线切割高速走丝

线切割高速走丝（精选7篇）

线切割高速走丝 篇1

0 引言

有关电火花线切割效率提高的研究永远是电加工行业永恒的课题,国外低速走丝电火花线切割(low speed wire-cut electrical discharge machining,LSWEDM)的最大切割效率在300mm2/min沉寂了一段时间后,近来有了新的突破。由于窄脉宽高峰值电流脉冲电源的开发,在与其他条件(各种控制方式、供液条件、复合电极丝等)配合下,可使最高切割效率达到350~500 mm2/min[1]。近年来高速走丝电火花线切割(high speed wire-cut electrical discharge machining,HSWEDM)随着“中走丝”机床(具有多次切割功能的HSWEDM)工艺的逐步推广及复合工作液的普遍使用,其最高稳定切割效率已从以往的100mm2/min左右跃居到目前的接近200mm2/min[2]。但达到这个切割效率后,似乎又停滞不前了。针对此本文进行了初步探讨。

1 高效切割机理分析

1.1 工作液

高效切割的前提是在不断丝的条件下,输入尽可能大的能量,并且维持两极之间处于正常的放电状态。复合工作液的使用之所以能大幅度提高HSWEDM的切割效率,其主要原因之一就是以往采用的乳化液洗涤性能较差,放电后乳化液组分中大量烧蚀的机油与蚀除的金属颗粒结合在极间会形成大量的黏性蚀除产物,堵塞在切缝内,阻挡了新工作液的进入,使得输入能量增加后,放电只能在缺乏极间工作液的黏性的且有松散导电能力的胶体介质中进行,极间放电后不能及时消电离和冷却,因此其放电的波形有较多是从短路直接进入放电状态的(图1)。放电能量增大后,极间冷却困难,电极丝极易烧断,工件表面也容易产生因烧伤而导致的黑白交叉条纹。平均加工电流一般需要控制在3A以内,由此导致HSWEDM实际的切割效率长期徘徊在40~80mm2/min之间[3],而复合工作液相对乳化液而言具有很好的洗涤能力,且放电后不易产生极间黏性蚀除产物,可以保持极间处于正常的冷却状态,因此其放电波形有较大比例体现出具有间隙放电特征的放电延时击穿(图2),其平均切割电流可以增加到6~7A。这样首先从能量的输入而言,可以使得切割效率提高一倍,并且由于极间冷却、消电离充分,放电能量的利用率大大提高;其次,复合工作液与乳化液相比具有较高的电导率,从而起到较好的电解整平及进一步提高脉冲效率的作用,增加能量的利用率并拓宽切缝;第三,复合工作液由于其电导率较乳化液有较大提高,使放电过程中用于击穿介质的能量消耗降低,从而有效提高了脉冲放电几率并降低了能量损失,提高了加工效率;第四,由于极间工作液充分,对放电通道的压缩明显,因此在放电过程中产生的爆炸压较大,蚀除产物的排出更加彻底。上述这些因素综合导致了使用复合工作液后,正常放电的比例大大提高,单位电流切割效率达到30mm2/(min·A),比乳化液的单位电流切割效率20mm2(min·A)提高了50%,因此选用正确的工作液以维持极间保持正常的冷却及消电离状态是大能量切割条件下提高切割效率的首要条件。

1.2 极间供液形式及放电间隙

由于复合工作液优异的冷却和洗涤性能改善了极间放电状态,一次切割效率获得成倍提高,最高可接近200mm2/min。但如果继续增大放电能量,切割效率不会继续提高,其问题实质仍是极间放电状况恶化的结果,而此时主要的问题是大能量切割时投入的放电能量在极间产生了巨大的热量使进入极间的介质瞬时产生气化、分解,如果极间工作液得不到及时补充将使后续放电在只有部分工作液或者无工作液的极间状态下进行,将使得放电状态严重恶化,致使切割效率无法进一步提高。为此在大能量切割时必须考虑变更原有传统的浇注式冷却方式。也就是说,采用HSWEDM大能量切割时,原来采用的工作液浇注冷却方式,即无压力的工作液仅仅依靠附着在电极丝上并随其高速带入极间的冷却方式已不再适用,必须采取高压强迫喷液的方式尽快补充极间汽化掉的工作液。由于复合工作液具有较强的洗涤性,加工中不易产生胶体物质,蚀除产物易于排出,极间切缝较为通畅,为其高压喷入提供了有利条件,因此采用复合工作液仍然是喷液方式的首选。为此需进行以下系统改进:首先,对原浇注式喷嘴进行改进,采用共轴式高压喷嘴,以减小喷液对电极丝的冲击;其次,为降低喷液对电极丝产生冲击引起的扰动,可以增加电极丝导丝器,以提高加工区电极丝的刚性。其喷嘴结构如图3所示。

图4为常压浇注(液体压力为0)状态下采集的放电波形图,图5为高压喷液(喷液压力为0.5MPa)状态下采集的放电波形图。从图4可以看出,采用常压浇注式的冷却方式,极间放电状态已经恶化,放电击穿延时波形较少,单个脉冲放电波形中常伴随较多的微短路现象,说明此时极间工作液的损失较多,极间排屑效果较差,同时极间较多的蚀除产物在钼丝的带动下彼此之间易发生短暂的接触,在两极间容易形成瞬时“搭桥”,从而导致微短路频发。即使是偶尔出现的空载状况,也由于极间工作介质的物理状态已由单一的液态转化为气液两相状态,电解电流大大降低。

相同条件下,图5表现出不同的放电状态。由于采用高压强迫喷液,强化了极间供液,使得极间能够获得充足的液体放电介质,因而处于正常的具有放电击穿延时的间隙状态,提高了脉冲的利用率。

以往对于放电间隙的宽窄通常认为HSWEDM单边放电间隙基本在0.01mm左右,该结论的得出主要是由于当时采用的工作介质是乳化液且平均切割电流在3A以下,因此也就可以得出:对于HSWEDM,极间的冷却主要是依靠附着在电极丝上的工作液带入切缝而进行的结论。但在使用复合工作液且在较高放电能量条件下所获得的放电间隙则完全不同。在本文实验条件下,使用复合工作液后,平均加工电流为3A时,实际单边放电间隙超过0.03mm(未考虑切割面的腰鼓形),且随着切割能量的增大以及工作介质洗涤能力的增强而增大。目前,在采用大脉冲峰值电流和适当的脉冲宽度时获得的单边放电间隙完全可以达到甚至超过0.05mm[4],从而为极间高压喷液的工作提供保障。

1.3 蚀除形式

采用大能量高效切割,由于单位脉冲放电能量大、蚀除速度快,极间蚀除产物在短时间内迅速增多且颗粒体积较大,引起极间工作液的介电强度下降,为此需要较长时间的消电离过程,这样必然会影响切割效率的提高,所以在大能量高效切割时,如何将电蚀产物及时、迅速地排出放电间隙非常重要。由两相流动力学理论可知[5],固体悬浮颗粒尺寸(体积)愈小,其惯性越小,流体越容易将其带走;反之,则难以被快速带走。另外,固相颗粒聚集程度越高,越难以被流体冲走,反之越分散,越易被流体冲走。故当放电加工时,极间蚀除产物颗粒越大,越难以排除,久之便容易产生集聚,使排屑难度加大,同时在两极间易形成“搭桥”,引起短路,造成加工不稳定。因此在电火花线切割中,蚀除颗粒尺寸(体积)越小、越分散,越有利于蚀除产物的排出和极间放电的稳定。

电火花加工蚀除产物颗粒的形状大小在很大程度上与电火花蚀除形式有关。蚀除形式主要有[6]:①气化、蒸发,金属直接由固液态转变为气态或如同水的沸腾那样被去除;②熔化,此时,金属先被熔化,然后在阴极或阳极表面被高压炸散成小液滴而被去除;③热震,由熔化和沸腾着的表面以小颗粒状脱落下来。一般这三种蚀除形式相互伴随,各方式所占比例取决于工件材料的性质、放电能量、脉冲频率、占空比、加工面积和其他机床参数。因此在工件材料一定的条件下,可以通过改变电参数来调节三种蚀除方式所占的比例,以期达到尽可能提高气化、蒸发方式的比例并降低熔化、热震方式比例的目的。气化、蒸发的方式蚀除的金属基本可以通过热蒸气的形式直接排出放电间隙或经冷却后转化为极微小颗粒,便于工作液将其带出放电间隙,以提高极间放电稳定性。显然,提高单脉冲放电能量密度有利于蚀除方式向气化、蒸发的方式转变,而提高峰值放电电流、缩短脉冲放电时间,可有效提高单脉冲放电能量密度。因此在大能量高效切割时,应选择大峰值放电电流,同时在保证较大的平均电流的基础上缩小脉宽。

