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改進型快走絲線切割機床導電裝置設計

2017-6-15 來源：仲愷（kǎi）農業工程學院作者：熊平原，王毅，溫誌鵬

摘要：DK7732 型線切割機為廣泛使用的快走絲電火花線切割機（jī）床，在實際加工過程中存在斷絲、導電塊（kuài）出現（xiàn）割痕、張緊效果差、放電不均等不良（liáng）現象，嚴重影響著線切割加工效率和零（líng）件表麵質量。首先（xiān）分析了該類機床在工作過程中出現（xiàn）的主要問題及原因；然後改變原有鉬絲（sī）與導電塊的接觸方式，采用鉬（mù）絲與導電輪（lún）滾動接觸方（fāng）式進電，並構造（zào）三角形（xíng）導輪穿絲係統，設計張緊調節（jiē）機構，提高（gāo）了導電裝置使用（yòng）壽命（mìng）和係統穩定性；最後通過實驗（yàn）驗證了改進（jìn）裝置的正確（què）性和可（kě）靠性。

關（guān）鍵詞：線切割機床（chuáng）；導電裝置；技術（shù）改進

1.引言

DK7732 型電火（huǒ）花線切割（gē）機床是蘇州長風公司設計製造的一種快走絲機型，該設備主要用（yòng）於對各類模具、電極（jí）、精密（mì）零部件製造、複雜型腔和曲麵形體加（jiā）工，具有加工精度高，光潔度高（gāo）、切割速度快等特點。加工原理為：電極絲通過導電塊連接脈衝電源的（de）負極，工件連接脈衝電源的正極，XY 工作台由（yóu）數控裝置控製（zhì），繞絲筒作正反向（xiàng）交替運動；電極絲和工件之間澆注工作液介質，當其距離足夠接近時（shí），每個脈衝瞬間電壓擊穿介質，產生（shēng）火花放電現象，逐步腐蝕工件，以達到（dào）切削成型目的，其工作原理圖如圖1 所示。傳統的線（xiàn）切割導電方式為電極絲與硬質合金導電塊直接接觸，電極絲在導電塊表麵來回移動。在（zài）實際（jì）加工過程（chéng）中（zhōng），特別是切割鋁製（zhì）工（gōng）件時，容易出（chū）現斷絲、穩定性差等不良現象，嚴重影響著（zhe）線切割加（jiā）工效率和零件加工質量（liàng）[1-5]。分析了 DK7732 線（xiàn）切割加工過程中（zhōng）的主要問題和（hé）原（yuán）因，從（cóng）導電接觸方式入手，探討（tǎo）提高加工效率和加工質量的有（yǒu）效方法和實現（xiàn）途徑。

圖 1 DK7732 型（xíng）線切割（gē）機床工作原理圖

2.主要問題分析

2.1 導電塊存在割痕（hén）

當切割工件（jiàn）厚度大於 60mm 或軟基材料時，發現鉬絲（電極絲）在逆向運動時，鉬絲與導電塊之間（jiān）會（huì）有火花產生（shēng），火花大小不均（jun1）勻，該現象雖然不會對設備產生其他的影響，但會導致線切割速度變得緩慢以（yǐ）及鉬絲、導電塊（kuài）之間的（de）損耗增大，尤其是在切割

鋁件、銅件（jiàn）時該損耗更加明顯[6]，並且在導電（diàn）塊表麵產生較深（shēn）的溝槽，在（zài）安裝鉬絲或切割時該溝槽容易卡住鉬絲，增（zēng）大（dà）切割阻力最終導致鉬絲被拉斷。

2.2 粘絲

在切割運行中，由於切割間隙內的蝕熔物不能及時排（pái）出，則降低（dī）了線切割機的放電能（néng）力，導致電蝕的速度要小於進給速度，容易形成短路（lù），而當鉬絲與導電塊在接觸部（bù）位繼續（xù）放電時，控製係統就會錯誤判斷而（ér）繼續進給，鉬絲與工件之間就會產生一種純機械摩擦，造成（chéng）工件的機械性拉傷以及鉬絲的快速摩損，形（xíng）成“粘（zhān）絲”損傷（shāng）。

