快走丝电火花线切割机床的技术改进

陈星宇

（四川职业技术学院 机械工程系，四川 遂宁 629000）

0 引言

快走丝电火花线切割是利用对电极材料进行火花放电所产生大量的热来去除金属加工的一种方法。快走丝电火花线切割机床是一种高速电弧切割机床,它具有加工精度高、速度快、切削效率高和能耗低等诸多优点[1]。对快走丝电火花线切割加工技术进行改进,能够有效提高快走丝的精度和效率。

1 快走丝电火花线切割机床基本概述

1.1 电火花线切割机床的基本概念

由于科学技术的发展，目前在生产中使用的快走丝线切割机床几乎全部采用数字程序控制，这类机床主要由机床本体、脉冲电源、数控系统和工作液循环系统组成。国外快走丝电火花切割机床的发展充分体现了高速度化、高精度化以及高自动化等发展趋势。在高速度化方面，当前我国快走丝线切割加工的切割速度可以最高达到216mm2/min，国外已超过300mm2/min。在高精度化方面，国外机床的几何精度以及运动精度已经达到了较高的水平，一般来说，全行程定位精度以及加工精度可达2～3μm，重复定位精度达2μm。在高自动化方面，32位机等设备的使用有效提升了运算速度，同时使得机床控制的内容更加丰富。相比而言，国内快走丝电火花线切割机近些年来发展较为迅速，发展趋势主要包括采用高强度耐磨铸铁来提高机床的机械刚度、不再单一强调电极丝的高速、加装电极丝定位限幅器来控制振动。与国外的机床制造的差距仍然存在，但在逐渐缩小。在加工薄板材的过程中,薄工件一般指其厚度在3mm以下，其断丝原因：第一线架导丝轮的开距是固定的，一般是70mm左右，当切割工件时，在高速走丝的情况下，电极丝失去了加工厚工件时产生的工作液的阻尼作用，加上火花放电的影响钼丝抖动。第二电极丝通过导轮、导电块与导电的工件直接相接触,形成与切削对象相平的高压电场。当工件被加热时,工件的内部温度迅速升高,当达到一定的临界点后,由于局部过热而导致绝缘强度降低,最后使其断丝。在切割的时候会产生大量的热损耗,因此需要对其进行冷却,以保证其工作的可靠性及耐用性。为了提高钼丝的耐磨性,延长其使用寿命,并且要求高效率的运行速度,这就使得相关领域工作人员必须对其进行进一步的研究和改进。如图1所示，为快走电火花线切割机床示意图。

图1 快走电火花线切割机床示意图

1.2 电火花线切割机床的原理

电火花线切割机床是由电机驱动板和丝杠螺母组成的加工设备,其基本结构如图2所示。电火花线切割加工原理同电火花成形加工原理一样，利用工具电极（电极丝）和工件两极之间瞬时的脉冲放电产生的高温对工件进行尺寸加工。绕在滚丝筒（又称储丝筒）上的电极丝沿滚丝筒的回转方向以一定的速度移动，装夹在机床工作台上的工件由工作台按预定控制轨迹相对于电极丝做成形运动。脉冲电源的一极接工件，另一极接电极丝，在工件与电极丝之间总是保持一定的放电间隙且喷洒工作液，电极之间的火花放电蚀出一定的缝隙连续不断的脉冲放电就切出了所需形状和尺寸的工件。

图2 机床走丝系统示意图

1.3 电火花线切割特性

快走丝电火花线切割的特点：第一工件表面光洁平整,没有划痕,而且有一定的硬度；第二工件的直径比较大,尺寸精度高,可采用高强度耐磨的耐磨剂来提高其耐蚀性；第三在切割过程中,工作液酸的腐蚀性会影响工件材料的使用性能和寿命,所以要求电火花与电源的电压要低,否则容易引起切削液的变质或烧损,并且易发生短路,同时也对设备的安全性提出了较高的标准；最后,电极丝在高速旋转的丝筒上并与各导轮进行接触,因此对电极丝的质量也有很高的要求；这些都会严重的损坏机床的零件及带来不必要的损失和麻烦。

2 快走丝电火花线切割机床的结构设计

2.1 电火花线切割机床的部分

2.1.1 机床的丝筒电机设计与安装

在对快走丝电火花线切割机床设计、安装的时候要把机床的主轴部分和进、走丝机构分开,这样可以保证它们的相对独立,并且互不影响。因为快走丝电火花的切割速度比较高,所以它的转速也就会相应的变大,而在对其的精度要求方面,快走丝电机的转速不能过慢,要符合生产的需要；由于进给的力不是很大,因此为了提高它的效率我们就要把电动机的功率控制到一定的范围内,同时还要考虑到它的噪音问题,这也是很有必要的。

