王娟 劉璐

摘要：電火花線切割加工工藝是采用連續(xù)移動的金屬電極絲作為工具電極，發(fā)生放電腐蝕，電火花的瞬時高溫使工件表面熔化甚至汽化而腐蝕掉，從而達到加工效果。數(shù)控線切割機床使用時，電極絲容易出現(xiàn)重復(fù)疊繞、夾絲、斷絲的情況;電極絲松弛或過緊都易導(dǎo)致斷絲的情況，若電機繼續(xù)運轉(zhuǎn)，送出的電極絲會纏繞在儲絲筒上，造成電極絲報廢的。本文針對上述問題，設(shè)計一種數(shù)控線切割機床的斷線保護裝置，有效改善了切割機床的斷線情況，有效提高機床的加工效率。

Abstract： Wire electrical discharge machining （WEDM） uses continuously moving metal electrode wire as tool electrode， which causes discharge corrosion and makes the surface of workpiece melt or even vaporize.When the NC wire cutting machine is used， the wire of electrode is easy to be rewound， clamped and broken. When the wire of electrode is slack or too tight， it is easy to break wire. If the motor continues to operate， the wire of electrode will be wound on the wire storage cylinder， that caused the electrode wire to be scrapped.In view of the above problems， this paper designs a wire breaking protection device of NC wire cutting machine， which can effectively improve the wire breaking situation and the machining efficiency of the machine.

關(guān)鍵詞：線切割;保護裝置;斷絲

Key words： wire cutting;protective device;broken wire

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0076-03

0? 引言

目前電火花線切割機床是一種普通使用的數(shù)控機床，占電加工機床總數(shù)的60%以上[1]。電火花線切割加工簡稱“線切割”。電火花線切割加工工藝是采用連續(xù)移動的金屬電極絲（常用的電極絲材料有鉬絲、鎢絲、鎢鉬合金、黃銅絲、銅鎢絲等）作為工具電極，發(fā)生放電腐蝕，電火花的瞬時高溫使工件表面熔化甚至汽化而腐蝕掉，從而達到加工效果[6]。在日常加工中，電火花線切割機床的電極絲容易出現(xiàn)重復(fù)疊繞和夾絲，從而使電極絲運動的精度降低，進而電極絲出現(xiàn)抖動斷絲的情況，而且電極絲在松弛或過緊的狀態(tài)時，也導(dǎo)致斷絲的情況增加，同時當(dāng)電極絲斷裂后，電機還在繼續(xù)運轉(zhuǎn)，送出的電極絲纏繞在儲絲筒上很難清理，造成電極絲報廢[2]-[4]。斷絲故障是電火花切割過程中常見的問題，既浪費電極絲，增加成本，穿絲又費工費時，而且還會影響工件表面的加工質(zhì)量，影響生產(chǎn)效率[5]。本文通過分析電火花線切割斷絲故障的原因，設(shè)計一種數(shù)控線切割機床的斷線保護裝置，有效改善了切割機床的斷線情況，切實有效地提高故障產(chǎn)生后的處理質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率具有一定的指導(dǎo)意義。

機床工作時，首先給電極絲兩端接通高頻脈沖電源，在工件和電極之間產(chǎn)生很強的電場，形成脈沖放電，介質(zhì)被擊穿，進行工件加工[7]。通過電火花線切割微觀角度分析，電火花蝕除的過程是熱和各種力綜合作用的結(jié)果，加工的過程大致可分為：電離擊穿、脈沖放電、金屬熔化和氣化、氣泡擴展、金屬拋出及消電離恢復(fù)絕緣強度。[8]加工過程是連續(xù)不斷的，只要工作臺能夠保持不斷地進給，就能加工出所需的形狀。 電火花線切割基本工作原理[9]（見圖1）。

1? 斷絲原因分析

1.1 跟工件有關(guān)的斷絲[10]

工件的材料種類和金屬工藝處理方法是影響斷絲的一個重要原因。首先，對于未經(jīng)過鍛打、淬火、回火處理的金屬，其內(nèi)部所含碳化物顆粒大，并且聚集成團且分布不均勻，導(dǎo)致電性能不穩(wěn)定造成電弧放電而斷絲;其次，經(jīng)熱處理后工件內(nèi)部如果存在內(nèi)力，在切割過程中導(dǎo)致內(nèi)力釋放，就容易在加中變形開裂或者夾牢電極絲造成斷絲;另外，對于鑄鐵工件，其內(nèi)部雜質(zhì)較多，造成砂眼空穴，容易引起斷絲;再次，對于鍛造型的工件，工件毛坯有時會含有夾層和夾渣，工件切入點處或者穿絲孔可能會有不導(dǎo)電的氧化物等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在切割過程中與電極絲接觸，就會發(fā)生劇烈磨擦，容易把電極絲勒斷;最后，工件表面覆蓋如塑料薄膜，油漆等不導(dǎo)電造成的斷絲。