图6所示为不同高低压复合脉冲电源放电形式下切割的工件微观表面。其中图6a所示为脉冲电源高压142V、低压42.5V情况下切割得到的工件微观表面形貌,图6b所示为脉冲电源高压85V、低压39V情况下切割得到的工件微观表面形貌。从图6a可以看出,切割工件表面较为光亮且基本没有凝固的金属液滴。分析认为,由于脉冲电源电压较高,单脉冲放电能量密度较大,致使切割加工中气化蚀除比例较高,气化后的蚀除产物容易排除,从而改善了极间洗涤、冷却状况,并使切割工件表面较为光亮。图6b的切割工件表面较为灰暗,其表面存在较多的毛刺和凝固的金属液滴,说明由于脉冲电源电压较低,单脉冲放电能量密度有所降低,加工中熔化蚀除比例较高,致使切割工件表面金属液滴残留增多,且由于熔化后的蚀除产物较难排除,极间的洗涤、冷却效果有所下降,切割表面相对较暗,在基本相同的平均切割电流条件下,两种切割状况平均切割效率相差5%~10%。

2 实验

根据上述分析的结论,在大能量切割条件下,通过对比常规浇注式和辅以高压同轴喷液冷却方式的HSWEDM切割工件表面形貌和切割效率,检验在极间大能量切割条件下,辅以高压喷液冷却方式对切割工艺性能具有较好的改善效果。实验现场照片如图7所示。

实验工件:淬火Cr12模具钢,厚度为26mm;工作液:佳润JR3A超浓缩乳化膏,与水按1∶40配比,考虑到冲液后会产生泡沫,适当加入消泡组分加以控制;电极丝:钼丝,0.18mm;运丝速度:10m/s;电极丝长度:100m;喷嘴与工件表面距离:0.5mm;高压水泵:Grundfos(格兰富)高压水泵,CRK2-110。加工参数:脉宽64μs,占空比1∶5,功率管7支,脉冲电源高压85V,低压39V。分别做了几组实验,为便于分析,取其中三组,结果如表1所示。切割完毕的常压浇注冷却(1号)与喷液冷却(4号、5号)工件表面如图8所示。

从实验结果可以看出,高压喷液冷却方式下的切割效率较常压浇注冷却方式下的切割效率有大幅提高,突破了平均切割效率长期处于200mm2/min以内的局面,并且在同样加工参数条件下,切割效率的增幅接近20%,此外,由图8可以看到,常压浇注冷却条件下切割表面带有大量的由于极间没有充足工作液冷却而导致的黑白交叉的烧伤纹,且由于极间得不到及时充分的冷却,电极丝烧断的几率大大增高,而高压喷液冷却条件下的切割表面基本没有烧伤纹,电极丝的使用寿命也大大提高。实验表明,辅以高压喷液的HSWEDM在大能量放电加工条件下可以进行高效切割。

3 结论

(1)正确选择工作液,以实现极间清洁的间隙状态及较宽的切缝是实现大能量放电切割的前提。

(2)采用同轴高压喷液方式,能及时补充因大能量放电加工而气化的极间工作液,使极间放电和冷却状况得到改善,并消除切割表面烧伤纹。

(3)在大能量高效切割时,应选择大峰值放电电流,同时在保证平均电流较大的基础上减小脉宽,以尽可能实现以气化为主的蚀除方式。

参考文献

[1]叶军.数控低速走丝电火花线切割加工技术及市场发展分析[J].电加工与模具,2005(增刊):13-16.

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[5]方丁酉.两相流动力学[M].长沙:国防科学技术大学出版社,1988.

[6]高上品.电火花加工过程的物理本质[J].机电一体化,1996(3):29-31.

线切割高速走丝 篇2

随着生产的发展和科学实验的需要,很多工业产品零件的形状越来越复杂,特殊要求也越来越多[1]。有些方面使用传统的加工方法很难达到目的,甚至根本无法实现。电火花线切割加工属于特种加工的一种,已广泛应用于各种难加工材料、刀具、模具、复杂表面和有特殊要求的零件的加工[2],如加工异形孔、窄缝、带锥度的零件[3],还具有加工上下异形零件的功能。由于上下异形零件形状多种多样,所以,目前我国高速走丝线切割机床中所配备的软件,主要是为用户提供一个加工上下异形零件的平台。在加工具体零件时需要操作者根据具体情况来编制加工程序。由于上下异形零件形状比较特殊,所以加工有一定难度。若编制加工程序时正确运用加工原理,就比较容易得到正确的加工轨迹,进而得到合格的零件形状。

1 上下异形零件的加工原理

所谓上下异形零件是指零件的上表面与下表面不是相似的图形,但上下表面之间择点平滑过渡。如图1和图2所示。

1.1曲面的形成

以图1为例,一条直线L,其上端点沿正六边形的周边、下端点沿圆形的圆周绕Z轴运动,形成零件的外形曲面。因此,上下异形面是由通过上下面上两个不同的二维导线上点的直母线束组成,由上下面的起点连接成的直母线出发,直到上下面的终点连接成的直母线结束,直母线所能倾斜的角度受机床结构限制[4]。

1.2 加工原理

图3为加工由六边形过渡到圆形曲面的1/6时的原理图,OO′为工件加工时的回转轴,AA′为电极丝的起始位置,BB′为加工过程中电极丝的某一位置,当工件在工作台的带动下绕OO′轴回转Δθ角度时,切割零件所使用的那段丝的下面一点始终在圆周上,如不采取其它措施,丝的上面一点将同样沿圆周运动,加工出的将是圆台。为了解决这一问题,电极丝必须同时在上导轮的带动下摆动Δφθ角度,从而保证丝的上面一点始终沿六边形的边运动,此时电极丝由任意位置BB′移动到CC′位置。

2 几种上下异形锥度加工方法的分析

目前,电火花线切割上下异形加工控制模型主要有以下几种。

2.1 原地踏步结合角度随动法

该方法是在高速走丝电火花线切割机上直接添加数控转台、摆台等附件。电极丝始终垂直于加工曲线的法线,锥度角保持不变,工件绕Z轴转动和绕X轴摆动的协调运动而加工出复杂的直纹曲面。这种方法可大大扩展国产高速走丝电火花线切割机的加工范围, 缺点是无法加工变锥度工件, 加工中易产生干涉现象[5] 。

2.2 4轴轨迹线性联动控制法

这种方法主要是沿用国外低速走丝电火花线切割4 轴联动坐标系统的方法[6],其控制框图见图4,该方法在国内外电火花线切割机床上得到广泛应用,技术较成熟。但线性化计算较复杂,尤其对圆弧线性化的计算,需要把一段圆弧分为很多直线段来表示和模拟,易失去圆弧特征而造成相当大的拟合误差,降低加工精度;同时也大大增加了加工程序的条数,影响加工效率。

2.3 双平面插补控制法

该方法是在4轴轨迹线性联动控制法的基础上对工件上下表面轨迹依图纸分别编程并独自插补计算,无需进行轨迹的线性化处理,在加工中直接引入行程协调函数,使上下对应段的切割按比例进给加工。采用这种加工编程原理来进行上下异形零件的加工,减少了曲线拟合误差,对零件加工精度的影响不大,在近年生产的线切割数控加工机床中应用广泛[7]。