2.3 張緊效果差

傳統線切割機床（chuáng）張緊裝置是一個重力導輪[7]，安裝在繞絲筒和機架之間，鉬絲從下方（fāng）繞過導輪線槽，依靠導輪重力壓住鉬絲，使鉬絲處於繃緊狀態，提高係統（tǒng）張緊（jǐn）力。在實際加工過程中，如果初始張緊力沒（méi）調整好，鉬絲跳動嚴重，極易出現脫（tuō）絲，後續要重新穿絲，調節（jiē）麻煩。同時，導輪支架沿導軌移動的（de）距離較小，即在重力作用（yòng）下張緊力所體現（xiàn）出（chū）的有效移動距離較小，張緊裝置的張緊效果較差（chà）。

2.4 放電不穩定

由於鉬絲與導電塊（kuài）直接接觸，隨著加工時間的增加（jiā），鉬絲在一定程度上被拉長，係統張緊力降低，鉬絲運行不平穩[8-9]。同時（shí）鉬絲（sī）在逆向運行時，其產生的慣性作用，使得鉬絲與導（dǎo）電塊之間產生極小的間隙，而這間隙也會導致鉬絲與（yǔ）導電塊之間產生火花放電。由於這些放電現象的存在，使得傳遞到鉬絲（sī）與工件間的加（jiā）工電流變小，正常切割部分放電不（bú）穩定，切割速度（dù）及（jí）質量降低。

3.改進（jìn）方案研究

3.1 導電塊改導電輪

工作時，由（yóu）於導電塊靜止不動，鉬絲在其表麵來回運動，其摩（mó）擦方（fāng）式為滑動摩擦，摩（mó）擦係數大，鉬絲和導輪磨損嚴重，導致導電塊出現割痕。現將導（dǎo）電塊改（gǎi）為導電輪，接觸（chù）方式為滾（gǔn）動摩（mó）擦，磨損量小，導（dǎo）電效果好。為了提高導電輪使用壽命，一般選用（yòng）硬質合（hé）金鋼材料，但硬（yìng）質合金鋼相對密度大，導致轉動（dòng）慣量大，故本設計導電輪采用鑲嵌結構[10]，鑲件為內外半徑差 4mm、厚度 4mm 的硬質合金環，基體為半徑 12mm 的（de）高速鋼。其結構，如圖 2 所示。

圖 2 導電輪結構圖

3.2 改進張（zhāng）緊裝置

工作時，鉬絲在機床上作往複循環走（zǒu）絲運動，同時間斷放電，產（chǎn）生一定的熱（rè）量。隨著加工時間（jiān）的增加，鉬絲會因金屬有延展性而變長，使原來係統的張緊力慢（màn）慢變小變無（wú），以致於發生跳絲現（xiàn）象，影響加工精度（dù）和（hé）加工速度。同時，由於（yú）鉬絲持續（xù）放電以及走絲時與導電輪的摩擦，產生一定的材料損耗，鉬（mù）絲直徑變小，導致鉬絲與導電輪出現間隙（xì），接觸（chù）不穩定，放（fàng）電不（bú）均勻。傳統（tǒng）的張緊裝置僅依靠張緊輪的自（zì）身（shēn）重力實現自動調整，張緊效果差，穩定性不好。為（wéi）此，設計一種可（kě）調（diào）張緊力支撐（chēng）輪裝置，通過彈簧力自動調節係統的張緊力到設定值，擰（nǐng）動調節螺母，設定係統初始張緊（jǐn）力，裝置（zhì）結構簡單，可靠性強，其結（jié）構簡圖，如圖 3 所示（shì）。

圖 3 可調張緊力支撐輪裝置結構簡圖

3.3 采用三角導輪（lún）結構

由於導電裝置不僅是為（wéi）了讓鉬絲帶電，而且也是為了支撐鉬（mù）絲，保證運（yùn）行（háng）平穩性，因此導電裝置要（yào）能控製鉬絲在運絲過程中不會發生跳動。同時，穿絲是一個複雜的工（gōng）作，為降低穿絲（sī）難度，提高工作（zuò）效率，導電裝置要易於工人穿進鉬絲。為此，本（běn）設計采用三角導（dǎo）輪（lún）結構（gòu），由 2 個導電輪和（hé） 1 個支撐（chēng）輪組成，形（xíng）成三角狀，穿絲方便，導電可靠。結構簡圖，如圖 4 所示。

圖 4 三角導輪結構簡圖

4 裝置整體結構設計（jì）

4.1 整體結構（gòu）

1.底板 2.支架 3，4.螺母 5.墊片 6.彈簧 7.叉（chā）形架 8.銷軸9.軸承 10.支撐輪 11.螺母 12.導電（diàn）輪 13.軸（zhóu）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.導電輪 23.軸承 24.軸（zhóu） 25.螺母

