隨動導絲及噴水機構大錐度高速電火花線切割研究

李凌鈴　劉志東　岳偉棟

南京航空航天大學，南京，210016

隨動導絲及噴水機構大錐度高速電火花線切割研究

李凌鈴劉志東岳偉棟

南京航空航天大學，南京，210016

高速往復走絲電火花線切割機床大錐度(≥±5°)切割時，受到諸多因素的影響，尤其是電極絲采用導輪定位產生的結構誤差的影響，加上切割時工作液不能很好地包裹住電極絲并隨著電極絲沿傾斜方向進入加工區域，使其加工精度和表面粗糙度比直體切割時差很多，對于錐度零件的多次切割特別是大錐度零件的多次切割則顯得更加困難，其根本原因是沒有能夠保持電極絲空間位置及穩定性的隨動導絲器和噴水機構。為此，設計了一種隨著電極絲傾斜能隨動導絲并跟蹤噴液的六連桿大錐度隨動導絲及噴水機構。通過試驗，在相同加工參數條件下，新型隨動機構與現有機構相比，圓錐加工誤差從80μm減小到40μm，表面粗糙度Ra從4.059μm減小至3.495μm，多次切割后加工精度可以達到25μm(錐度±20°，工件厚40mm)，表面粗糙度Ra達到1.670μm。

高速電火花線切割；大錐度；隨動機構；多次切割

0　引言

作為高速往復走絲電火花線切割(HSWEDM)機床的重要品種——錐度線切割機床已廣泛應用于成形刀具、電火花成形加工用電極、塑料和橡膠擠出模、拉絲模、模具鑲拼件及多種零件(如斜齒輪、葉片等)的加工領域[1]。錐度工件特別是大錐度(≥±5°)工件切割時，由于受多種因素(尤其是電極絲采用導輪定位產生的各種結構誤差)的影響，加上大錐度切割時工作液不能很好地包裹住電極絲且不能隨著電極絲沿傾斜方向進入加工區域，其加工精度和表面粗糙度比直體加工時差很多，切割過程中斷絲概率也較高，因此對于錐度零件的多次切割特別是大錐度零件的多次切割顯得更加困難。

1　現有大錐度切割存在的問題及處理方法

1.1現有大錐度結構

現有大錐度切割的HSWEDM通常由普通四連桿擺動式大錐度線架實現，如圖1所示[2]。導輪在四連桿帶動下可以在U方向進行平移及在V方向進行偏擺。采用導輪對電極絲進行定位存在以下問題：首先會產生錐度切割時電極絲的交切誤差，如圖2所示。錐度切割過程中，當進行U向平移時，電極絲在導輪上的切點將從直體切割時的A、C點轉變成錐度切割時的B、D點，這就形成了實際電極絲位置和理論電極絲位置的誤差，即交切誤差b(圖2)。交切誤差隨著切割錐度的增大和導輪直徑的增大而加大。雖然交切誤差可以通過插補計算的誤差補償進行修正，但由于大錐度切割時電極絲的空間位置的不穩定和不確定性，誤差補償大多數情況下反而適得其反。因此，如需要進行精密的大錐度切割時，必須首先保持電極絲空間位置的一致性和穩定性，采用導絲器對電極絲進行限位是行之有效的方法。其次，采用導輪對電極絲進行定位時，噴水嘴為避免與電極絲在U方向平移時形成干涉，通常做成沿U方向長槽式的多出水孔噴嘴，如圖3所示。此時對電極絲的冷卻無法保證工作液從噴嘴噴出后包裹住電極絲，且對電極絲產生擾動，如圖4所示。所以該方式對加工區域的冷卻效果很差，影響切割精度和表面質量。

圖1　現有四連桿擺動式大錐度線架

圖2　導輪定位U向交切誤差示意圖

圖3　長槽式噴水板結構

圖4　U向平移時電極絲單邊“水幕”現象

1.2現有大錐度切割工作液擾動分析

線切割加工的工作液都具有一定的黏度[3]，在電極絲走絲時，就會因電極絲的運動而產生剪切流動，這種流動的根源在于流層間的黏性摩擦作用[4]。穩定切割過程中，理想條件下工作液能夠均勻包裹住電極絲，如圖5所示。加工過程中為使極間蝕除產物能夠及時排除，需要保證放電間隙工作液具有較大流量[5]。流量大時，由于工作液重力及水流的噴射壓力作用，工作液自身流向為垂直于工作臺面方向，而錐度切割時，電極絲傾斜一定的角度，工作液流向不平行于電極絲，因此對電極絲產生擾動。正向走絲(電極絲由上向下走絲)時，電極絲對工作液的剪切力垂直方向分力與工作液自身重力及工作液噴射壓力同向，電極絲傾斜一定角度時，由于電極絲對工作液的剪切力作用，工作液在電極絲一側產生“水幕”(圖6a)，對電極絲產生擾動，使加工不穩定，加工時采集的放電脈沖波形如圖7a所示。電極絲反向走絲(電極絲由下向上走絲)時，剪切力垂直方向分力與工作液自身重力及水流噴射壓力反向，避免了“水幕”現象產生，如圖6b所示，工作液對電極絲的干擾較小，脈沖波形如圖7b所示。

