改进型快走丝线切割机床导电装置设计
2017-6-15 来源：仲恺农业工程学院 作者：熊平原，王 毅，温志鹏
摘要：DK7732 型线切割机为广泛使用的快走丝电火花线切割机床，在实际加工过程中存在断丝、导电块出现割痕、张紧效果差、放电不均等不良现象，严重影响着线切割加工效率和零件表面质量。首先分析了该类机床在工作过程中出现的主要问题及原因；然后改变原有钼丝与导电块的接触方式，采用钼丝与导电轮滚动接触方式进电，并构造三角形导轮穿丝系统，设计张紧调节机构，提高了导电装置使用寿命和系统稳定性；最后通过实验验证了改进装置的正确性和可靠性。
关键词：线切割机床；导电装置；技术改进
1.引言
DK7732 型电火花线切割机床是苏州长风公司设计制造的一种快走丝机型，该设备主要用于对各类模具、电极、精密零部件制造、复杂型腔和曲面形体加工，具有加工精度高，光洁度高、切割速度快等特点。加工原理为：电极丝通过导电块连接脉冲电源的负极，工件连接脉冲电源的正极，XY 工作台由数控装置控制，绕丝筒作正反向交替运动；电极丝和工件之间浇注工作液介质，当其距离足够接近时，每个脉冲瞬间电压击穿介质，产生火花放电现象，逐步腐蚀工件，以达到切削成型目的，其工作原理图如图1 所示。传统的线切割导电方式为电极丝与硬质合金导电块直接接触，电极丝在导电块表面来回移动。在实际加工过程中，特别是切割铝制工件时，容易出现断丝、稳定性差等不良现象，严重影响着线切割加工效率和零件加工质量[1-5]。分析了 DK7732 线切割加工过程中的主要问题和原因，从导电接触方式入手，探讨提高加工效率和加工质量的有效方法和实现途径。
图 1 DK7732 型线切割机床工作原理图
2.主要问题分析
2.1 导电块存在割痕
当切割工件厚度大于 60mm 或软基材料时，发现钼丝（电极丝）在逆向运动时，钼丝与导电块之间会有火花产生，火花大小不均匀，该现象虽然不会对设备产生其他的影响，但会导致线切割速度变得缓慢以及钼丝、导电块之间的损耗增大，尤其是在切割
铝件、铜件时该损耗更加明显[6]，并且在导电块表面产生较深的沟槽，在安装钼丝或切割时该沟槽容易卡住钼丝，增大切割阻力最终导致钼丝被拉断。
2.2 粘丝
在切割运行中，由于切割间隙内的蚀熔物不能及时排出，则降低了线切割机的放电能力，导致电蚀的速度要小于进给速度，容易形成短路，而当钼丝与导电块在接触部位继续放电时，控制系统就会错误判断而继续进给，钼丝与工件之间就会产生一种纯机械摩擦，造成工件的机械性拉伤以及钼丝的快速摩损，形成“粘丝”损伤。
2.3 张紧效果差
传统线切割机床张紧装置是一个重力导轮[7]，安装在绕丝筒和机架之间，钼丝从下方绕过导轮线槽，依靠导轮重力压住钼丝，使钼丝处于绷紧状态，提高系统张紧力。在实际加工过程中，如果初始张紧力没调整好，钼丝跳动严重，极易出现脱丝，后续要重新穿丝，调节麻烦。同时，导轮支架沿导轨移动的距离较小，即在重力作用下张紧力所体现出的有效移动距离较小，张紧装置的张紧效果较差。
2.4 放电不稳定
由于钼丝与导电块直接接触，随着加工时间的增加，钼丝在一定程度上被拉长，系统张紧力降低，钼丝运行不平稳[8-9]。同时钼丝在逆向运行时，其产生的惯性作用，使得钼丝与导电块之间产生极小的间隙，而这间隙也会导致钼丝与导电块之间产生火花放电。由于这些放电现象的存在，使得传递到钼丝与工件间的加工电流变小，正常切割部分放电不稳定，切割速度及质量降低。
3.改进方案研究
3.1 导电块改导电轮
工作时，由于导电块静止不动，钼丝在其表面来回运动，其摩擦方式为滑动摩擦，摩擦系数大，钼丝和导轮磨损严重，导致导电块出现割痕。现将导电块改为导电轮，接触方式为滚动摩擦，磨损量小，导电效果好。为了提高导电轮使用寿命，一般选用硬质合金钢材料，但硬质合金钢相对密度大，导致转动惯量大，故本设计导电轮采用镶嵌结构[10]，镶件为内外半径差 4mm、厚度 4mm 的硬质合金环，基体为半径 12mm 的高速钢。其结构，如图 2 所示。
图 2 导电轮结构图
3.2 改进张紧装置
工作时，钼丝在机床上作往复循环走丝运动，同时间断放电，产生一定的热量。随着加工时间的增加，钼丝会因金属有延展性而变长，使原来系统的张紧力慢慢变小变无，以致于发生跳丝现象，影响加工精度和加工速度。同时，由于钼丝持续放电以及走丝时与导电轮的摩擦，产生一定的材料损耗，钼丝直径变小，导致钼丝与导电轮出现间隙，接触不稳定，放电不均匀。传统的张紧装置仅依靠张紧轮的自身重力实现自动调整，张紧效果差，稳定性不好。为此，设计一种可调张紧力支撑轮装置，通过弹簧力自动调节系统的张紧力到设定值，拧动调节螺母，设定系统初始张紧力，装置结构简单，可靠性强，其结构简图，如图 3 所示。
