中走絲線切割機(jī)在小模數(shù)齒輪加工中的應(yīng)用

程 榮，余光輝

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

目前,小模數(shù)齒輪廣泛應(yīng)用在微電機(jī)的減速機(jī)構(gòu)中，一般采用滾齒或者插齒的加工方法。在多品種小批量生產(chǎn)或者新品試制時，定制加工刀具和制作專用工裝既延長生產(chǎn)周期又將提高生產(chǎn)成本。而傳統(tǒng)的滾齒或者插齒加工方法無法快速響應(yīng)，采用電火花線切割加工方法可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝的不足。

電火花線切割加工柔性好，工藝準(zhǔn)備時間短，一般情況下不受齒輪模數(shù)、壓力角、齒數(shù)的限制，通過程序改動可直接加工齒輪。然而，電火花線切割機(jī)有不同的種類和加工方式，如何選擇合適的機(jī)床種類和加工方式來滿足多品種小批量小模數(shù)齒輪制造在質(zhì)量、效率和成本上的要求，便成為了工藝設(shè)計人員需要研究解決的問題。

1 不同種類電火花線切割機(jī)的對比

1.1 電火花線切割機(jī)的分類

電火花線切割機(jī)分為三類：快走絲電火花線切割機(jī)、慢走絲電火花線切割機(jī)和中走絲電火線切割機(jī)。

快走絲電火花線切割機(jī)又被稱作高速往復(fù)走絲線切割機(jī)，一般選用鉬絲作為電極絲。電極絲以8～10 m/s的速度經(jīng)過工件并進(jìn)行放電腐蝕，因速度較快容易在工件表面形成條紋，工件表面質(zhì)量較低。同時，電極絲采用往復(fù)走絲的方式，且設(shè)備沒有恒定張力控制的措施，故切割時電極絲會發(fā)生停頓、抖動和斷絲，影響工件的加工精度，加工質(zhì)量嚴(yán)重降低。

慢走絲電火花線切割機(jī)又被稱作低速單向走絲線切割機(jī)，一般選用銅絲作為電極絲。電極絲以0.2 m/s的速度進(jìn)行單向連續(xù)放電腐蝕，因電極絲速度較低且不重復(fù)使用,且設(shè)備有恒張力控制的措施，故加工平穩(wěn)、抖動較小、均勻，加工精度高，工件表面質(zhì)量接近于磨削的水準(zhǔn)。但由于機(jī)床采用無電阻防電解電源、全閉環(huán)伺服控制、精密機(jī)械結(jié)構(gòu)，其價格比較高，因此相較于快走絲線切割機(jī)，使用成本較高。

中走絲電火花線切割機(jī)是將慢走絲線切割機(jī)的切割工藝融入到快走絲線切割機(jī)中，從而達(dá)到多次切割和無條紋切割要求，一般選用鉬絲作為電極絲。中走絲兼顧了慢走絲和快走絲二者在切割工件時的優(yōu)點(diǎn)，即在多次切割過程中，第一次采用快走絲的高速進(jìn)行粗切割，第二次及后面幾次采用慢走絲的低速進(jìn)行精修與精磨，這樣加工精度和表面質(zhì)量可得到一定程度的提升，加工質(zhì)量比快走絲高、但比慢走絲低。

1.2 電火花線切割機(jī)主要性能和加工成本的對比

電火花線切割機(jī)的性能主要體現(xiàn)在加工精度、表面粗糙度、最大切割面積速度、切割方式等方面，表1詳細(xì)地列舉了現(xiàn)階段不同種類電火花線切割機(jī)的主要性能參數(shù)。

表1 快走絲、中走絲和慢走絲電火花線切割機(jī)主要性能參數(shù)

電火花線切割機(jī)的加工成本主要由機(jī)床的價格、耗材的損耗、使用時長等方面構(gòu)成，表2列舉了某單位不同種類電火花線切割機(jī)的加工成本。

表2 某單位快走絲、中走絲和慢走絲電火花線切割機(jī)的加工成本

通過對不同種類電火花線切割機(jī)主要性能和加工成本的對比，同時結(jié)合多品種小批量小模數(shù)齒輪制造時在質(zhì)量、效率和成本上的要求，我們分析得知：

(1) 慢走絲電火花線切割機(jī)的加工精度和表面質(zhì)量最高，但加工成本也最高，故加工經(jīng)濟(jì)性相對較差。在小模數(shù)齒輪加工應(yīng)用中，要綜合考慮工藝的經(jīng)濟(jì)性，即在滿足加工質(zhì)量的前提下盡可能選用加工成本低的工藝設(shè)備，所以慢走絲電火花線切割機(jī)不是最優(yōu)選擇。