圖5　理想條件下工作液包裹電極絲

(a)電極絲正向走絲時工作液對電極絲擾動大

(b)電極絲反向走絲時工作液對電極絲擾動小圖6　電極絲不同走向時工作液擾動情況

時間:200 μs/格；通道1:10.0 V/格；通道4:10.0 A/格(a)電極絲正向走絲時波形

時間:200 μs/格；通道1:10.0 V/格；通道4:10.0 A/格(b)電極絲反向走絲時波形圖7　錐度切割電極絲正反向走絲時脈沖波形(界面圖)

根據流體動量定律：系統內的流體動量的時間變化率等于作用在系統上的外力矢量和[6]，即

(1)

式中，dx為流體單位位移；ρ為流體密度；u為平均流速；dv為單位質點流速；sv為單位時間流量；F為外力矢量和。

式(1)中，等號左邊表示系統內的流體動量，等號右邊表示作用在系統上的外力矢量和。假設流體斷面速度為常數,v1、v2分別為兩斷面速度。由于封閉系統中，流體單位時間內流量Q恒定，所以各方向動量方程為

(2)

(3)

式中，δmg為單位時間工作液重力。

圖8　單位質量工作液速度及受力模型

圖9　電極絲受力情況

2　六連桿大錐度隨動導絲及噴水機構原理

針對現有的HSWEDM在切割大錐度工件時電極絲定位和噴水裝置不能實現隨動導絲及噴水的問題，設計了一種六連桿大錐度隨動導絲及噴水機構，其原理如圖10所示[8]。

1.絲筒　2.電極絲　3.恒張力機構　4.寶石叉　5.V向絲杠　6.U向絲杠　7.上直線軸　8.上進電塊　9.上導輪　10.上導絲器　11.上連桿　12.下導絲器　13.下導輪　14.下進電塊　15.下連桿　16.下直線軸　17.套筒連桿圖10　六連桿大錐度隨動導絲及噴水機構結構示意圖

六連桿大錐度隨動導絲及噴水機構U向傳動過程如下：在U向電機的傳動下，通過齒輪、絲杠6帶動上直線軸7前后運動。此時整個上直線軸7和下連桿15的前后旋轉中心為下線臂后端點G。當上直線軸7前伸或后退時，上連桿11向前或向后運動，通過轉動點A帶動上導絲器10繞旋轉中心點C順時針或逆時針旋轉，如圖11所示，與此同時下連桿15在套筒連桿17的帶動下也會向前運動并通過轉動點B帶動下導絲器12繞旋轉中心點D順時針或逆時針旋轉。這樣的運動可以保證上下導絲器轉動一個角度，使得導絲器內的硬質定位塊V形槽與電極絲始終重合。上連桿11與下連桿15的距離在運動過程中必然會產生伸長和縮短變化，這些變化可以由套筒連桿17自動伸長和縮短來補償。U向的定位原理如圖12所示。在運動過程中電極絲的伸長量由恒張力機構3進行補償，走絲系統的進電由上下進電塊8、14完成。

圖11　錐度頭U向運動時隨動噴水導絲器運動圖

圖12　U向定位原理圖

設計的六連桿大錐度隨動導絲及噴水機構由于電極絲方向始終與導絲器中的V形槽重合，設計于導絲器上的噴水嘴噴出的工作液始終能包裹住電極絲并隨電極絲進入加工區，因此能起到很好的洗滌、冷卻和消電離作用[9]，對加工精度、切割效率和表面質量的提高起到積極作用。其機構裝置與加工過程如圖13與圖14所示。

圖13　隨動導絲及噴水機構實物裝置

圖14　隨動導絲及噴水機構加工現場

3　隨動噴水及導絲加工工藝試驗

分別采用現有大錐度機構與設計的隨動導絲及噴水機構進行錐度切割試驗。試驗條件如表1所示。

表1　試驗條件

3.1工件表面質量影響

試驗切割材料為厚20mm的Cr12，切割形狀為20mm×20mm錐度±20°的四方錐體，試驗參數如表2所示。

表2　切割電參數

不同噴液條件下工件表面質量如圖15～圖17所示?，F有噴液方式下工件表面粗糙度Ra=4.976μm，隨動噴液方式下工件表面粗糙度Ra=3.284μm。

圖15　工作液帶入量不足時工件表面形成燒傷

圖16　工作液擾動時工件表面凹凸不平

圖17　隨動噴液加工時工件表面平整

由圖15～圖17可知，現有大錐度噴液方式工作液帶入量不穩定，當加工區域工作液不足時，極間蝕除產物沒有及時排出，導致工件表面得不到及時冷卻而出現燒傷；當工作液流量較大時，錐度加工中其噴射方向和電極絲走向角度時刻變化，工作液對電極絲的擾動力發生變化，導致工件表面形成凹凸不平的表面；而隨動噴水在保證加工區域洗滌性能的同時減小了對電極絲的擾動力，工件表面平整均勻。