3 加工程序编制要点及调整

以DK7725e高速走丝线切割机床为例进行说明,将电极丝调垂直,坯料安装到工作台上并固定好。使用CAXA软件对零件的上下面分别编程,编程时需指定上下异形面上的对应点。在此例中,上下面上各至少选择六个对应点,并在程序代码中做好相应的标记。然后使用软件的合成功能进行合成,合成时指定下圆面为XY面(编程面),上六边形面为UV面(参考面)。输入下导轮中心到工作台面的距离H1、工作台面到工件上表面的距离H2(即工件的厚度)、上导轮中心到下导轮中心之间的距离HGD,如图5所示。H1、HGD这两个参数在机床上测量得到,其中H1由厂家设计决定,一般不需要调整,HGD应在允许的情况下尽可能减小(通过调节上丝臂可以实现),这样可减小丝抖动的幅度,有利于提高表面质量和加工的稳定性。H2通过测量零件材料的厚度得到。加工前应进行空运行,检查加工轨迹,并依据表面质量要求选择合适的电参数,正确的加工轨迹如图6所示。

4 失败原因分析及对策

4.1 常见失败现象

上下异形零件由于其形状比较特殊,加工起来比较困难,常见的加工失败有下列几种情况:① 零件的棱角不分明;② 虽有棱角但歪斜;③ 上或下表面被削掉了一部分,造成形状不完整;④ 编程正确但加工出的形状与设计的不同;⑤ 形状虽正确但尺寸不合格或表面质量差。

4.2 原因分析及对策

线切割加工过程中电极丝沿导轮做往复运动,工件在工作台带动下在XY面内转动。由加工原理和图5可知,在完成一个上下异形零件的加工过程中,工作台和电极丝在同一时间内各自完成自己的轨迹。加工的上下异形零件实际上是由工作台走过的轨迹和电极丝上面在U、V轴带动下走过的轨迹叠加而成。

在编制零件加工程序时,正确确定上下面上的对应点的位置和数量是加工成功的关键之一。选择对应点实际上可以认为由对应点将整个直纹曲面分解成几个直纹曲面,在加工时由计算机分别进行处理,如图6中的A、A′,B、B′,C、C′,D、D′,E、E′,F、F′。这些点将图1中的异形体分解成了如图3所示的六个直纹曲面,上下面上相应的对应点实际上是电极丝在上下面上应同时到达的点,这样才能加工出清晰的六条棱,对应点的位置和数量选择得不当就会出现前三种失败现象。

对应点位置的选择应根据零件的具体情况确定,一般情况下,多选在需要有棱角或最高处及拐点处,另外,轨迹的起点和终点也是重要的对应点。对于上下编程轨迹曲线基点数相同的情况,一般直接以基点为对应点,一一对应,如图7所示。对于上下编程轨迹曲线基点数不相同的情况,必须在几何元素上取点作为对应点,或根据零件的要求以几何元素上的指定点为对应点,如图1和图2所示。

对应点的数目主要依据以下原则确定:① 无论上下编程轨迹曲线的基点数是否相同,上下编程轨迹曲线的对应点数必须相同。② 若上下编程轨迹曲线的基点数不相同,则对应点数应取大于等于大的基点数。另外,在加工程序代码中,对应点处应依据机床软件规则添加标记,如果忘记打标记等于没加对应点。忘记打标记,对于上下编程轨迹曲线的基点数相同的情况没什么影响,但上下编程轨迹曲线的基点数不相同时,可能会得不到正确的加工轨迹。上下编程轨迹曲线的基点数不相同时,为了能增加对应点,曲线在相应的位置应打断,如图5所示,A′、B′、C′、D′、E′、F′点,它们将一个整圆分解成六个圆弧,这样在生成代码时,就会将原来的加工整圆的一条程序段分解成加工六个圆弧的六条程序段。

上下表面分别编程时,两表面的程序起点一定要一致。此外,H1、HGD、H2这三个参数对上下代码的合成非常重要,因为零件的形状是在合成过程中确定的。H1 、HGD、H2这三个参数若输入错误,即使加工程序编制正确也不能得到正确的零件形状。因此,H1 、HGD、H2应在机床和工件上准确测量,并正确输入。另外,在指定XY面(编程面)和UV面(参考面)时必须正确,指定颠倒同样得不到正确的轨迹。

另外,在正式加工之前最好先用同样的坯料试切一简单形状,比如矩形,目的是确定合适的电参数,准确测量放电间隙,正确输入偏移值,这样才能使零件的尺寸正确,表面质量好。

由于高速走丝线切割机床种类较多,它们的控制模型、机床结构不同,加工过程中所能实现的锥度不同,超过机床允许的锥度范围电极丝容易从导轮槽中跳出,或将电极丝绷断。 因此不同种类的机床加工上下异形零件的能力不同。

5 结论

在编制加工程序时应从零件的加工原理出发,依据零件的实际情况,正确确定上下面上的对应点的位置和数量,正确输入H1 、HGD、H2这三个参数,正确指定XY面(编程面)和UV面(参考面)是加工成功的关键,另外应注意上下异形面最大倾斜的角度不能超过机床允许的锥度范围。

线切割机床加工上下异形零件,是数控线切割加工中的高级操作技术,属于难点问题。但随着技术的进步,上下异形工件的加工将会得到更好的解决,而且还能加工出更多形状及表面复杂的三维零件来。

摘要：上下异形零件使用常规的加工方法很难达到目的,电火花线切割机床可以完成此类零件的加工,但属于加工难点问题。研究表明在编制加工程序时从上下异形零件的加工原理出发,依据零件的具体情况,正确确定上下面上的对应点的位置和数量,正确输入相关参数,正确指定编程面及参考面是加工成功的关键,并分析了常见加工失败的原因,提出了对策。另外指出不同种类的线切割机床加工上下异形零件的能力不同。

关键词：上下异形零件,对应点,加工轨迹,电火花线切割

参考文献

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[2]邱建忠.CAXA线切割V2实例教程.北京:北京航空航天大学出版社,2002

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[6]赵永顺.数控线切割加工四轴联动轨迹合成研究.航空学报,1995;(6):736—739

线切割高速走丝 篇3

电火花线切割效率提高的研究永远是该行业最关注的课题, 国外低速单向走丝电火花线切割 (low speed wire-cut electrical discharge machi- ning, LSWEDM ) 的最大切割效率在300 mm2/mim左右沉寂了一段时间后, 近来有了新的突破。最新开发的窄脉宽高峰值电流脉冲电源, 在与其他特定条件 (各种控制方式、供液条件、复合材质电极丝等) 的配合下, 可使最高切割效率达到500mm2/min[1]。对LSWEDM来说, 铜丝是一次使用的, 所以铜丝的损耗对加工精度影响甚微, 在常规加工中可不予考虑, 故追求更高切割效率对生产有着重大的意义。目前, 高速往复走丝电火花线切割 (high speed wire-cut electrical discharge machining, HSWEDM) 的最大切割效率已经超过200mm2/min[2]。 对HSWEDM来说, 钼丝是重复使用的, 在这样的切割效率下, 传统脉冲电源靠单纯提高脉冲能量会导致钼丝损伤加大, 电极丝损耗严重, 短时间内就可能出现断丝, 对实际切割而言, 并没有实用的价值。因此, 为达到高效加工的实用化, 必须对高效低损耗切割技术的实现机理进行研究。

1高效低损耗机理分析

1.1低损耗特性

电火花线切割加工单个脉冲能量为

Wm=UeIeTe (1)

式中, Wm为单个脉冲能量, J;Ie为脉冲电流幅值, A;Te为放电持续时间或电流脉宽, μs;Ue为放电维持电压, V。

式 (1) 中, 放电维持电压Ue的大小主要取决于工作介质种类, 一般在20~25V之间, 脉冲电流幅值、极间距离及放电电流大小等对Ue影响不大, 且Ue在加工中基本维持不变[3]。由此可见, 不同的电压脉冲波形对加工产生影响的主要因素是放电电流, 即电流状态是影响加工效率及钼丝损耗的决定因素。

对电火花线切割而言, 提高加工电流可以增加放电时的蚀除量。HSWEDM采用的是正极性加工方式, 放电通道内奔向正极的电子轰击工件, 对工件进行蚀除, 奔向负极的离子则轰击钼丝, 造成钼丝的损耗。能量密度增加时, 通道内击穿后产生的粒子轰击爆炸力变大, 产生的离子也会随电子的增多而增多, 对钼丝的损耗也会随着加工效率的提高而增大。因此, 为了兼顾高效率与低损耗, 要使单个脉冲放电期间内轰击工件表面的电子尽可能多, 同时减少轰击电极丝的离子[4]。