2.1.2 高速自动调整系统的设置

工作台工件的进给方向和定位的准确度都会受到高速的丝筒运转情况的直接影响,如果丝筒回转运动的转矩太大,那么就不能够及时的进行处理,从而导致机器的运行不平稳,出现事故的可能性比较大,所以应该设有专门的保护措施,避免工作人员的失误造成不必要的损失和伤害。

2.2 电火花线切割机床加工的计算

在电火花线切割机床加工的计算过程中，设计人员需要对零件的尺寸、形状和材料的精度进行计算,确定其加工的方法和工艺路线,从而得到机床的总体方案。在对工件的结构及安装方式的分析之后,电火花线切割机床的主要工作是：第一进给运动，进给系统的动力由脉冲电源提供。第二切断移动，在切割的过程中,由于丝杠的反向作用,丝杠与导轨之间的距离会发生改变。因此，设计人员需要设计变向器来调节丝杠的正向与负向,使其能够完成横向或纵向的位移控制。第三夹紧装置，为了使工件夹持稳定,防止工件在切削的时候变形,所以要使用夹紧力来实现这一功能。同时还要保证定位的准确性以及稳定性。为此要求用手动的机构来代替。第四送料导向，为使得送料的效率提高,设计人员要考虑到如何才能让电极的电流过小,并且还能减少电机的功率损耗。因为导柱的直径比较大，导柱的压力也会相应的增加很多。

2.3 电火花线切割机床的校核

在对电火花线切割机床的校核过程中，工作人员首先要对机床的零部件进行校核,保证零件的精度和质量,在加工的时候不出现异常情况,在生产中避免发生意外。为防止因为损坏或者由于磨损造成影响整个设备的运行效率,所以一定要注意安装和拆卸,根据实际的使用要求来选择合适的部件并确定其型号[2]。最后还要对电火花线切割装置的各个部分的连接方式、尺寸参数、运动过程等进行进一步的验证与分析,以确保其工作的可靠性以及准确性。以上的检测都需要依据国家标准来测试,同时还需结合一些数据来做全面的对比与总结,以达到检验的目的才能证明此方案的可行性及有效性。

3 快走丝电火花线切割机床的技术改进

本文的研究对象是改进电火花线切割机床的工艺性,主要解决的是线切割加工与普通的数控改造,其目的在于提高生产效率,降低成本,实现自动化,因此对电火花线切割机床的要求也要比传统的数控化设备高很多。在原有的电火花线切割机床上,由于存在着各种不一样的情况(如：切割的方向的不同),所以需要设计一个控制系统来对工件进行控制,以达到提高产品的质量和产量的目的；而在现有的电弧式切割的基础上,根据实际的要求来选择合适的控制方式,从而实现对工件的精确控制。

3.1 改进电火花线切割机床方案

随着电火花加工的发展和进步,各种机械和工艺都在进步，电火花线材的价格也在下降。因此为了满足市场需求,在未来的发展中会选择使用先进的电火花方法来对工件进行处理,这样不仅可以保证产品的品质、精度,而且还能降低生产成本,获得经济效益。

3.2 改进电火花线切割机床的结构及部件选型

目前,国内电火花线切割机床的发展主要以传统的牵引方式为主。其特点是：第一加工精度低,切割速度慢,效率低；第二自动化程度不高,操作人员劳动强度大,生产成本高；第三产品质量差,易产生肉眼难以观察的异物,如假丝、假皮等。因此,在未来的发展中应逐步淘汰落后的半自动线切割机床,而采用先进的自动控制系统,实现高速化的作业模式,以提高生产率和降低工人的工作负荷。这就要求相关领域设计出一种新型的电火花线切割设备,即改进的电火花综合驱动装置。它可以通过改变电极丝的放电状态来调节对切削区的进给运动,从而达到不同的效果。该机构的核心部件为变频电机,变频调速,使其在原有基础上增加5个档位,可满足不同的需求，如精确定向、进给距离和方向等。

3.3 改进基于电火花线切割机床的电极装配

针对电火花线切割机床的加工要求,可以采用以下方案：第一用专用的线缆设备将电火花线切割料机床进行固定,然后在通过专门的夹紧力将其牢固地安装在下一个电极上。第二电火花线切割加工机床需要用到的丝杆的材质是QT,而QT的硬度较低,在加工时,需要对其进行热处理,热处理的目的是为了使其达到使用的标准要求,而这些的步骤都要经过反复的调整才能完成。第三由于电火花的特性以及电解液的导磁性质,使得电极丝的表面会产生一层薄膜,这层膜的厚度会比较大,而且在加工时,也很难保证对电极的精度要求。第四因为电解液的导磁性,所以电极丝的表层会形成一个电位差,这个电位差就是电解液的电压。针对以上的问题提出了以下的优化方案：第一将电极管的外壁上涂上防锈的油性溶液,这样可以防止电极氧化,从而提高生产效率。第二将工件的外表面涂上带有聚苯乙烯的粘片,这种粘片也能起到一定的润滑作用,还能减少工件的磨损程度。

