袁根華

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機電工程系，廣州510075）

0 引 言

電火花線切割加工是利用持續(xù)不斷的脈沖電能將電極與工件間的絕緣介質(zhì)擊穿放電產(chǎn)生高溫從而蝕除金屬，形成加工所需要的曲面形狀結(jié)構(gòu)，達到相應(yīng)的加工精度及表面粗糙度。由于其獨特的加工原理與方法，在高硬度、高強度、高韌性等高性能金屬的加工中有不可取代的優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用。線切割機床以電極絲運轉(zhuǎn)速度與加工精度可分為快、中、慢3種，其中快走絲線切割加工速度快、切割精度較低，但是因為其加工成本低、加工效率高而應(yīng)用的場合更多[1-4]?？熳呓z線切割的電極絲是安裝并保持在一套特定的運動機構(gòu)上反復(fù)循環(huán)利用的，但電極絲能否在這套機構(gòu)中保持好正確的狀態(tài)，對于機床加工精度與機床使用壽命都有直接的影響。

1 線切割電極絲的正確狀態(tài)

1.1 電極絲整體運動正確狀態(tài)

快走絲線切割機床的電極絲緊齊排列在儲絲絲筒上，絲筒受左右行程開關(guān)的控制正反轉(zhuǎn)動同時左右運動，使得電極絲切割工件時上下作往復(fù)循環(huán)運動，從而在電極絲的壽命期內(nèi)得以重復(fù)循環(huán)使用（如圖1）。此外，電極絲加工時正確的狀態(tài)還要依靠前后上下共4個導(dǎo)輪保持，其中后上下2個導(dǎo)輪主要是使得電極絲在絲筒上均勻布排，前上下2個導(dǎo)輪的作用是保證電極絲在兩導(dǎo)輪槽中運動時兩導(dǎo)輪間的電極絲對于工件定位平面（或者工作臺平面）有設(shè)定的準(zhǔn)確角度關(guān)系，如果在加工前穿繞絲或者其它情況而使得電極絲不在前上下導(dǎo)輪的安裝槽內(nèi)，則一方面電極絲與工作臺平面的設(shè)定加工角度不能保證，而造成加工質(zhì)量問題；另一方面從前上下導(dǎo)輪的槽中跳離開的電極絲可能在循環(huán)運動中切斷前上下導(dǎo)輪的安裝軸與軸承座，發(fā)生機床故障。

圖1 快走絲線切割加工時電極絲在特定的運動機構(gòu)中運行示意圖

1.2 電極絲在前上下導(dǎo)輪機構(gòu)中的正確狀態(tài)

圖2為前上下導(dǎo)輪機構(gòu)的3D示意圖，該機構(gòu)左右對稱，由手把、軸承座、導(dǎo)輪等構(gòu)成，軸承座內(nèi)孔與導(dǎo)輪軸裝配，其外圓柱面則與機床的上下支架裝配在一起，電極絲則安裝在導(dǎo)輪的凹槽中，工作時電極絲與導(dǎo)輪一起依靠摩擦力快速運動，凹槽的橫截面形狀為三角形，開口處約0.8 mm。

1.3 機床結(jié)構(gòu)與加工導(dǎo)致電極絲安裝時在前下導(dǎo)輪的凹槽對中困難

圖2 電極絲所安裝的前上下導(dǎo)輪機構(gòu)3D 示意圖

利用線切割加工工件前必須將絲筒上的電極絲按照圖1所示進行手動的穿繞絲操作，以保證電極絲在機床上形成循環(huán)的閉路，而加工多孔工件時，每加工一個孔都需要手動拆絲，待機床跳步到下一個孔的相應(yīng)加工位置后再完成一次電極絲的穿繞絲步驟。此外，加工過程中遇斷絲、更換新絲、緊絲等操作后都需要完成一次穿繞絲步驟，該步驟是一個費工費時且必不可少的操作。在該操作中，電極絲必須正確安裝在導(dǎo)輪的凹槽中，尤其是前上下導(dǎo)輪如果與電極絲安裝不到位會造成加工質(zhì)量與機床故障。但是電極絲與前下導(dǎo)輪的安裝難度較大，圖3所示為圖1線切割電極絲安裝循環(huán)運動的結(jié)構(gòu)3D示意圖，圖中上、下支架的右端用于安裝圖2所示的前上下導(dǎo)輪機構(gòu)，從圖中可看出，前下導(dǎo)輪及相應(yīng)機構(gòu)處于機床工作臺導(dǎo)軌的下面，加工工件時工件又安裝在導(dǎo)軌的上面，因而要實現(xiàn)電極絲安裝于導(dǎo)輪0.8 mm的凹槽中并不容易，往往需要操作者一手拿電筒，另一只手握住電極絲對準(zhǔn)下導(dǎo)輪凹槽，操作費時、費工、費力。因此創(chuàng)新改進前下導(dǎo)輪與電極絲安裝對中的結(jié)構(gòu)，以便在光線較差、經(jīng)驗不足，甚至視力較差的情況下，不借助其它燈光也能容易地將電極絲安裝于前下導(dǎo)輪凹槽中，這樣一方面可減少對中時間，提高工效，另一方面也可減少因電極絲沒有正確安裝于導(dǎo)輪凹槽中而導(dǎo)致的加工質(zhì)量問題，并減少機床故障。