电子具有较小的质量和惯性, 容易获得很大的加速度和速度, 在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极, 把能量传递到正极表面, 使其迅速熔化和气化。正离子则由于质量和惯性较大, 起动和加速较慢, 在击穿放电的初始阶段, 大量的正离子来不及到达负极表面, 故到达负极表面并传递能量的只有一小部分正离子。根据这一原理, 可以采用电流阶梯波脉冲电源进行加工, 在获得较高加工效率的同时, 减少电极损耗[5], 如图1、图2所示。与相同放电能量下传统矩形波脉冲电源 (图3、图4) 相比, 电流波形的前沿斜率变小, 放电初期的电流密度减小。较小的加工电流密度、较小的放电功率可有效地减小离子数量的增加, 使得到达负极的离子变少;电子也会相应减少, 导致切割效率下降, 但电子的质量小、加速快, 受到的影响明显小于离子, 因此切割效率下降不大。随着放电能量的逐级释放, 放电通道内的离子加速, 到达负极的离子数到最大前就结束放电, 可减小对钼丝的轰击作用, 使钼丝在加工中由于力和热产生的延伸变缓, 也使钼丝的损耗变得较小。因此, 从脉冲波形和脉冲能量分析可知, 电流阶梯波脉冲电源有利于减小HSWEDM钼丝损耗, 同时对切割效率影响也较小。

高效切割中, 峰值电流越大, 产生的蚀除颗粒越大, 蚀除产物难以及时排除, 容易造成短路, 出现非正常放电。由杂质粒子构成的导电桥导致松散接触放电的概率显著增大。同时, 单位时间产生的蚀除物剧增, 导致放电间隙状态恶化, 容易出现非正常放电 (微电弧放电、电弧放电、微短路放电及短路) 现象。许多学者对非正常放电进行了分析研究, Rajurkar等[6]发现高密度的放电集中发生在电极丝上某些点, 连续的集中放电会使这些点温度升高, 导致丝损, 最后造成电极丝拉断。 伍俊[7]通过统计断丝前的特征波形, 对数据进行分析得出结论:断丝的原因是过热, 不夹杂开路或短路状态的持续放电脉冲串是断丝的先兆。以上观点的本质是非正常放电会导致瞬间能量密度增加, 加快了钼丝的损伤及损耗, 甚至增大断丝的可能性, 所以在电火花线切割加工中, 非正常放电是造成钼丝损耗甚至烧断的主要因素之一。如何更有效地减少非正常放电并控制非正常放电能量就成为减小钼丝的损伤及损耗、避免断丝的重要措施之一。

根据以上分析, 采用高效低损耗脉冲电源控制非正常放电能量的方式:检测放电状态, 当发生非正常放电时, 减少主脉冲能量或取消本次的主脉冲能量;当放电间隙恢复到正常放电状态时, 恢复主脉冲能量。

对比图5、图6可知, 发生短路放电时, 传统脉冲电源输入到放电间隙的能量密度远大于其正常加工状态时输入到放电间隙的能量密度 (图4) 。虽然短路不会形成放电, 对工件和钼丝不做功, 但会加热极间的介质, 使得极间消电离状态恶化, 增大松散接触放电的几率。松散接触放电对工件和钼丝损伤严重, 使断丝可能性加大。同时脉冲不能有效利用, 浪费能源。高效低损耗脉冲电源能主动截止主脉冲能量, 使放电间隙的能量基本为零, 减小了松散接触放电的几率。对比图7、图8可知:发生微短路时, 若脉冲为短路状态, 则高效低损耗电源截止主能量输入;当放电通道恢复正常, 从瞬间短路过渡到火花放电状态时, 从电压波形可以看出有明显的击穿延时, 击穿后逐步释放放电能量, 将微短路放电转化为正常的火花放电 (图8) 。传统脉冲电源从微短路放电状态直接过渡到火花放电状态, 没有击穿延时, 此时电源输入到间隙的电流密度远远大于同样状态下高效低损耗电源输入到间隙的电流密度, 且由于目前所使用的反馈控制系统是非线性的, 开路状态的反馈作用远大于短路状态的反馈作用, 故当加工过程不稳定时, 加工状态大多数时间是处于偏短路状态。同时, 传统电源的断丝直径远远大于高效低损耗电源的断丝直径 (钼丝均从0.18mm开始切割, 传统电源断丝直径大约为0.13mm, 高效低损耗电源断丝直径大约为0.10mm) , 其原因是传统电源没有控制非正常放电的能量, 钼丝更容易出现非正常的烧断。传统电源断丝时出现大量的“花斑”也验证了非正常放电对钼丝损耗影响之大。高效低损耗电源断丝时, 钼丝表面基本均匀, 其断丝的原因是钼丝直径过小, 弹性基本消失, 无法承受正常放电所产生的热应力。所以切断非正常脉冲能量是降低钼丝损耗最重要的措施之一, 高效低损耗电源既降低了钼丝损耗, 减小了断丝的几率, 又能通过提高脉冲能量增加切割效率。

1.2高效切割特性

一般线切割加工中, 各个放电脉冲能量的差异主要取决于脉冲放电的持续时间。HSWEDM在理想切割状态下, 脉冲电源发出的等频脉冲中, 脉冲的10%约为空载波, 脉冲的80%约为正常放电加工波形, 脉冲的10%约为短路波[8]。实际加工过程中, 受电极丝稳定性、极间工作介质冷却、消电离未达到理想状态等因素的制约, 空载波与短路波的比例之和往往会超过20%, 所以减少空载波和短路波是提高脉冲利用率和切割效率的主要措施。

传统脉冲电源输出脉冲的脉宽ti和脉间to都是设定的, 而极间的间隙是不断变化的 (由于电极丝及介质状态的不稳定) 。每个脉冲的击穿延时随机性很大, 从而将使实际放电的脉冲电流宽度te发生变化, 影响单个脉冲能量。图9为传统电源在加工时的波形图, 从图9可看出, 虽然每个脉冲的宽度是相同的, 但放电持续时间te受随机因素影响而不确定, 从而使每次放电能量的大小也是随机的。这必然会造成切割表面电蚀坑或大或小, 切割效率相对降低, 且切割表面匀称性较差。

高效低损耗脉冲电源的基本工作原理之一是通过检测脉冲放电的起始时刻, 控制脉冲放电的持续时间, 使每一个脉冲的放电持续时间与设定值保持一致, 从而使每次放电时的单个脉冲能量基本保持恒定。由图10可知, 高效低损耗脉冲电源输出的脉冲电压宽度是不定的, 但每次的放电持续时间即电流脉宽却是恒定的。由图11、图12可知, 瞬间非正常放电过渡到正常火花放电的电流脉宽与正常放电的电流脉宽是基本相同的, 这保证了每个脉冲释放的能量基本相同, 提高了加工的稳定性。从图10还可以看出, 由于放电脉冲能量得到了控制, 所以脉冲电源可以在间隙击穿放电之前, 始终输出电压, 使间隙有效击穿的几率增加, 从而提高了放电脉冲利用率, 提高了切割效率。高效低损耗脉冲电源的每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等, 保证了切割表面电蚀坑均匀, 减小了工件的表面粗糙度, 同时也使得电极丝承受了均匀的离子轰击, 延长了电极丝的使用寿命。

2试验结果

根据以上分析, 在大能量切割条件下, 通过对比高效低损耗脉冲电源和传统脉冲电源的切割工件表面形貌、切割效率和电极丝的寿命[9] (在指定加工条件下, 开始切割直至烧断时所能切割的面积) , 验证大能量切割条件下, 高效低损耗脉冲电源对切割工艺性能的改善。