3.4 改进电火花线切割机床的设计与制造

电火花线切割机床的主要功能是将电极丝的丝筒丝杆轴运动转换到工作台上,并使其沿直线运行。电弧放电的原理是利用高压电源的作用来实现的；对工件进行加工的时候会产生一定的高温和噪声,所以在对工件的表面进行处理的过程中,需要采用耐腐蚀的材料来提高其耐磨性。为了保证电火花线切割加工的正常进行,必须在机床导轨上安装定位装置,并在机床上放置保护罩。第一在工作台上安装时,要严格控制好间隙,防止因接触面磨损而导致的不稳定现象发生。第二当电机的转速过高时,应及时切断电源,避免由于电流过大而引起的发热和噪声。第三当电动机的功率较大时,应尽量减少供电电压,以免影响机器的运行状态。如果有特殊情况,如温度较高,或因接地电阻较小等,则可以采用不同的措施来减小干扰。如使用一个三相交流电源并联的方式来降低接地故障的发生率；或者是将两个直流高压电容器串联,以达到降压的目的；还可利用调节电位器的脉冲宽度,从而使放电频率由原来的1.5Hz提高到22kHz。

3.5 改进导电块为导电轮

在设备进行工作的过程中，因为导电块并不能有效地减小电极丝磨损处理，而钼丝则会在导电块的表面进行移动，移动的过程中需要的摩擦方式为滑动摩擦的方式，此种摩擦方式的摩擦系数较大，所以就会导致导轮以及钼丝的磨损较为严重的情况发生，如果此种现象进一步严重，那么还会导致导电块表面出现切割过的痕迹。如果可以将导电块进行改变，将其转化成导电轮的形式，这样就会对摩擦的方式进行有效的改变，将其转化为滚动摩擦的方式，这样就会使得磨损的情况得到很好的改善，同时导电能力也会得到有效的提升。在对其材料进行选择是最好可以选择合金钢，此种材料具有质地较硬的特点，因此可以有效提升导电轮的实际使用时间[3]。另外，针对钼丝松驰的情况，需要针对其原因进行分析,如果在工作过程中一直有一个恒定的重力作用在钼丝上,使其紧贴在导电块上,那就可以排除钼丝与导电块之间的非正常放电、钼丝在储丝筒上的叠丝现象、钼丝在导电块上留下切槽等原因。为了确保钼丝在运行过程中始终处于一定力的张紧状态,需要为钼丝提供一个恒力。如自动张丝装置来提供恒力。由于自动张紧装置可以确保施加在钼丝上的力方向不变垂直向下、大小不变，因此可以保证钼丝在运行中始终紧贴在导电块上，确保电火花线切割机床的正常运行。

3.6 改进电火花线切割机床调试与结果

在电火花线切割加工的过程中,由于各种因素的综合影响,导致其表面的质量不稳定,从而造成了产品的合格率不高,甚至会出现严重的报废现象。因此在对其进行设计的时候要充分考虑到各方面的问题和可能产生的故障隐患,并制定相应的解决措施。第一针对工件的尺寸精度的要求。应该根据零件孔的孔径的位置来对工件的直径大小进行确定的；依据所测的孔径的高度对工件的厚度以及外圆的圆度进行测量。第二针对电源的性能参数的选择。首先,就是要确保供电电压的稳定性和安全性,其次便是保证无负载的能力下,还要保障无功功率的允许范围内。

3.7 改进电火花线切割机床调试步骤

对于改进电火花线切割机床调试步骤，相关工作人员首先应该确定加工方案,根据电火花线切割机床的特点和要求,设计合理的生产工艺流程,制定相应的检测方法和措施,并进行检查。其次，在实际操作过程中,如果发现问题,立即对其分析,找出原因,并及时修改。再次,在整个的生产过程中,要不断地观察零件的动态性能,通过调节装置的整体可靠性来提高产品的质量水平。最后,在上述的基础上,为了保证电火花线切割机床的正常工作,还需要对其电气控制系统的原理、功能、特性等方面的研究和探讨。对整个电火花线切割加工系统进行全面的检查和调试,确保其能够正常工作。在对设备的安装上,要注意零件的固定、连接的方式以及定位的位置等问题。对于原有的电火花线切割机床来说,要通过调节螺钉来实现相应的功能；在对装置的结构上,也就是主要的部分是采用的是三螺栓的形式来完成。如图3所示；而对于原有的三螺栓,则是利用的是原来的四边进给的方式来完成的；而对于原有的五边进给就可以用四边进给的方法。

图3 采用三螺栓的形式意图

4 结语

本文主要针对电火花线切割机床的加工技术原理，对现有的电火花线切割机床技术进行分析，提供科学、可行的快走丝电火花线切割机床的结构设计方案、快走丝电火花线切割机床的技术改进措施，以供业内人士及相关领域研究者参考。在整体系统的设计和改进上，需要根据实际的情况来制定方案，以保证生产出的产品质量符合国家标准。