線切割絕緣介質系統關鍵裝置的改進設計

袁根華

（廣州工程技術職業學院機電工程系，廣州510075）

0 引言

線切割加工的充分必要條件主要有3個：穩定的脈沖電源、穩定的放電間隙、工作區域的放電點上有充分的絕緣介質，因此線切割絕緣介質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下正是依靠絕緣介質被擊穿放電產生高溫從而蝕除金屬，使得金屬的加工成為可能[1-2]。因而在全部加工過程中，循環往復運動的電極絲穿越靜止在工作臺上有一定高度的加工工件時，二者在窄而深的間隙中必須始終存在絕緣介質，電極絲與工件二者間絕緣介質處處提供得越充分均勻則放電加工就越均勻，加工的效率與質量就越高[3-4]。

1 線切割絕緣介質現有提供系統與裝置的分析

線切割絕緣介質提供系統包括介質收納水箱、介質動力馬達、介質控制量開關、輸送與收納的管道，以及其它在機床內外的介質流道、位于工作臺工件上下面有一定高度的噴嘴等，這其中使絕緣介質均勻有效的最大影響因素，能在加工過程中提供給加工窄縫高度方向達到比較理想的一致的均勻絕緣介質的關鍵裝置是絕緣介質噴嘴。

現在的噴嘴上、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。絕緣介質經過噴水板內孔引流至噴水嘴的環形槽中，通過7個均布的小孔噴向電極絲與工件的加工區域，以提供源源不斷的絕緣介質，形成持續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

在實際加工中其存在明顯的不足，上下噴嘴工作時面臨的工作狀況不同，上噴嘴朝下噴水性絕緣介質時，介質水除了本身因一定速度向下噴射外，介質水自身的重力對于介質進入工作區域也有重要作用，兩個方面合成速度都增加了介質水能夠提供電極絲與工件間均勻有效的絕緣介質；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，因介質自身重力影響，介質到達加工工件處時合成速度已經減少了很多，因此基本上加工時以上噴嘴提供的絕緣介質為主，下噴嘴為輔。此外，實際能夠提供工作區域絕緣介質的量的多少取決于進入工作區域的絕緣介質的速度還要再結合往復循環運動的電極絲的狀況，往復循環運動的電極絲如果從工件的上方朝下運動時，上噴嘴的絕緣介質依靠電極絲的運動將進一步加速加量地進入工作區域，此時下噴嘴盡管也能提供工件下方一定的絕緣介質，但是與電極絲的運動相反，又進一步減少了能夠提供的量和速度，總體上絕緣介質此時在工作區域無論量與速度都是最大化，加工狀態最好。而當往復循環的電極絲的運動是從工件的下方朝上運動時，上噴嘴噴射的絕緣介質的量與速度假如保持不變，因電極絲自下而上的運動會干擾并大大減少絕緣介質進入工作區域的數量和速度，而下噴嘴噴射的絕緣介質會因為與電極絲運動方向一致而有所增加進入工作區域，總體上此時工作區域中的絕緣介質無論數量與速度都不如第一種情況。

電極絲依靠自身運動能否最大化增加進入工作區域的絕緣介質的數量與速度實際與噴嘴的結構也存在極大的關聯性，從圖1、圖2可見，當電極絲在噴嘴的中間往復循環運動時，盡管噴嘴的7個均勻布置的小孔在噴射絕緣介質后總會很快就有介質接觸運動的電極絲，但電極絲周圍包裹絕緣介質的量受到7個小孔中心與噴嘴中心半徑距的一定影響，當半徑小，電極絲包裹粘附的絕緣介質的量就會多。

2 線切割絕緣介質上噴板噴嘴的改進設計

根據以上對于線切割絕緣介質提供系統與裝置所產生的欠缺性，以及絕緣介質在各種情況下提供的數量與速度有所差異的分析，首先尋找對上噴板噴嘴改進設計的措施。

2.1 上噴板的改進設計

原先的上噴板如圖1所示，絕緣介質的接頭與噴板是2個工件組裝，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，相對其它形狀連接有防止松動漏水的優勢，但是因為使用過程中存在機床的振動，以及有時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存在松動漏水的現象，減少了相應的絕緣介質的數量與速度；為此，將原來單獨的水管接頭零件與噴板合并設計成為一個注塑成型的塑料工件，從而克服了原先的不足。其次，噴水板現有設計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扎緊增加了困難。最后，噴板原先與機架是采用2個螺栓聯接，現采用2個磁鐵聯接，方便了移動噴嘴的對中操作。改進的上噴板2D結構如圖3所示。

圖3 快走絲線切割加工上噴板改進設計2D結構示意圖

2.2 上噴嘴的改進設計

絕緣介質有3種方式進入工作區域：一是噴射出的一部分直接進入；二是噴射在工件上表面有絕緣介質在重力作用下自然注入；三是由于運動的電極絲的部分包裹吸附在周圍的絕緣介質被加速進入。前兩種方式絕緣介質進入的數量與速度基本上與介質控制開關更加有關外，第三種方式與噴嘴的設計關系極大。原先的設計中7個小孔盡管均勻布置，但是與噴嘴中心位置的有一定半徑距離，絕緣介質包裹吸附在運動的電極絲的量受到影響，且當7個小孔有堵塞時，出口的絕緣介質要么減少要么運動不垂直向下，又進一步影響3種方式進入工作區域的絕緣介質的數量與速度。圖4、圖5是改進設計的上噴嘴組件3D與2D結構示意圖。