试验条件为:电极丝选用长300m、直径为0.18mm的钼丝;工作液选用配比 (工作液原液质量∶纯净水质量) 为1∶20的JR1A工作液;加工工件为60mm厚的45钢;电极丝线速度设置为12m/s, 工作液常压喷液。两个脉冲电源 (参数见表1) 在相同参数下做了2组比较试验。切割兼顾了4个切割方向, 试验现场照片如图13所示。 第1组加工参数主要对比高效低损耗电源与传统电源长期稳定切割的情况;第2组参数特殊性在于脉宽一定、占空比最低、峰值电流最大, 此时高效低损耗电源和传统电源的平均加工电流达到最大值, 且两种电源的切割效率都在190~ 200mm2/min之间。此时模拟两种电源在极间十分恶劣条件下, 切割工艺指标的对比情况。

从试验结果可以看出, 使用高效低损耗电源的钼丝损耗较使用传统电源的钼丝损耗有大幅度下降 (图14、表2) , 钼丝寿命增幅在50% 以上。 在相同的电源参数下, 高效低损耗电源的切割效率并不低于传统电源的切割效率, 且切割效率增幅接近2%。对比图15、图16可看出, 高效低损耗电源所加工工件表面平整、电蚀坑均匀一致, 没有“短路线”;传统电源所加工工件表面有明显的 “短路线”, 且电蚀坑大小不一致。从图17可以看出, 采用传统电源的钼丝表面较暗, 其切割的工件表面黑白条纹明显 (图18) , 而高效低损耗电源的钼丝表面及工件表面光亮均匀。工件表面产生差异的主要原因是, 当出现异常放电时, 高效低损耗电源能主动截止放电间隙中能量的输出。传统电源短路后, 脉冲电源加热了极间介质, 使得极间介质冷却及消电离作用减弱, 因此表面更容易出现烧伤或其他不正常放电产生的“短路线” (图16) 。 同时, 高效低损耗电源采用等能量脉冲方式保证了每个脉冲输出的能量基本一致, 而传统电源的电流脉宽有随机性, 所以采用高效低损耗电源的加工表面粗糙度要好于传统电源 (表3) 。此外, 从表2、图18可以看出, 在极间洗涤条件恶化时, 高效低损耗电源对电极丝的保护及对加工表面的改善效果更佳明显。

mm2

3结语

从理论和实践方面探讨了阶梯脉冲、非正常脉冲切断、等能量脉冲等对电火花线切割高效低损耗加工的影响机理, 分析了高效低损耗电源与传统电源的差异, 为HSWEDM高效率低损耗加工的深入研究提供了理论和实践依据。试验表明, 目前的高效低损耗脉冲电源能在切割效率为190~200mm2/min的高效切割条件下实现长期稳定切割。

参考文献

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线切割高速走丝 篇4

现有的数控线切割电火花加工机床分为低速走丝 (LSWEDM) 和高速走丝 (HSWEDM) 两类。低速HS走WE丝DM线切割机床一般用黄铜作为电极丝。电极丝采用单向低速运行, 用一次就废弃。高速走丝机床的1电极丝使快速往返运行的, 电极丝在加工过程中反复使用。这类电极丝主要有钼丝、钨丝, 市场上常用LS的WE是DM直径0.18mm的钼丝。快速走丝方式的丝速一般为每秒几百毫米到十几米, 如果丝速为10m/s时, 相当于l微秒时间内电极丝移动0.01mm。这样快的速度, 有利于脉冲结束时, 放电通道迅速消电离。

2 电火花线切割加工产生黑白条纹的原因分析

采用往返式高速走丝方式的电火花线切割加工, 所加工的钢工件表面往往都会出现明显的黑1白相间的条纹 (如图1) , 切割表面存在黑白交叉条纹影响加工表面宏观质量的一个重要问题。

通过反复观察工件加工过程和加工后工件检测, 可以发现一个规律, 在滚筒运丝换向的一个切割行程内, 条纹的出现与电极丝的运动方向有关, 电极丝进入处呈黑色, 出口处呈白色。这是因为排屑和冷却条件不同造成的。电极丝从上往下运动时, 工作液从上部浇注, 由电极丝带入切缝内, 放电产物则由电极丝从下部带出加工区。这时, 上部工作液充分, 冷却条件好, 电极丝进口处工作液充分, 放电是在工作液 (乳化液) 中进行, 下部工作液少, 冷却条件差, 但排屑条件较上部好。工业液在放电区域内受高温影响瞬时高压气体, 并急速向外扩散, 对上部的电蚀产物排出造成困难。这时, 放电产生的炭黑等物质凝聚附着在上部加工表面, 使之呈现黑色。在下部, 排屑条件较好, 工作液少, 放电产物中炭黑较少, 况且放电常常是在气体中发生, 因此加工表面呈现白色。同理, 当电极丝从下向上移动时, 下部呈黑色, 而上部呈白色。这样, 往返走丝的电火花线切割加工表面, 就形成了黑白交错相间的条纹。

这种黑白相间的条纹, 通常都会对加工表面粗糙度产生一定的影响。电极丝进口处工作液充分, 放电是在工作液 (乳化液) 中进行。而在电极丝出口处, 液体少, 气体多, 在低压放电的条件下, 气体中放电间隙相对较小。所以, 进口处的放电间隙比出口处大, 结果使白色条纹比黑白条纹凸出。根据运丝系统稳定性不同, 白色条纹会比黑白条纹凸起几微米至几十微米。

3 限制黑白条纹的对策

根据黑白条纹产生的原因可知, 在电极丝往复移动的情况下, 产生黑白条纹是很难完全避免的。但生产实践表明, 黑白条纹的深浅变化并不一致, 有的十分明显, 凹凸相差几十微米;有的则是黑白条纹并不明显, 凹凸相差也只有几个微米, 说明黑白条纹是可以限制的。限制黑白条纹的方法, 在生产实践中主要有以下几种:

1) 确保运丝系统稳定性。调整储丝筒使其运转平衡, 导向导轮无轴向窜动和径向跳动现象;

2) 采用更合理的工作液喷射方式。采用螺旋式喷嘴, 使工作液沿电极丝轴线喷出, 且上下均匀;

3) 选用洗涤性强的皂化液做线切割加工工作液。

根据不同的加工工艺指标, 一般在5%~20%范围内, (乳化液5%~20%, 水95%~80%) 。一般按质量比配置, 也可大致按体积比配置。对加工表面粗糙度要求比较高的工件浓度比可适当大一些, 约15%~20%。对要求切割速度高和大厚度的工件, 浓度可适当小一些, 5%~8%。

4) 线切割加工常选用模具材料Cr12的切割方法, Cr12属于高合金工具钢, 具有较高的淬透性和耐磨性、热处理变形小, 能承受较大的冲击载荷。对于模具上常用的这种材料, 具有良好的线切割加工性能, 工作液用蒸馏水配制浓度稍小一些可以减轻表面的黑白条纹, 使工件表面洁白均匀。

5) 超短行程往返切割方法, 每次走丝换向的实际切割距离很短, 大约为丝径的1/4左右, 电极丝上、下运动时形成的凹凸不平将相互叠在一起, 黑白条纹将难于看出。虽然储丝筒旋转换向频繁, 但整个切割过程仍然在满丝筒的全长钼丝上进行, 有效地避免了集中放电后的丝径损耗问题。

6) 电极丝往返移动过程中, 采取电极丝仅在一个方向移动时放电, 而在另外两个方向 (反方向) 移动时不放电。这样做也可限制黑白条纹的产生, 但单方向移动时切割的生产率较低。

通过以上6种办法, 可以很大程度上可以减少减轻黑白条纹, 提高高速线切割加工的表面粗糙度, 使得工件表面光洁均匀。

参考文献

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[2]刘志东.基于复合工作液的电火花线切割加工技术研究[J].电加工与模具, 2008 (增刊) .

