)電輪與左導(dǎo)電輪安裝方式相同。
5.試驗(yàn)研究
試驗(yàn)條件為：蘇州長(zhǎng)風(fēng) DK7732E 線切割機(jī)床；厚度為 60mm的方形鋁塊（尺寸 100mm×100mm）；金山 DX-2 線切割工作乳化液；山東光明牌鉬絲 Φ0.18mm。工作參數(shù)為：工作電壓 100V；電流 3.0A；脈沖寬度 48μs；脈沖間隙 6μs；加工速度 75mm2/min；電極絲初始張力 8.2N。試驗(yàn)過(guò)程為：將改進(jìn)后的進(jìn)電裝置分別安裝在線切割機(jī)床走絲架的上下兩側(cè)，連續(xù)切割 20h，對(duì)比改進(jìn)前和改進(jìn)后的切削效果，試驗(yàn)結(jié)果，如表 1 所示。結(jié)果表明：在相同的電壓、電流、脈寬、速度等參數(shù)條件下，對(duì)同一工件進(jìn)行切割試驗(yàn)，割痕、斷絲、粘絲等不良現(xiàn)象基本解決，系統(tǒng)張緊力保持恒定，電極絲損耗減小，零件加工質(zhì)量提高。
表 1 試驗(yàn)結(jié)果
6.結(jié)論
（1）設(shè)計(jì)出一種改進(jìn)型電火花線切割導(dǎo)電裝置，具有如下特點(diǎn)：①三角導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)，穿絲簡(jiǎn)單、快捷，運(yùn)絲平穩(wěn)，提高機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性；②導(dǎo)電輪采用鑲嵌式，減低制造成品和運(yùn)動(dòng)慣性，提高導(dǎo)輪使用壽命和導(dǎo)電性，排屑方便；③碳刷接觸緊密，進(jìn)電快速、穩(wěn)定，左右 2 個(gè)位置同時(shí)進(jìn)電，避免漏進(jìn)電現(xiàn)象，碳刷消耗后，可通過(guò)螺釘調(diào)節(jié)；④支撐輪可調(diào)節(jié)，提高鉬絲張緊程度，避免松垮、跳絲等導(dǎo)致的不正常放電現(xiàn)象；
（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后無(wú)割痕，斷絲頻率降低 75%，張緊力提高 22%，基本恒定，電極絲損耗減小至 0.006mm，表面粗糙度提高到 2.25μm，穿絲難度降低 50%。
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