圖 5 導電裝置爆炸視圖

裝置主要由底板、支架、導（dǎo）電輪、可調張（zhāng）緊力（lì）支撐輪、碳刷等部件組成，安裝在線切割機床機架（jià）上（可上下 2 個，對此放置），用螺釘緊固。鉬絲穿過 2 個導電輪和 1 個支撐輪，形成三角導輪結構，鉬絲在輪槽中移動；通過鬆緊 3，4 螺母，拉動（dòng） 7 叉（chā）形架，帶動支撐輪上下移（yí）動，實現鉬絲的張緊功能；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 導電輪緊密接觸，螺釘（dìng）帶電，通（tōng）過碳刷，傳導給導電輪，使鉬絲獲得脈衝電壓。

4.2 設計要點（diǎn）

（1）底板部件。底（dǐ）板 1 采用絕緣塑膠材料，通過螺釘（dìng）連接到機床機架上，支架 2 為金屬材料（liào），通過螺釘（dìng）固定到底板（bǎn） 1，支架 2與機床絕緣。

（2）張（zhāng）緊部件。軸承 9 內圈與銷軸 8 過盈配合，軸承 9 外（wài）圈與支（zhī）撐輪 10 內（nèi）孔過盈配合，裝配到銷軸 8 中部（bù），穿入叉形架 7 支撐（chēng）孔內，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（zhuāng）孔內，墊上墊片 5，擰緊螺母 3，4；通過調節螺母 3，4 的鎖緊，在彈簧 6 的彈力作用下，帶動（dòng）叉形架 7 上（shàng）下微量移動，實現鉬絲張緊功能。

（3）導電部件。導（dǎo）電輪部件分左導電輪部件和右導電輪部件，兩者在支架 2 上對（duì）稱分（fèn）布；左導電輪部件由（yóu）螺母 15、軸 14、軸承 13、導電輪 12、墊片 26、螺母 29、碳刷 16、彈簧 17、螺釘 18 組成，導電輪 12 內孔與軸（zhóu）承 13 外圈過盈配合，軸承 13 內圈與軸14 過（guò）盈配合，軸 14 固定在支架 2 上，導電輪 12 與（yǔ）碳（tàn）刷 16 接觸，通過（guò）擰動螺釘 18，調節碳刷 16 與導電輪（lún） 12 的（de）接觸程度。右導電輪與左導電（diàn）輪安裝方式相同（tóng）。

5.試驗研究

試驗（yàn）條（tiáo）件為：蘇州長風 DK7732E 線切割機床；厚度為 60mm的方形鋁塊（尺寸 100mm×100mm）；金（jīn）山 DX-2 線切割工作乳化液；山東光明牌鉬絲 Φ0.18mm。工作參數為：工作電壓 100V；電（diàn）流 3.0A；脈衝寬度 48μs；脈（mò）衝間隙 6μs；加（jiā）工速度 75mm2/min；電極絲初始張力 8.2N。試驗過程為：將改進後的進電裝置分別安裝在線切割機床走絲架的上下兩側，連續切割 20h，對比改進前和改進後的切削效果，試驗（yàn）結果，如表 1 所（suǒ）示。結果表明：在相同的電（diàn）壓、電流、脈寬、速度等參數條件（jiàn）下，對同（tóng）一工件進行切（qiē）割試驗（yàn），割痕、斷絲、粘絲等不良現象基本解（jiě）決，係統張緊力保（bǎo）持恒定，電極絲損耗減小，零件加工質量提高。

表 1 試驗結果

6.結論（lùn）

（1）設計出一種改進型電火花線切割導電裝置，具有如下特（tè）點：①三角導輪結構，穿絲簡單、快（kuài）捷，運絲平穩，提高機構穩定性；②導電輪采用鑲嵌式，減低製造成品和運動慣性（xìng），提（tí）高導輪使用壽命和導電（diàn）性，排屑方便；③碳刷接觸（chù）緊密（mì），進電快（kuài）速、穩定，左右（yòu） 2 個位置同時進電（diàn），避免漏進電（diàn）現象，碳刷消耗後，可通過螺釘調節；④支撐輪可調節，提高鉬絲（sī）張緊程（chéng）度（dù），避免鬆垮、跳絲等導致的不正常放電現象；

（2）試驗結果表明，改進後無割（gē）痕，斷絲頻率降低 75%，張緊力提高 22%，基本恒（héng）定，電極絲損（sǔn）耗減小至 0.006mm，表麵粗糙度提高到 2.25μm，穿絲難度降低 50%。

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