线切割高速走丝 篇5

关键词：往复走丝线切割加工,双丝筒,多层绕丝,走丝系统,圆柱凸轮

0 引言

国产往复走丝线切割机床发展至今已有四十几年的历史, 尽管目前仍占有较高的市场份额, 但其销售利润很低, 面临的挑战日益严重[1]。如何破解这一难题是一个系统工程问题, 其中走丝系统的“频繁换向”制约了加工精度的提高, 使得往复走丝线切割机床只能满足低端市场需求, 就是一个必须引起关注的重要因素。

1 往复走丝线切割机床新型走丝系统的方案设想

国产往复走丝线切割机床之所以出现“频繁换向”的问题, 是因为采用了单丝筒结构单层绕丝的走丝方案, 通常一次上丝的长度是200~300m, 如果按10m/s的走丝速度, 则最多运行30s就要换向, 由于换向的瞬间走丝速度为零, 为了避免断丝, 换向时需要暂停3~4s的放电时间, 这样, 一方面会产生换向条纹, 影响加工精度[2,3], 另一方面至少有10%以上的非加工时间, 使加工效率受到损失, 一次上丝的长度越短, 效率损失越大。

为了解决“频繁换向”问题, 本文提出了“双丝筒结构多层绕丝” 的走丝方案。表1是“双丝筒多层绕丝”与“单丝筒单层绕丝”方案对比。在该方案中, 出厂状态的一盘电极丝不管多长都可以一次性绕到储丝筒上, 电极丝长度越长, 单向走丝的时间也越长, 理论上, 这种方案的储丝筒可以满足无限长度电极丝的储丝要求。

目前, 出厂状态的电极丝长度一般为2000-3000m, 生产厂家可以根据客户需要将电极丝制成30000m以上, 在采用双丝筒多层绕丝的走丝方案后, 可以使电极丝走丝时的“换向频率”较大幅度地降低, 同时有效地提高了在线加工时间、减少电极丝上丝时的浪费。在采用多次切割技术方案时, 目前的“中走丝”机床最后一刀精修切割的走丝速度已经可以降到0.5m/s[4], 只要选用足够长的电极丝, 对于一般的加工零件, 最后一次切割时基本上可以做到不用换向, 也就是实现单向走丝切割, 不存在换向条纹问题, 为加工精度的提高建立了一个良好的走丝系统平台。同时, 由于双丝筒多层绕丝的走丝系统仍然采用往复走丝方案, 电极丝反复使用的性质并没用变化, 因此, 其运行费用依然保持往复走丝线切割机床所特有低成本的特征。

2 双丝筒多层绕丝新型走丝系统的运动方案设计

在双丝筒结构多层绕丝的走丝方案中, 该走丝系统由两套储丝筒机构和两套排丝机构组成, 要实现“多层绕丝”和“往复走丝”两个功能, 其必要条件就是必须做到在两个储丝筒中间运行路径之间的电极丝长度在运行过程中不变, 以确保瞬间的走丝速度不变。实现这一基本条件的方案有很多, 图1是满足这一基本条件实施方案之一的双丝筒多层绕丝新型走丝系统的方案原理图。

如图1所示, 在该方案中, 新型走丝系统由两套储丝筒机构和两套排丝机构组成, 储丝筒机构由电机带动储丝筒只作旋转运动, 排丝机构由储丝筒电机通过减速器带动排丝凸轮做旋转运动使排丝导轮作平行于储丝筒轴线的往复直线运动, 实现对电极丝在储丝筒上的排丝和多层绕丝。两套储丝筒机构中, 有一套储丝筒起卷丝筒的作用, 电极丝的走丝速度由该储丝筒的驱动电机转速决定;另一套储丝筒起放丝筒的作用, 该储丝筒的驱动电机产生一个反向力矩使电极丝拉紧, 电极丝的张紧力大小由该电机控制。

电极丝从储丝筒1经排丝机构、机床线架、加工区连接到储丝筒2的路径中, 为了使排丝导轮作直线运动时其位置的变化不引起两排丝机构之间的电极丝长度发生变化, 在排丝机构中增设了一个平衡导轮。由排丝凸轮轴通过齿轮副带动平衡凸轮作旋转运动, 然后通过凸轮机构带动该平衡导轮作与排丝导轮移动方向相反的往复直线运动。

如图1所示, 由于排丝导轮移动位置变化会使电极丝伸长或缩短的量是单边的, 而平衡导轮移动位置变化使电极丝伸长或缩短的量是双边的, 设齿轮副传动比为1:1, 控制平衡导轮的行程是排丝导轮的行程1/2, 平衡导轮的移动就可以补偿因排丝导轮移动位置变化而产生的电极丝长度变化量, 从而达到在运丝过程中保持电极丝的长度不发生变化。为了便于排丝机构的合理布置和电极丝运动方向和路径的改变需要, 在该排丝机构中, 还设置了其他若干导轮或导轮组, 具体情况要根据走丝机构的结构方案而定。

3 双丝筒多层绕丝新型走丝系统的圆柱凸轮机构设计

3.1 双丝筒多层绕丝新型走丝系统的设计要求

样机设计时, 储丝筒储存电极丝长度最大值取为3000m, 电极丝直径规格为0.20mm, 电极丝的排丝间距为0.22mm, 排丝均匀, 设储丝筒一层排500圈, 储丝筒容丝槽宽为110mm, 设储丝筒容丝槽最小直径设为φ120mm, 最大直径设为φ130mm, 则储丝筒最多可绕25层至少4000m以上电极丝, 满足设计要求。

由于电机驱动储丝筒转动并通过减速器带动圆柱凸轮作旋转运动, 储丝筒一层排500圈, 储丝筒旋转500圈, 凸轮只需转动180°, 即0.5圈, 故减速器的减速比应为1000:1。设电极丝的走丝速度范围0.2m/s~12m/s, 经计算圆柱凸轮的转动速度范围为0.032r/min~1.91r/min, 属于低速, 圆柱凸轮只需带动排丝导轮或平衡导轮作往复直线运动, 导轮只承受电极丝的拉紧力, 属于轻载范围, 因此, 其使用场合适合于圆柱凸轮机构[5]。排丝导轮的移动行程与储丝筒容丝槽宽尺寸一致, 平衡导轮的移动行程取排丝导轮移动行程的1/2, 两从动件行程起点位置则分别处于各自圆柱凸轮理论轮廓曲线中对角方位极限位置且两从动件瞬时运动方向相反。

3.2 圆柱凸轮机构的轮廓曲线设计

3.2.1 排丝导轮直动从动件运动规律设计

在该系统中, 排丝导轮作为圆柱凸轮的直动从动件, 其作用是带动排丝导轮进行均匀排丝, 因此, 要求直动从动件的运动规律是作等速运动, 但等速运动的缺陷是会产生刚性冲击。为了改善这一特性, 直动从动件的运动以等速运动规律为主体, 在行程的起始点和终止点用加速和减速运动规律来组合。

根据走丝系统的排丝运动基本要求, 排丝导轮的往复运动行程是110mm, 设凸轮平均圆柱体直径为φ125mm, 长140mm, 滚子半径为φ10mm, 在行程的起始点和终止点的2mm范围内以圆弧曲线作为加速和减速的运动规律曲线, 在106mm的主行程采用等速运动规律进行组合, 压力角α设计为α≤30°, 排丝导轮从动件运动规律以及凸轮的运动轮廓曲线用作图法进行设计。如图2所示为排丝导轮直动从动件圆柱凸轮设计原理图。设计步骤如下:

1) 以2πR为底边边长表示圆柱凸轮展开后的圆柱面弧长作为横坐标, 用φ表示, 以从动件的运动行程作为纵坐标, 用s表示;

2) 将圆柱面弧长分成若干等分, 将从动件行程的起始点和终止点的2mm圆柱凸轮转角为7°处划分为等速运动和加减速运动的组合运动交点, 如图2 (c) 所示, 图中1、10、12、21点就是组合运动交点, 11和22点是行程的起始点和终止点;

3) 作1、10点及12、21点的直线连接线代表从动件的等速运动规律, 通过10、11、12三点及1、21、22三点作圆弧曲线作为从动件的加减速运动规律, 就得到了如图2 (c) 所示排丝导轮直动从动件的运动规律曲线。

从行程起点至行程2mm处的1点加速运动, 1点至10点为等速运动规律, 从10至11点的行程终点减速, 11点的行程终点至12点返程2mm处加速, 12至21点等速运动, 21至22点做减速运动回到起点。在作等速运动时, 储丝筒转动1圈, 直动从动件移动0.22mm, 在行程的起点和终点附近作加减速运动时, 储丝筒转动1圈, 直动从动件平均移动0.206mm, 对φ0.18~0.20mm的电极丝不影响排丝, 因此, 该直动从动件的运动规律曲线可以满足要求。这种运动规律具有运动平稳、冲击小、速度变化连续、动力性好等特点。