(2) 快走絲電火花線切割機(jī)雖然加工成本最低，但是加工質(zhì)量也最差，無法滿足小模數(shù)齒輪精度和表面粗糙度的要求，不適合用于小模數(shù)齒輪的制造。

(3) 中走絲電火花線切割機(jī)的加工質(zhì)量與慢走絲相似，加工成本與快走絲相近，較好地彌補(bǔ)了在小模數(shù)齒輪加工中慢走絲成本高、快走絲質(zhì)量差的缺陷，適用于多品種小批量小模數(shù)齒輪的生產(chǎn)。

(4) 電火花線切割機(jī)的加工效率主要由平均切割面積速度來決定，快走絲的加工效率最高，其次是中走絲，最后是慢走絲。

綜上所述，在多品種小批量小模數(shù)齒輪加工中選用中走絲電火花線切割機(jī)最合適，該機(jī)床能滿足齒輪制造時在質(zhì)量、效率和成本上的要求。

2 電火花線切割加工方式的對比

電火花線切割的加工方式分為兩種：單次切割和多次切割，其中多次切割的加工方式僅在中走絲、慢走絲電火花線切割機(jī)中可以實(shí)現(xiàn)。

單次切割的加工方式是指利用電極絲對表面進(jìn)行一次切割。單次切割過程中，采用大的脈沖能量以獲得較高的加工速度，加工質(zhì)量較低。

多次切割的方式是指利用電極絲對表面先后進(jìn)行兩次或兩次以上的切割。第一次切割時為高速走絲切割，類似于快走絲切割，并留有精割余量；第二次及后續(xù)多次切割時為低速走絲切割，采用同一切割軌跡程序，通過逐漸縮小補(bǔ)償量的方法進(jìn)行切割加工。隨著切割次數(shù)的增多，補(bǔ)償量應(yīng)逐級減小，直至最后一次切割時，補(bǔ)償量應(yīng)接近零。多次切割過程中，第一次切割主要進(jìn)行高速粗割，第二次及后續(xù)切割主要進(jìn)行低速精割，最后一次切割主要進(jìn)行超低速修光，以獲得理想的加工精度和表面質(zhì)量，加工質(zhì)量較高。

為了更直觀地比較兩種加工方式在加工質(zhì)量上的差異，我們選用厚40 mm的Cr12正八棱柱(對邊距28 mm)作為樣件，用中走絲電火花線切割機(jī)進(jìn)行單次切割和多次切割實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 中走絲線切割機(jī)一次與多次切割檢測數(shù)據(jù)

采用多次切割時，工件的加工質(zhì)量得到了明顯提高，而且切割次數(shù)越多，加工質(zhì)量越高。但是過多的切割次數(shù)，會降低加工效率，提高加工成本。基于工藝經(jīng)濟(jì)性的原則，我們要嚴(yán)格控制切割次數(shù)，在滿足加工質(zhì)量的同時盡可能地提高加工效率、降低加工成本。

綜上所述，在多品種小批量小模數(shù)齒輪加工中選用多次切割的加工方式最合適，能滿足小模數(shù)齒輪制造時在質(zhì)量、效率和成本上的要求。

3 小模數(shù)齒輪加工實(shí)例

在某型號小模數(shù)齒輪加工時，我們分別采用中走絲電火花線切割機(jī)和快走絲電火花線切割機(jī)進(jìn)行加工質(zhì)量的對比，中走絲電火花線切割機(jī)在加工時采用多次切割的加工方式；而快走絲電火花線切割機(jī)在加工時采用單次切割的加工方式，加工效果如圖1所示。

(a) 快走絲

通過加工實(shí)物對比，我們發(fā)現(xiàn)中走絲加工的齒輪質(zhì)量明顯優(yōu)于快走絲，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文對比結(jié)果的正確性。

4 結(jié) 語

中走絲電火花線切割機(jī)的加工質(zhì)量與慢走絲相似，加工成本與快走絲相近，較好地彌補(bǔ)了慢走絲成本高、快走絲質(zhì)量差的缺陷。

多次切割的加工方式相比于單次切割可以獲得更好的加工質(zhì)量，而且切割次數(shù)越多，加工質(zhì)量越好。但是過多的切割次數(shù)，會降低加工效率，提高加工成本。基于工藝經(jīng)濟(jì)性的原則，我們要嚴(yán)格控制切割次數(shù)，在滿足加工質(zhì)量的同時盡可能地提高加工效率、降低加工成本。

在多品種小批量小模數(shù)齒輪加工中選用中走絲線切割機(jī)和多次切割的加工方式最合適，它能滿足齒輪制造時在質(zhì)量、效率和成本上的要求。