1.2 跟工作液有關(guān)的斷絲[11]

工作液具有冷卻功能、絕緣功能、消電離作用、良好的洗滌性、潤滑性以及良好的防銹性等多重功能。在線切割加工中，工作液的類型、濃度和流量選擇是非常重要的。而且工作液需要及時更換，變黑后綜合性能就會變差，極易造成斷絲。在加工過程中，工作液的濃度不合理造成斷絲，工作液的選擇應(yīng)綜合考慮工件材料性能核厚度、加工工藝要求以及加工精度來配置，一般水液濃度比范圍保持在1： 10 ～1： 20范圍內(nèi)。其中，對切割速度要求高或大厚度工件切割時，濃度可適當(dāng)降低;而且工作液沖刷不足、工作液不夠或者堵塞造成無切削液加工，鉬絲也很快會燒斷。

1.3 跟走絲機構(gòu)有關(guān)的斷絲[12]

走絲機構(gòu)中的導(dǎo)電塊、導(dǎo)輪、張緊機構(gòu)和儲絲裝置、以及儲絲筒運轉(zhuǎn)電機的換向機構(gòu)失靈都是造成斷絲的主要原因之一，分析如下：

1.3.1 導(dǎo)電塊磨損引起斷絲? 首先，導(dǎo)電塊磨損會使電極絲抖動而斷絲。在線切割加工過程中，切割厚鋼材料時，由于排屑困難，會產(chǎn)生溝槽，從而導(dǎo)電塊磨損。為了減少磨損，可以經(jīng)常調(diào)整導(dǎo)電塊的角度到合適的位置，改變其與鉬絲的接觸位置，避免過度磨損，以保證加工的穩(wěn)定性。為了保證加工工件的精度和表面質(zhì)量，在更換導(dǎo)電塊或變換導(dǎo)電塊位置后，必須重新校正電極絲的垂直度;另外，為了確保穩(wěn)定的放電加工，在實際切割加工中，為了使脈沖能量能全部送往工件與電極絲之間，不允許在電極絲和導(dǎo)電塊間出現(xiàn)火花放電。

1.3.2 跟導(dǎo)輪有關(guān)的斷絲? 通常為了保證電極絲在導(dǎo)輪槽內(nèi)運動時與絲不產(chǎn)生相對滑動導(dǎo)輪，V形槽面在制作時要求有較高的精度。但是由于儲絲筒正反換向時出現(xiàn)不進給或跳進給的現(xiàn)象，長期使用導(dǎo)輪會使V型槽變寬，導(dǎo)輪軸承磨損后就會產(chǎn)生間隙，從而造成絲抖動，嚴(yán)重時還會將絲卡在其間，使放電間隙狀態(tài)不穩(wěn)定，頻繁短路，造成變頻跟蹤失調(diào)，燒斷電極絲。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，在切割加工中應(yīng)經(jīng)常檢查導(dǎo)輪V形槽是否磨損，以便及時更換導(dǎo)輪;并且清除堆積在V形槽溝槽內(nèi)的電蝕物，確保加工過程的穩(wěn)定進行。另外在安裝導(dǎo)輪前必須清洗軸承，確保異輪旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)、靈活、無阻滯現(xiàn)象，盡量減小導(dǎo)輪的軸向竄動和徑向跳動，減緩導(dǎo)輪和軸承的摩損。

1.3.3 儲絲筒造成的斷絲[13]? 儲絲筒的軸承傳動精度下降時主要是由于傳動軸承引起的。儲絲筒的徑向跳動會造成鉬絲切割過程中張力突變，造成絲松，嚴(yán)重的會使電極絲從導(dǎo)輪槽中脫出而拉斷;儲絲筒的軸向竄動會產(chǎn)生疊絲現(xiàn)象軸向跳動還會造成疊絲，更容易造成斷絲。

1.3.4 電火花線切割機床的運絲系統(tǒng)造成的斷絲? 電火花線切割機床的運絲系統(tǒng)是由運絲機構(gòu)和絲架組成，而運絲機構(gòu)是由運絲電機、貯絲筒、運絲拖板、貯絲筒主副軸承座、行程限位撥叉和行程限位開關(guān)組成。如果部件安裝不恰當(dāng)，轉(zhuǎn)動不靈活，間隙安裝不合理，運動時有偏擺都會使電極絲運動受阻，從而引起斷絲。