3.2.2 排丝导轮直动从动件的圆柱凸轮轮廓曲线设计

1) 以2πR为底边作一矩形表示圆柱凸轮展开后的圆柱面, 如图2 (b) 所示, 圆柱面的匀速回转运动就变成了展开面的横向等速直线运动, 且υ=ωR;

2) 将展开面的底边沿-υ方向分成与从动件运动规律曲线对应的等分;得反转后从动件的一系列位置;

3) 在这些位置上量取相应的位移量s, 得1’、2’、3’、···、20’、21’、22’若干点, 将这些点光滑连接得展开面的理论轮廓曲线;

4) 以理论轮廓曲线上各点为圆心, 以滚子半径为半径, 作一系列的滚子圆, 并作滚子圆的上、下两条包络线即为凸轮的实际轮廓曲线。

根据直动从动件的运动规律曲线, 采用作图法设计空间圆柱凸轮的轮廓曲线, 直观方便, 设计工作量小, 避免了复杂的计算过程, 在本案例中成功地得到应用, 是一种非常实用的设计方法。

图2 (a) 所示是以排丝导轮为直动从动件的圆柱凸轮机构各构件之间的运动关系原理示意图。图中直动从动件处于行程的起始点位置, 当圆柱凸轮作顺时针旋转时, 带动从动件作直线运动, 排丝导轮与从动件刚性连接为一体, 从而使排丝导轮作往复直线运动。在排丝过程中, 在2~108mm的主体移动行程中, 排丝导轮作等速运动, 在距离行程的起始点和终止点的2mm范围内, 排丝导轮作加速或减速运动。

3.2.3 平衡导轮直动从动件的圆柱凸轮轮廓曲线设计

平衡导轮的移动行程是55mm, 以平衡导轮作为直动从动件的圆柱凸轮, 其旋转方向与排丝凸轮方向相反转速相同, 平衡导轮的移动方向与排丝导轮相反, 起始点的端点位置不同, 因此, 以平衡导轮作为从动件的圆柱凸轮理论轮廓曲线与以排丝导轮作为从动件的圆柱凸轮理论轮廓曲线及运动规律相似, 只是行程只有后者的1/2。如图3所示为平衡导轮直动从动件圆柱凸轮设计原理图。由于设计原理及方法相同, 具体设计过程在此不再叙述。

4 结论

1) 采用双丝筒多层绕丝方案的往复走丝线切割机床新型走丝系统可以一次性储存几千米以上长度的电极丝, 大大地延长单向走丝切割时间, 为解决往复走丝线切割机床的“换向条纹”、提高加工精度及加工效率提供了一个非常有效的走丝系统平台。

2) 这种新型走丝系统采用空间圆柱凸轮机构来实现排丝运动, 由于排丝导轮质量轻, 相对于储丝筒作旋转运动同时又作轴线移动的走丝机构来说, 可以减轻电机的负载, 同时也有助于减少机械系统对电极丝在走丝过程的干扰, 有助于走丝平稳。

3) 由于排丝导轮负载小, 运行速度低, 空间圆柱凸轮机构在该系统中具有较好的适用性和可操作性。

4) 为了满足直动从动件要求作均匀等速运动规律, 又要避免排丝过程中产生太大的冲击, 直动从动件的运动规律设计采用主运动为匀速运动规律, 在行程的起始点和终止点以圆弧曲线作加减速运动规律相组合的设计原则, 这种运动规律具有运动平稳、冲击小、速度变化连续、动力性好等特点。

5) 根据走丝系统的运动特征要求, 采用作图法设计了直动从动件的运动规律曲线及空间圆柱凸轮的轮廓曲线, 这种方法直观方便, 设计工作量小, 避免了复杂的计算过程, 在本案例中成功地得到应用, 是一种非常实用的设计方法。

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线切割高速走丝 篇6

高速走丝电火花线切割机作为我国独创技术的机种, 已成为我国数控机床中产量最大、应用最广的机床之一。由于高速走丝有利于改善排屑条件, 适合于大厚度和大电流高速切割, 其加工性能价格比优异。因而在未来较长的一段时间内, 高速走丝电火花线切割机床仍是我国电加工行业的主要发展机型。然而, 随着模具工业的发展和对加工精度要求的提高, 如何继续保持快走丝线切割的优势, 提高加工精度, 改善表面粗糙度和提高加工效率, 已经成为快走丝线切割机床发展改进的首要目标。

1常用恒张力张紧机构

1.1 手动紧丝机构

它用于老式快走丝线切割机床, 主要采用手工张紧方式, 现阶段已经逐渐被淘汰。

1.2 自动张紧方式

它一般为重锤式, 其自动张紧原理见图1。该装置具有以下优点:①结构简单, 实现方便, 成本低;②可以实现电极丝的恒张力控制;③省去了手工紧丝的过程。因此, 该装置曾一度在线切割机床上采用较多。但是, 这种紧丝方式存在以下缺点:①重锤向下悬挂, 阻力增大需人工收丝, 从而影响了加工效率;②当丝筒换向时其干扰会直接反映到工作区, 从而影响加工质量;③张紧力直接作用于工作区, 电极丝容易被拉长变细, 降低电极丝寿命, 且不适合大电流切割。因此该机构已经逐渐被淘汰。

1.3 双边紧丝方式

该装置的工作原理见图2。它也是一款在高速走丝线切割机床上应用较多的电极丝张紧装置。其优点是:①结构简单, 实现方便;②成本低, 对滚动导轨的精度要求不高, 滚动性能好;③采用双边紧丝装置和滚动导轨副, 工作更稳定、可靠;④在加工大工件厚度时也不用停机收丝。

1—工件;2—电极丝;3—导轮;4—重锤;5.贮丝筒

因为单贮丝筒绕丝为300 m, 所以在长时间加工的情况下, 钼丝一般能伸长1 m左右。在该张紧方式下, 钼丝在机构上绕4圈, 即滑块移动0.25 m就能自动收丝1 m。但该机构也存在下列问题:①工作区内导轮数增加, 致使各导轮的共面调整变得比较复杂, 且容易受惯性的干扰, 影响加工质量;②工作区内钼丝转弯较多, 增加了电极丝运行过程中的阻力;③张紧力直接作用于工作区, 电极丝容易被拉长变细, 不适合大电流切割。

大量研究表明:电极丝的振动对高速走丝线切割的加工精度和表面粗糙度影响很大。而低速走丝线切割机床由于电极丝走丝速度低, 单向运动不需换向, 电极丝运动平稳, 无振动 (振动小) , 才使得其加工精度高, 表面粗糙度低。如果高速走丝线切割电极丝运动平稳性提高, 其加工精度和加工表面质量也必将大幅度提高。为了减小电极丝损耗对加工工件的影响, 提出了增大加工钼丝长度的方法。目前, 快走丝线切割机床的运丝机构普遍采用单贮丝筒结构, 一般加工时贮丝筒上可绕丝300 m, 在加工过程中, 电极丝的速度可达到7 m/s～11 m/s。贮丝筒换向频率比较高, 尤其是在加工大厚度工件时, 由于加工时间长, 到加工的后一阶段, 就必须停机检查, 重新紧丝和测量丝径误差, 这样就会影响加工的指标。因此, 可以通过构造双贮丝筒复合排丝机构, 使贮丝筒上绕丝达1 000 m以上, 延长其换向时间, 以消除其换向条纹的出现。

2新型双贮丝筒快走丝恒张力复合走丝控制装置

双贮丝筒快走丝恒张力复合运丝控制装置见图3, 其上、下电机5、21是完全相同的, 因此在机床加工过程中, 通过上、下电机来实现加工过程中的电极丝恒张力控制。当电机5作为电动机运行时, 通过电极丝10、下贮丝筒17使下电机21被拖动运转, 使其处于发电机能耗制动运行状态, 对电极丝10产生所需要的拉力。在这一过程中, 上贮丝筒起收丝的作用, 下贮丝筒起放丝的作用。当电极丝的运行需要换向时, 上贮丝筒变为发电机能耗制动运行状态, 下电机作为电动机运行, 来实现电极丝的恒张力控制。