3.2工件精度影響

試驗切割材料為厚20mm的Cr12，切割形狀為底徑20mm、錐度±20°的圓錐體。試驗參數同表2。切割工件精度如表3所示。

表3　不同機構切割工件圓度誤差值　μm

隨動導絲及噴水機構切割大錐度工件時電極絲始終垂直穿過導絲器，由導輪跳動和工作液擾動形成的擾動產生的振動通過導絲器的阻尼作用減弱消除[10]，電極絲空間穩定性和一致性得到保證，零件加工精度相對現有機構有所提高。

3.3大錐度多次切割影響

試驗切割材料為厚40mm的Cr12，切割形狀為底徑40mm、錐度±20°的圓錐體。試驗參數如表4所示。

表4　多次切割電參數

多次切割工件表面紋理如圖18所示。兩種機構切割工件表面粗糙度和精度如表5、表6所示。

(a)現有機構多次切割工件表面紋理(b)隨動機構多次切割工件表面紋理圖18　不同大錐度機構切割工件表面

一次切割三次切割現有機構4.0591.793隨動機構3.4951.670

表6　兩種機構切割工件圓度誤差值　μm

多次切割過程中，一次切割是雙面對稱余量加工，此時電極絲是在一個封閉的環境中進行切割加工的，對電極絲振動的阻尼作用較大，同時有利于電極絲在切縫中的穩定[11]；而第二次切割是單邊余量加工，加工時作用在電極絲上的放電力是不對稱的，電極絲兩側的阻尼狀態也不一樣，此時切縫對電極絲振幅的約束作用大大減弱，如圖19所示[12]?，F有機構大錐度多次切割，由于沒有能夠保持電極絲空間位置及穩定性的機構，加上工作液對電極絲的擾動力，電極絲振動影響加大，多次切割工件表面效果很差。

(a)單次切割雙邊放電(b)多次切割單邊放電圖19　多次切割放電與單次切割放電的區別

隨動導絲及噴水機構大錐度切割過程中工作液噴射方向始終與電極絲平行，且導絲器減小了電極絲的振動，多次切割過程中能夠保持電極絲空間位置的穩定性，使多次切割電極絲重復定位精度提高，能夠實現多次切割，大大提高了工件表面質量及精度。

4　結語

本文通過對現有電火花大錐度切割機構與隨動導絲及噴水大錐度切割機構的分析，討論了現有大錐度機構存在問題，并提出相應的解決措施；通過對比試驗驗證了隨動導絲及噴水機構結構的合理性。設計的隨動導絲及噴水機構能夠保證工作液的洗滌性能，在穩定電極絲空間位置作用的同時可減小對電極絲的擾動和干涉作用，大大提高了電火花大錐度切割工件的表面質量及精度。

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(編輯蘇衛國)

Study on HSWEDM Possessing Function of Guiding Wire and Following-up Spray during Large Taper Cutting

Li LinglingLiu ZhidongYue Weidong

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

Because many factors especially the structure error influences caused by wire electrode using wheel positioning, and dielectric fluid cannot grip the wire electrode very well so that could not flow into the machining area with wire electrode along the direction of dip when big taper parts in cutting, the machining accuracy and surface roughness of the taper parts were worse than parts with stretched cutting. Multi cutting of taper parts especially big taper parts was much more difficult. The basic reason was that it had no follow-up guide and spray mechanism which could keep the wire electrode space position and stability. In view of the above mentioned problems, the paper presented the design of a six connecting rod big taper follow-up guide and spray mechanism that could guide wire along with wire electrode’s inclination and realize tracking spray at the same time. On the basis of new mechanism, experimental results show that taper machining errors decrease from 80μm to 40μm. Surface roughnessRadecreases from 4.059 μm to 3.495 μm. After multi cutting, taper machining (taper ±20°, thickness 40 mm) errors are decreased to 25 μm. Surface roughnessRais decreased to 1.670 μm.

high speed wire-cut electric discharge machining(HSWEDM); large taper; servo guide mechanism; multi cutting

2014-05-22

TG661< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.09.007

李凌鈴，男，1990年生。南京航空航天大學機電學院碩士研究生。研究方向為特種加工。劉志東(通信作者)，男，1966年生。南京航空航天大學機電學院教授、博士研究生導師。岳偉棟，男，1989年生。南京航空航天大學機電學院碩士研究生。