图 3 可调张紧力支撑轮装置结构简图
3.3 采用三角导轮结构
由于导电装置不仅是为了让钼丝带电，而且也是为了支撑钼丝，保证运行平稳性，因此导电装置要能控制钼丝在运丝过程中不会发生跳动。同时，穿丝是一个复杂的工作，为降低穿丝难度，提高工作效率，导电装置要易于工人穿进钼丝。为此，本设计采用三角导轮结构，由 2 个导电轮和 1 个支撑轮组成，形成三角状，穿丝方便，导电可靠。结构简图，如图 4 所示。
图 4 三角导轮结构简图
4 装置整体结构设计
4.1 整体结构
1.底板 2.支架 3，4.螺母 5.垫片 6.弹簧 7.叉形架 8.销轴9.轴承 10.支撑轮 11.螺母 12.导电轮 13.轴承 14.轴 15.螺母16.碳刷 17.弹簧 18.螺钉 19.螺钉 20.弹簧 21.碳刷22.导电轮 23.轴承 24.轴 25.螺母
图 5 导电装置爆炸视图
装置主要由底板、支架、导电轮、可调张紧力支撑轮、碳刷等部件组成，安装在线切割机床机架上（可上下 2 个，对此放置），用螺钉紧固。钼丝穿过 2 个导电轮和 1 个支撑轮，形成三角导轮结构，钼丝在轮槽中移动；通过松紧 3，4 螺母，拉动 7 叉形架，带动支撑轮上下移动，实现钼丝的张紧功能；通过拧紧 22，23 螺钉，增加 21，24 弹簧压力，压紧 20，25 碳刷，使碳刷与 14，17 导电轮紧密接触，螺钉带电，通过碳刷，传导给导电轮，使钼丝获得脉冲电压。
4.2 设计要点
（1）底板部件。底板 1 采用绝缘塑胶材料，通过螺钉连接到机床机架上，支架 2 为金属材料，通过螺钉固定到底板 1，支架 2与机床绝缘。
（2）张紧部件。轴承 9 内圈与销轴 8 过盈配合，轴承 9 外圈与支撑轮 10 内孔过盈配合，装配到销轴 8 中部，穿入叉形架 7 支撑孔内，用螺母 11 锁紧；叉形架 7 连同弹簧 6 一起装入支架 2 上安装孔内，垫上垫片 5，拧紧螺母 3，4；通过调节螺母 3，4 的锁紧，在弹簧 6 的弹力作用下，带动叉形架 7 上下微量移动，实现钼丝张紧功能。
（3） 导电部件。导电轮部件分左导电轮部件和右导电轮部件，两者在支架 2 上对称分布；左导电轮部件由螺母 15、轴 14、轴承 13、导电轮 12、垫片 26、螺母 29、碳刷 16、弹簧 17、螺钉 18 组成，导电轮 12 内孔与轴承 13 外圈过盈配合，轴承 13 内圈与轴14 过盈配合，轴 14 固定在支架 2 上，导电轮 12 与碳刷 16 接触，通过拧动螺钉 18，调节碳刷 16 与导电轮 12 的接触程度。右导电轮与左导电轮安装方式相同。
5.试验研究
试验条件为：苏州长风 DK7732E 线切割机床；厚度为 60mm的方形铝块（尺寸 100mm×100mm）；金山 DX-2 线切割工作乳化液；山东光明牌钼丝 Φ0.18mm。工作参数为：工作电压 100V；电流 3.0A；脉冲宽度 48μs；脉冲间隙 6μs；加工速度 75mm2/min；电极丝初始张力 8.2N。试验过程为：将改进后的进电装置分别安装在线切割机床走丝架的上下两侧，连续切割 20h，对比改进前和改进后的切削效果，试验结果，如表 1 所示。结果表明：在相同的电压、电流、脉宽、速度等参数条件下，对同一工件进行切割试验，割痕、断丝、粘丝等不良现象基本解决，系统张紧力保持恒定，电极丝损耗减小，零件加工质量提高。
表 1 试验结果
6.结论
（1）设计出一种改进型电火花线切割导电装置，具有如下特点：①三角导轮结构，穿丝简单、快捷，运丝平稳，提高机构稳定性；②导电轮采用镶嵌式，减低制造成品和运动惯性，提高导轮使用寿命和导电性，排屑方便；③碳刷接触紧密，进电快速、稳定，左右 2 个位置同时进电，避免漏进电现象，碳刷消耗后，可通过螺钉调节；④支撑轮可调节，提高钼丝张紧程度，避免松垮、跳丝等导致的不正常放电现象；
（2）试验结果表明，改进后无割痕，断丝频率降低 75%，张紧力提高 22%，基本恒定，电极丝损耗减小至 0.006mm，表面粗糙度提高到 2.25μm，穿丝难度降低 50%。
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