圖3 電極絲安裝的機床相應(yīng)結(jié)構(gòu)的3D示意圖

2 解決前下導(dǎo)輪與電極絲凹槽對中的3種方案及其優(yōu)劣

2.1 燈光方案

前下導(dǎo)輪凹槽與電極絲對中不方便主要是由于機床導(dǎo)軌與安裝的工件都使得身處其下的前下導(dǎo)輪凹槽與電極絲安裝對中時光線偏暗難以對中，因此解決問題的第一種方案就是在某一位置，增加一個可移動位置的光源，現(xiàn)有機床常常在機床立柱附近安裝一個加罩的燈泡，燈泡的支撐是可伸縮變形和旋轉(zhuǎn)的，需要電極絲在下導(dǎo)輪凹槽上對中時，將燈光照射到對中位置。但是，由于環(huán)境問題，燈泡常常需要更換，否則就需要在對中時改用外光源如手電筒等。即使這樣的燈光方案落實完好，也需要操作者長時間彎腰操作，目光聚焦、細(xì)心操作才能完成對中。

2.2 前下導(dǎo)輪安裝支架的改進

解決前下導(dǎo)輪凹槽與電極絲對中因加工工件與導(dǎo)軌等的遮擋，而使得對中時因光線偏暗而不利對中的問題，另一個思路是將下導(dǎo)輪的安裝支架與機床立柱的連接方式加以改變?，F(xiàn)有機床下導(dǎo)輪安裝支架與機床立柱的連接采用螺栓緊固連接，支架在水平方向是不能轉(zhuǎn)動的，如果前下導(dǎo)輪支架與立柱間這段長度結(jié)構(gòu)改為鉸接方式，當(dāng)需要進行電極絲與下導(dǎo)輪凹槽對中時，則可以將支架與前下導(dǎo)輪以鉸接點為軸在水平方向旋轉(zhuǎn)一定的角度，使得前下導(dǎo)輪避開工件的遮擋，使光線更好，更方便對中操作，操作完成后再旋轉(zhuǎn)回到原先正確位置。但是這樣因為鉸接連接會使得重回位時存在重復(fù)定位誤差而影響加工精度，且依然需要對中操作人員長時間彎腰，目光聚焦細(xì)心才能對好中。

2.3 設(shè)計一個專門的對中裝置

根據(jù)導(dǎo)輪凹槽的三角形橫截面的開口處有0.8 mm左右的寬度，在下導(dǎo)輪與支架安裝的位置附近，增加一個輔助裝置，促使電極絲沿著這一輔助裝置順利地滑入0.8 mm的下導(dǎo)輪凹槽口，再進入凹槽底部。這樣，光線的明暗不影響對中，再也不用久久彎腰，目光聚焦地來進行對中了。

3 基于3D打印制造的電極絲與下導(dǎo)輪對中裝置的快速迭代設(shè)計

3.1 3D打印制造在創(chuàng)新設(shè)計中的作用

3D打印制造的材料一般有塑料、金屬、陶瓷等，制造方法一般有立體光平板印刷( SLA)、分層實體制造(LOM)、選擇性激光燒結(jié)（SLS)、熔絲沉積鑄造(FDM)等4種。不論3D打印的打印材料還是制造種類的不同，毫無例外都會呈現(xiàn)出3D打印制造獨特的特點，與傳統(tǒng)剝離制造方法不同，3D打印也稱疊層增材制造，能夠?qū)㈦娔X中設(shè)計出的3D數(shù)字模型通過分層掃描得到每層的數(shù)字信息，生成控制代碼來控制打印機一層層疊加黏合來制造零件。因不需要傳統(tǒng)制造中大量的輔助工具與大量工序流程機床設(shè)施，從而在樣機模型制造時能節(jié)約大量的制造時間，大大縮短制造周期，對于生產(chǎn)單件性的專供評價產(chǎn)品外觀與性能的原型樣品具有十分獨特的優(yōu)勢，同時外觀與性能評價過程需要再改進時，只要修改3D模型就能再次利用3D打印快速打印出來再評價，這些特點應(yīng)用在創(chuàng)新設(shè)計中，就可以加快產(chǎn)品迭代更新定型[5]。此次創(chuàng)新設(shè)計的電極絲與下導(dǎo)輪對中裝置就是充分利用了3D打印制造實現(xiàn)了對中裝置的快速迭代設(shè)計。