1.3.5 跟編程有關(guān)的斷絲? 首先，工件加工編程路徑選擇了容易造成變形的路徑會造成斷絲;另外，二次切割造成的斷絲。線切割機床會有回退功能，如果第一次切縫后的縫隙，再次切割放電會不均勻，鉬絲損耗會比較嚴(yán)重會造成的斷絲。

1.3.6 跟電極絲有關(guān)的斷絲? 電極絲的選擇需要綜合考慮電極絲的種類、直徑、導(dǎo)電性、韌性、直線度和均勻性等幾個因素，電極絲選擇得當(dāng)會大大減少斷絲的發(fā)生，常用的電極絲材料有鉬絲、鎢絲、鎢鉬合金、黃銅絲、銅鎢絲等。鉬絲由于抗拉強度高，具有良好的導(dǎo)電性和較好的韌性，可以使其在頻繁的急熱急冷變化中，不易變脆而斷絲，廣泛應(yīng)用數(shù)控切割機床中;另外，電極絲的直線度和均勻性在放電加工中也是十分重要的，切割中的電極絲不應(yīng)出現(xiàn)彎折、打結(jié)現(xiàn)象。一般情況下，選擇直徑在0.06～0.30mm之間為宜，常用的在0.12～0.18mm之間。

1.3.7 跟切割工藝參數(shù)有關(guān)的斷絲? ①工藝參數(shù)設(shè)置不合理造成的斷絲。②對于大厚度零件，通常排屑困難，工作液很難進入到切縫中去，因此進給速度不能太快，否則容易出現(xiàn)短路或者拉弧現(xiàn)象，從而很快燒斷鑰絲。③對于薄壁類零件，如果進給速度選擇過快，也容易造成頻繁短路，鉬絲也很容易燒斷或拉斷。

2? 數(shù)控線切割機床的斷線保護裝置設(shè)計

數(shù)控線切割機床在使用時，電極絲容易出現(xiàn)重復(fù)疊繞和夾絲，使電極絲運動的精度降低，電極絲出現(xiàn)抖動斷絲的情況，而且電極絲在松弛或過緊的狀態(tài)時，也導(dǎo)致斷絲的情況增加，同時當(dāng)電極絲斷裂后，電機還在繼續(xù)運轉(zhuǎn)，送出的電極絲纏繞在儲絲筒上很難清理，造成電極絲報廢的問題。針對上述問題，設(shè)計一種具備斷線保護裝置的數(shù)控線切割機床。本數(shù)控線切割機床的結(jié)構(gòu)主要有床身、軸驅(qū)動機構(gòu)、供絲機構(gòu)、冷卻液噴淋裝置、絲架、支撐架、固定板、固定夾組件、保護箱、電極絲、工作臺、豎直驅(qū)動架、廢絲收集箱、操控箱、滑軌等幾個結(jié)構(gòu)組成。往復(fù)走絲線切割機床中，運絲系統(tǒng)會直接影響機床的結(jié)構(gòu)和加工效果，所以走絲機構(gòu)的設(shè)計非常重要，這也是專用機床和普通機床一個重要差異。更為重要的是走絲機構(gòu)和張緊機構(gòu)又是緊密聯(lián)系，走絲機構(gòu)會決定電極絲的張緊效果、收絲范圍、加工范圍、加工效率，而張緊機構(gòu)也會對走絲機構(gòu)產(chǎn)生影響，兩者相互影響。如圖2所示。

該裝置在電極絲線架機構(gòu)上設(shè)置一個由緊絲輪和限位開關(guān)組成的斷絲保護裝置。工作時，將切割產(chǎn)品固定在工作臺上，利用操控箱開啟軸驅(qū)動機構(gòu)，利用電極絲對產(chǎn)品進行外形切割，使用后的電極絲被收集到廢絲收集箱中;軸驅(qū)動機構(gòu)位于兩處固定塊之間，且連接桿穿過通孔，同時將兩處推動螺桿向中間位置旋轉(zhuǎn)，使墊片緊貼于背板左右兩側(cè)，保證軸驅(qū)動機構(gòu)固定更加平穩(wěn)，能夠防止電極絲抖動，降低斷絲的可能性，提高了電極絲的保護能力，并且其安裝操作方便;利用電松緊，電極絲在松緊適宜的情況下不易斷絲，提高了結(jié)構(gòu)的合理性;當(dāng)下導(dǎo)輪和上導(dǎo)輪之間電極絲斷開時，上絲臂向上彈起呈豎直狀態(tài)，同時上絲臂頂端會按壓到碰觸開關(guān)，碰觸開關(guān)處于閉合時，能夠控制電機使其自動停止，從而未使用的電極絲不會繼續(xù)抽出，有效防止堆積浪費。