圖4 快走絲線切割加工上噴嘴組件改進設計3D結構示意圖

圖5 快走絲線切割加工上噴嘴組件改進設計2D結構示意圖

2.2.1 上噴嘴組件的設計結構

從圖4與圖5可見，此設計將線切割的上噴嘴組件設計成上、下兩個噴嘴構成一個組件再裝入上噴板中，兩上、下噴嘴的連接采用上噴嘴的內錐面與下噴嘴的外錐面及兩者均開縱向槽產生的彈力夾緊實現裝配。其特點如下：

1）上噴水嘴組件中的零件之一上噴嘴的設計參照了原先噴水嘴的設計，但是縱向的分流孔從7個增加為9個，以便分流更加均勻，其下部適當增加了長度，以便可設計內錐面與下噴嘴的外錐面裝配連接。

2）最大改進點是組件中的下噴嘴的設計（如圖6），上部設計了外錐面與上噴嘴連接，上部內部也設計了倒錐內孔，以便收集上噴嘴9個縱向孔分流下來的絕緣介質；下部的設計是重點，整體上是一個比上部倒錐的錐角更小更長的內錐孔，該內錐孔起始直徑為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，斜槽與內錐縱向的角度為2°～5°，斜槽隨著內錐孔直徑從上到下不斷減小而在徑向不斷減小，在內錐孔的終端收縮到0。

2.2.2 上噴嘴組件的設計優點

1）組件中的上噴嘴的9個縱向孔流下的絕緣介質并不直接流向工件，而是匯集于下噴嘴的倒錐面上，因此縱使有雜物堵了這9個小孔，也不會造成直接流向切槽中的某些方向要么少或無液體流出，要么并不垂直朝下，進一步造成進入加工點上的絕緣介質減少的現象。

圖6 快走絲線切割加工上噴嘴組件中的下噴嘴改進設計3D結構示意圖

2）當電極絲在組件中的下噴嘴的上部倒錐的終端時（該處也是下部長倒錐的起始點，此點處直徑為7 mm，此時通過上內倒錐面匯集了上噴嘴從9個直徑為2 mm的縱向孔分流下來的絕緣介質），電極絲開始在下噴嘴全長20 mm的距離中保持與絕緣介質基本上能全接觸，絕緣介質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入切割槽的脈沖放電點上，使得大厚度工件的切割有充足的絕緣介質保障，同時絕緣介質直接注入與依附電極絲加速注入對于沖刷加工出來的廢渣、加快冷卻電極絲減少損耗都有益處。

3）當電極絲從下而上逆向循環運動時，原先的設計因為電極絲逆向運動及電極絲抖動會使得上噴水嘴自由落體的絕緣介質的直線運動改變為不定向的各向的受擾動的斜線方向的運動，使得上噴水嘴以第1、2種方式進入切槽中的絕緣介質進一步減少；而改進后的下噴嘴因為在20 mm長的第二段倒錐內孔面內有5條斜槽，能抵抗電極絲的逆向運動和抖動產生的干擾，使得絕緣介質流體的運動依然能夠基本保持向下的直線運動，從而更好地確保第1、2兩種方式絕緣介質有較多量進入切槽中的脈沖放電處。

3 線切割絕緣介質下噴板噴嘴的改進設計

電極絲是往復循環運動的，在上、下導輪間進行朝下、朝上的直線運動，當電極絲在朝上運動時，從上噴嘴流下的絕緣介質因電極絲的抖動與向上的線速度干擾，對其注入的數量與速度也會產生影響，此時希望下噴嘴向上噴射的絕緣介質與向上運動的電極絲包裹吸附部分絕緣介質能夠補充工作區域與電極絲從上而下運動絕緣介質的減少數量。但線切割原先的上、下噴嘴相同難以完成這個任務，這就造成了電極絲向下運動時比向上運動放電更加充分，

加工效率與質量更好。因此改進下噴嘴結構，盡量使得電極絲向上運動時與向下運動時工作區域絕緣介質數量與速度差異減少是有必要的。圖7是改進后的下噴嘴組件結構2D示意圖。

圖7 快走絲線切割加工下噴嘴組件改進設計2D結構示意圖

此改進設計方案優點在于，首先通過加長噴水板噴嘴外殼段的長度及內錐面設計，使得噴嘴內圓錐面的聚焦點接近安裝在工作臺上的工件底面（下噴嘴噴板安裝面到工件底部的尺寸在機床上是固定的，因此聚焦點容易確定），也就是接近工件下表面的切割槽處，有利于絕緣介質直接依靠水的噴射力進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膽裝配后，絕緣介質從倒圓錐空腔空間噴射而出，由于空腔漸漸收縮，這樣使得絕緣介質的速度不斷加大，在出口處達到最大速度，進一步有利于絕緣介質進入脈沖放電點。再次，電極絲在經過絕緣介質聚焦點時，電極絲與絕緣介質全接觸，依靠絕緣介質與電極絲間的摩擦力及水的張力吸附力，從下朝上運動時，電極絲會加速加量將部分絕緣介質帶入脈沖放電處，從而保證穩定的放電加工，以及沖刷殘渣和加快電極絲冷卻。

4 結語

在快走絲線切割加工中，絕緣介質在放電點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域中電極絲與工件間的絕緣介質是提高加工質量與加工效率的關鍵，通過改進絕緣介質系統的關鍵件——上、下噴嘴組件的結構，在原有的基礎上大大提高了工作區域放電點上絕緣介質的數量與速度，較好地改善了加工條件，使得快走絲線切割加工的質量與效率得以進一步提高。