3.2 設(shè)計中經(jīng)歷的幾次迭代改進過程及最終對中裝置的確立

下導(dǎo)輪支架與導(dǎo)輪機構(gòu)組件安裝的3D示意圖（如圖4）中，支架在與前下導(dǎo)輪機構(gòu)組件安裝的右端被銑削加工成左右對稱的上下貫通的兩部分，中間的銑削槽容納了前下導(dǎo)輪，支架左右對稱的兩端則通過內(nèi)孔與同樣左右對稱的下導(dǎo)輪機構(gòu)組件中的軸承座進行了安裝。

對中裝置是利用支架中間的銑削槽定位來完成設(shè)計，裝置如圖5所示。首次設(shè)計的對中裝置設(shè)成一體，左右2個螺釘通孔實現(xiàn)對中裝置在支架上的緊固安裝，對稱的側(cè)定位面與支架內(nèi)槽兩側(cè)面以單側(cè)0.02 mm的間隙實現(xiàn)配合安裝定位，與下導(dǎo)輪貼近的1/4圓弧面及垂直面與下導(dǎo)輪最近點相隔一定距離（間隙t), 電極絲由下導(dǎo)輪的下方從對中裝置斜槽寬端處開始受到斜槽兩側(cè)的斜面導(dǎo)引滑入越來越窄的斜槽窄端（寬度d),直到進入下導(dǎo)輪的凹槽中。該方案設(shè)計通過3D打印出樣品在線切割機床上進行反復(fù)測試，迭代打印求解到了較佳的幾個關(guān)鍵數(shù)據(jù)（間隙t和寬度d），即1/4圓弧及垂直面與下導(dǎo)輪圓弧最近點相隔的最短距離，以及對中裝置與下導(dǎo)輪最接近處的槽寬。在試用過程中發(fā)現(xiàn)對稱側(cè)定位面對應(yīng)的對中裝置厚度，由于支架的銑削寬度公差較大，對中裝置厚度尺寸不能按照單側(cè)間隙0.02 mm進行間隙配合來設(shè)計該尺寸，只能按照支架槽寬度尺寸的自由公差來設(shè)計對中裝置的這一安裝厚度，為使電極絲順利滑入下導(dǎo)輪的槽中，對于1/4圓弧及垂直面于下導(dǎo)輪最近點距離和最接近下導(dǎo)輪處的對中裝置槽寬再進行了幾次迭代制造，確定設(shè)計參數(shù)。

圖4 下導(dǎo)輪支架與導(dǎo)輪組件安裝的3D示意圖

圖5 首次設(shè)計的一體化的下導(dǎo)輪對中裝置的3D示意圖

以上的對中裝置雖然能夠完成對中，但是使用一段時間發(fā)現(xiàn)其不利之處：首先是對中裝置的斜槽長時間使用容易嵌藏加工中的金屬殘渣污垢，在電極絲從下而上運行時，被帶入工件的放電區(qū)域，增加了脈沖放電加工中工件與電極絲間的二次放電，從而影響加工精度等；其次是對中裝置與支架間使用螺釘緊固連接的方式，使得下導(dǎo)輪的工作狀態(tài)不易觀察，更換導(dǎo)輪時也增加了麻煩；最后，也是最關(guān)鍵的一點是當(dāng)加工的工件是斜面或者錐面時，電極絲傾斜一個角度，將會直接接觸到對中裝置的導(dǎo)絲斜面，影響加工精度同時也會切壞對中裝置。

圖6為再次迭代改進的非一體對稱的下導(dǎo)輪對中裝置安裝于支架的3D示意圖，圖7為對中裝置的2D示意圖，從圖6、圖7可見，對中裝置設(shè)計成兩邊獨立對稱的非一體化形式，加工斜面和錐面時因支架銑削槽的上部無對中裝置的部分，因此電極絲不會再接觸到對中裝置，該對中裝置設(shè)計成完全對稱的2個零件，克服了一體設(shè)計更加容易嵌藏金屬殘渣污垢的缺點，而使用對稱的4塊小磁鐵吸附于支架上，比螺釘緊固更便于拆卸。

圖6 再次迭代改進的非一體對稱的下導(dǎo)輪對中裝置安裝于支架的3D示意圖

圖7 再次迭代改進的下導(dǎo)輪對中裝置的2D示意圖

4 結(jié) 語

在快走絲線切割加工中，穿繞絲時電極絲在下導(dǎo)輪中實現(xiàn)對中，對于確保加工精度、減少機床故障等都很重要。而電極絲與下導(dǎo)輪對中受到光線環(huán)境影響及機床導(dǎo)軌加工工件的遮擋使得對中操作費時費力。本文設(shè)計的一種不依賴環(huán)境光也不需要經(jīng)驗，且方便實現(xiàn)對中操作的對中裝置，具有重要的參考價值。