3? 單因素試驗研究

為了了解加裝斷線保護裝置前后的不同效果，固定絲架上下導(dǎo)輪之間的跨距，保持電極絲張緊力為8N情況下，本實驗利用高速攝影儀拍攝數(shù)控線切割機床于不同走絲速度下（分別是3、4、5、6、7、8、9、10m/s），檢測電極絲振動幅值變化的情況，如表1、表2所示。

通過表格數(shù)據(jù)對比可知：未安裝保護裝置之前，電極絲振動幅值較大，在0.1～0.18mm之間，安裝后電極絲振動幅值在 0.1～0.15mm。同比，安裝后的裝置降低了電極絲振動的幅度0.03mm，減小了斷絲的可能性，提高了加工精度。

通過對比分析可知，電極絲走絲速度從3m/s到10m/s逐漸增大的過程中，電極絲的振動幅值呈現(xiàn)先增大后減小的拋物線趨勢。分析原因主要有：①走絲速度在5m/s以下時，電極絲振動幅值較小;②當(dāng)走絲速度接近8m/s時，電極絲和導(dǎo)輪發(fā)生共振現(xiàn)象，振動幅值突然大，振動幅達到最大;③當(dāng)電極絲走絲速度超過8m/s時，共振現(xiàn)象逐漸消失，其振動幅值逐漸減小。

4? 結(jié)論

綜上所述，工件材料的不同、工作液的性能優(yōu)劣、導(dǎo)電塊、導(dǎo)輪的磨損、儲絲機構(gòu)精度的下降、編程路徑的選擇、電極絲的磨損和張緊力的大小以及切割工藝參數(shù)的合理性等都是造成斷絲的原因，都與穩(wěn)定線切割加工過程，提高線切割加工質(zhì)量和延長電極絲的使用壽命有關(guān)。①本文根據(jù)數(shù)控線切割機床的加工特點，設(shè)計對稱緊絲裝置設(shè)置一個由緊絲輪和限位開關(guān)組成的斷絲保護裝置，解決了實際加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的“跳槽”的電極絲脫離導(dǎo)輪現(xiàn)象。②利用高速攝影儀，保持電極絲張緊力為8N下，利用單因素試驗，電極絲走絲速度分別選擇3、4、5、6、7、8、9、10m/s8個水平，研究安裝斷線保護裝置前后走絲速度和電極絲振動的規(guī)律。電極絲的振動幅值從最大0.18μm降為0.15μm，說明斷線保護裝置有效的減小了電極絲的振動，減小了斷絲的可能性;另外，在5m/s以下，由于走絲速度較低，電極絲振動幅值總體偏低，運行比較平穩(wěn);最后，在安裝保護裝置前后對比電極絲的振動幅值，呈現(xiàn)先由小變大、再由大減小的拋物線趨勢，都是在8m/s達到最大值，分析主要原因是當(dāng)走絲速度接近8m/s時，電極絲和導(dǎo)輪發(fā)生共振現(xiàn)象，振動幅值突然大，振幅越大，越容易脫線，容易造成斷絲。所以在加工時，要盡量避開共振速度。③電火花線切割加工中，為了減少斷絲現(xiàn)象，加工出符合要求的工件，要做到以下幾點：第一，為減少因工件材料引起的斷絲，材料應(yīng)選擇鍛造性能好、淬透性好、熱處理變形小的材料，這種鋼材中碳化物分布均勻，加工穩(wěn)定性強;第二，及時更換工作液，保持一定的清潔度，保證上、下噴嘴不阻塞、流量合適;第三，合理選用脈沖電源參數(shù)，加工不穩(wěn)定時要及時調(diào)整變頻進給速度等;第四，經(jīng)常調(diào)整導(dǎo)電塊的角度到合適的位置，改變其與鉬絲的接觸位置，避免過度磨損，以保證加工的穩(wěn)定性;第五，避免儲絲筒的軸和軸承等零件因磨損而產(chǎn)生間隙，引起絲抖動而斷絲;儲絲筒后端的限位擋塊需調(diào)整好，避免貯絲筒沖出限位行程而斷絲。因此應(yīng)該定期檢測儲絲筒精度并調(diào)整;第六，要保證定期清洗導(dǎo)絲模塊防止被污垢堵塞，從而妨礙電極絲順利走絲，引起斷絲;第七，選擇合理的張緊力、進給速度等切割工藝參數(shù);第八，在切割完畢時，切除部位會在重力的作用下墜落，電極絲極易被夾斷，可采用磁鐵吸附、夾板夾持等方法及時固定，有效改善了切割機床的斷線情況，提高線切割機床的加工效率以及企業(yè)的競爭力。

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