1—工件;2—电极丝;3—导轮;4—滑块;5—重锤;6—贮丝筒

1—控制电机;2, 6, 22—联轴节;3—齿轮副;5, 21—交流电动机;11, 17—上、下贮丝筒;10—电极丝;25, 26—主导轮;4, 8, 13, 19, 23, 24—导轮;14, 15—滚珠丝杠;7, 12, 16, 20—轴承;9, 18—上、下底座

图3还表示了复合运丝的实现方法。其机械传动部分由上、下两个结构尺寸完全一样的传动机构组成。上传动部分由电机5、联轴节6、上贮丝筒11、排线导轮13、滚珠丝杠14等组成;下传动机构由电机21、联轴节22、下贮丝筒17、排线导轮24、滚珠丝杠15等组成, 上、下两个传动机构通过电极丝10联系起来。

为实现复合排丝, 在贮丝筒上分别安装两个丝杠, 丝杠上安装有导轮, 在绕丝的过程中起定位作用。两个丝杠由一个电动机拖动, 当电动机1启动, 滚珠丝杠带动导轮13、24运动, 由于两丝杠的参数相同, 导轮13、24的运动速度相同, 则两导轮之间的电极丝长度保持不变。例如, 在贮丝筒11放丝, 贮丝筒17收丝的过程中, 某一时刻, 机构的运动状态与图3所示相同。电动机1拖动, 使导轮13向右运动, 同时导轮24向左运动, 当导轮13运动到滚珠丝杠14的最右端时, 导轮24恰好运动到丝杠15的最左端, 这时控制电机1换向, 滚珠丝杠14、15也换向转动, 使导轮13开始向左运动, 导轮24开始向右运动。如此反复, 通过控制电机1的换向, 可以使导轮沿丝杠14、15往复运动实现复合排丝。

图3中, 导轮8、19起着在电极丝运行过程中限定丝位的作用, 与主导轮处于同一平面内, 从而保证了电极丝在加工过程中的稳定性。

3结论

新型复合快走丝电火花线切割机床的恒张力控制机构, 通过滚珠丝杠的运用, 实现了电极丝的复合排丝, 有效地增长了电极丝的长度, 减少了贮丝筒频繁换向的次数, 提高了加工精度, 从而延长了电极丝的平均损耗时间, 可用于大工件、长时间的加工。通过双贮丝筒恒张力控制装置, 能够克服机械重锤式恒张力机构的缺点, 减少了在加工区域中的导轮数量, 克服了在导轮比较多的情况下, 各导轮的共面调整复杂且容易受惯性干扰的问题, 实现了电气张力控制。本机构系统制造成本略高于原单丝筒运丝系统, 但加工效果远优于后者, 其经济效益可观。

参考文献

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线切割高速走丝 篇7

在机械制造行业中,电火花线切割加工技术是一种非常重要的加工方法,尤其是快走丝电火花线切割机床是我国自主研发的机床,它结构简单,生产成本和使用成本较低,大量地应用于模具制造、精密零件加工和特殊材料加工等领域。随着新材料、新工艺的发展,电火花线切割机床的应用越来越普遍化。快走丝电火花线切割机床有着良好的柔性、稳定的加工精度,但是快走丝线切割机床的故障率较高,加工精度没有慢走丝线切割机床高,所以如何降低快走丝线切割机床的故障率和提高其加工精度已经成为未来快走丝线切割机床发展的首要问题。本文从如何提高快走丝线切割机床的加工工艺指标入手,设计了一种新型的走丝机构,采用Pro/E对该机构建立三维模型样机,并结合仿真软件ADAMS对其进行运动学仿真研究。

1 走丝机构工作原理

本文设计的是一种基于双贮丝筒的走丝系统,目的是实现电极丝在直线走丝的同时绕自身轴线旋转的复合走丝方式,并要保证在走丝过程中电极丝的张力恒定。机床的收丝和放丝都采用两个结构完全相同的贮丝筒机构,采用水平式的安装方式,在垂直方向相对安装,电极丝在随贮丝筒旋转的同时会向上或向下走丝,若一端收丝那么另一端就放丝。

运用滚珠丝杠实现对电极丝的复合排丝,当其中一个丝杠螺母朝丝杠的一个方向移动,另一个丝杠螺母朝着和它相反的方向移动,实现了放丝和收丝两个运动过程。

2 基于Pro/E的走丝机构模型的建立

2.1 三维建模

根据Pro/E和ADAMS接口软件mechpro的特点,为了使模型能够正确导入到ADAMS中,在Pro/E构建模型时需注意下面几点:

(1)采用Pro/E中公制单位的模板,其格式为:mmns_part_solid,不能采用缺省模板格式,否则需要将创建后的零件格式再修改为上述格式。

(2)从机构整体装配和导入ADAMS角度考虑,应尽可能减少零件数量。如果不同零件的相对位置固定,在不影响仿真效果的前提下,可将其做成一个零件。

(3)若模型中存在相同的零件,应该用不同的名字来命名以示区别,否则在转化中有可能会使整个模型不能完整地导入到ADAMS中去。

(4)通过mechpro这个接口将Pro/E中的三维模型导入到ADAMS中去,需要特别注意的是在导入之前,必须在Pro/E软件中将单位统一转换为mm-N-s,否则将出现错误。

2.2 装配体创建

在装配整个走丝系统的过程中,要按照设计要求正确地装配各零件,并且要根据设计要求和连接方式正确选用约束条件和连接方式。需要注意的是基座在装配体中的放置会影响到整个走丝机构的模型导入到ADAMS中的位置。

为了便于研究,对走丝机构的刚体模型做如下假设:在装配过程中,装配间隙等因素不考虑,即间隙为零,制造误差也忽略不计;暂不考虑在旋转过程中由于电极丝温升引起的贮丝筒的变形;走丝机构各个部分均视为刚体。图1为走丝机构的三维模型。

3 运动学仿真

3.1 走丝机构虚拟样机的建模和验证

首先,基于运动仿真的要求,把Pro/E中的模型导入到ADAMS软件中。图2为导入到ADAMS中的走丝机构的模型。在ADAMS中导入走丝机构装配模型后,添加约束和驱动,并通过tool菜单下的model verify验证该样机的自由度为零,方可进行运动仿真分析。

3.2 添加约束和载荷

丝杠和丝杠螺母之间添加旋转副使螺母沿着丝杠移动,约束两个旋转和两个移动自由度,需要注意的是螺母上标记点的Z轴必须和丝杠的Z轴平行或同向;贮丝筒和主轴添加旋转副,在主轴的旋转副添加旋转激励;基座和大地之间添加固定副将基座固定在大地上;齿轮之间添加齿轮副,最后在输入齿轮添加旋转激励。

3.3 仿真结果及分析

利用ADAMS中的仿真运动分析模块与结果后处理模块可以计算运动副关联的两个构件的相对运动。在本文中,需要计算螺母的移动速度曲线图和贮丝筒的转动速度曲线图。图3为螺母速度曲线截图过程。

图4和图5分别为螺母的速度曲线图和贮丝筒的角速度曲线图。其中,图4的横坐标表示的是时间,单位为s;纵坐标表示的螺母的速度,单位为mm/s。图5的横坐标表示的是时间,单位为s;纵坐标表示的是贮丝筒的角速度,单位为(°)/s。

由图4、图5可知,模型运动合理,未出现卡死等不正常现象,达到了预期的效果。

4 结论

在新产品的开发过程中,成熟的产品设计常常需要经过一个长期的实践过程并被不断地检验,将消耗大量的时间和经费,但是得到的却不一定是预期的结果。本文通过三维软件Pro/E对走丝机构进行三维建模,然后导入到ADAMS中进行运动仿真分析,然后和所要达到的预期效果进行对比,对其仿真过程中反映的不合理的因素进行改进,大大地节省了新产品的研发时间和经费。

参考文献

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