摘要：高速往複走絲電火花線切割機（jī）床大錐度（≥±５°）切割時，受到諸多因素的影響，尤其是（shì）電極絲采用導（dǎo）輪定位產生的結構誤差的影響，加上切割時工作液不能很好地包裹住電極（jí）絲並隨著電極絲（sī）沿（yán）傾斜（xié）方向進入加工區域，使其加（jiā）工精度和（hé）表（biǎo）麵（miàn）粗糙度比直體（tǐ）切割時差很多，對於錐度零（líng）件的多次切割特別是大錐度（dù）零件的多次切割則（zé）顯得更加（jiā）困難，其根本原（yuán）因是沒有能夠保持電極絲空間位置及穩定性的隨動導絲器和噴水機（jī）構。為此，設計了一種隨著（zhe）電極絲傾斜能隨動導（dǎo）絲並跟蹤噴液的六連杆大錐度（dù）隨動導絲及噴水機構。通（tōng）過試（shì）驗，在相（xiàng）同加工參數條件下（xià），新型隨動機構與現有機構相比，圓錐加（jiā）工誤差從８０μｍ減小到４０μｍ，表麵粗糙度Ｒａ從（cóng）４．０５９μｍ減小至３．４９５μｍ，多次（cì）切割後加工精度可以達到２５μｍ（錐（zhuī）度±２０°，工件（jiàn）厚４０ｍｍ），表麵粗糙度Ｒａ達到１．６７０μｍ。
 
      關鍵（jiàn）詞：高速電（diàn）火花線切割；大錐度；隨動機（jī）構；多（duō）次切割
 
      ０　引言
 
      作為（wéi）高（gāo）速往複走絲電火花線切割（ＨＳＷＥＤＭ）機床的重要品種（zhǒng）———錐度線切割機床已廣泛應用於成形刀（dāo）具、電火（huǒ）花成形加（jiā）工用（yòng）電極、塑料和橡膠擠出模、拉（lā）絲模、模具鑲拚件及多種零件（如斜齒（chǐ）輪、葉片等）的加（jiā）工領域［１］。錐度工件特別是大錐度（≥±５°）工件切割時，由於受多種因素（尤其是電極（jí）絲采用（yòng）導輪定位產生的各種結構誤差）的影響，加（jiā）上大錐度（dù）切割時工作液不能很好地包裹（guǒ）住電極絲且（qiě）不能隨著電極（jí）絲沿傾斜方向進入加工區域，其加工精度和表麵粗糙度比直體加工時差（chà）很多，切割過程中斷絲概率也較高，因此對於錐（zhuī）度零件的（de）多次切割特別是大錐度零件的多次切（qiē）割顯得更加困難。
 
      １　、現有大錐度切割存在的問題及處理方法
 
      １．１　現有大錐度結構
 
      現有大（dà）錐度切割（gē）的ＨＳＷＥＤＭ 通（tōng）常由普通四連杆擺動式大錐度線架實（shí）現，如圖１所示［２］。導（dǎo）輪在四連杆帶動下可以在Ｕ 方（fāng）向（xiàng）進行平移及在Ｖ 方向進行（háng）偏擺（bǎi）。采用導輪對電極絲進行定位存在以下問題：首（shǒu）先會產生錐度切割時電極絲的交切誤差，如（rú）圖２所示。錐度切割過程中，當進行Ｕ 向平移時（shí），電極絲在（zài）導輪上的切點將從直體切割時的Ａ、Ｃ點轉變成錐度切割時的Ｂ、Ｄ 點，這就形成了實際電極絲位置和理論電極絲（sī）位置的誤差（chà），即交切誤差（chà）ｂ（圖２）。交切誤差隨著切割錐度的增大和導輪直徑（jìng）的增大而加（jiā）大。雖然交切誤差可（kě）以通過插補計算的誤差補償進行修正，但由於大錐度切割時電極絲的空（kōng）間位置的不穩定和（hé）不確定性，誤差補償大（dà）多數情況下反而適得其反。因此，如（rú）需要進（jìn）行精密的大錐度切割時，必須首先保持電極絲空（kōng）間位置的一致性和穩（wěn）定（dìng）性，采用導絲（sī）器對電極絲進行限位是行之有效的方法。其次，采（cǎi）用導（dǎo）輪對電極絲進行（háng）定位時，噴（pēn）水嘴為避免與
電極絲（sī）在Ｕ 方向（xiàng）平（píng）移（yí）時形成（chéng）幹涉，通常（cháng）做成沿Ｕ方向長槽式的多出（chū）水（shuǐ）孔噴嘴，如圖３所示。此時對電極絲的冷卻無法保證工作液從噴嘴噴出後包裹住電極絲，且對電極絲產生擾動，如圖４所示。所以該方式對加工區域的冷卻效果很差，影響切割（gē）精度（dù）和表麵質量。
  
  
     
      圖１　現有四連杆擺動式大錐度（dù）線架
  
     

      圖２　導輪定位Ｕ 向交切誤差示意圖
  

    
  
      圖３　長槽式噴水板結構
 

      圖４　Ｕ 向（xiàng）平移時電極絲單邊“水幕”現象
 
      １．２　現有大錐度（dù）切割工作液擾動分（fèn）析
 
      線切（qiē）割加工的工作液都具有一定的（de）黏度［３］，在電極絲走絲時（shí），就會因電（diàn）極絲的運動而產生剪切（qiē）流動，這種流動的根源在於流層間的黏性摩擦作（zuò）用（yòng）［４］。穩定（dìng）切割過程（chéng）中，理想條件下工作液能夠均勻包裹住（zhù）電極絲，如圖５所示。加工過程中為（wéi）使極間蝕除產物能夠及時排除，需要保證放電間隙（xì）工作液具有較大流量［５］。流量（liàng）大（dà）時，由於工
作（zuò）液重力及水流的噴射（shè）壓力作用，工作液自身（shēn）流向為垂（chuí）直於工作台麵方向（xiàng），而錐度切割時，電極（jí）絲傾斜一定（dìng）的角度，工作液流向不平行於電（diàn）極絲（sī），因此對（duì）電極絲產生擾動。正向走絲（電極絲由上向下走絲）時，電極絲對工作液的剪（jiǎn）切力垂直方向分力與工（gōng）作液自身重力及工（gōng）作液（yè）噴射壓力同向，電極絲傾（qīng）斜一定角度時，由於電極絲對工作液的剪切力作用，工作液在電極絲一側產生“水（shuǐ）幕（mù）”（圖６ａ），對電極絲產生擾動，使加工不（bú）穩定，加工（gōng）時采集的放電脈衝波形如圖７ａ所示。電（diàn）極絲反向（xiàng）走絲（電極絲由下向（xiàng）上走絲）時，剪切力垂直方向分力與（yǔ）工作（zuò）液自（zì）身重力及水流噴射壓力反向（xiàng），避免了“水（shuǐ）幕”現象產生，如圖６ｂ所示，工作液對電極絲的（de）幹擾較小，脈衝波形如圖７ｂ所示。

          
        圖５　理想條件下工作液包裹電（diàn）極絲
 
        根據流體動量定律：係統內的流體動量的（de）時間變化率等於作用在係統上的外力矢量和［６］，即
  
       
 

       
        圖６　電極絲不同走向時工作液擾動情況

     
        圖７　錐度切割電極絲正反向（xiàng）走絲時脈衝波（bō）形（界麵圖）量和。
 
        式（１）中，等號左（zuǒ）邊表示係（xì）統內的流體動量，等號右邊表示作用在係統上的外（wài）力矢量和。假（jiǎ）設流體斷麵速（sù）度為常數，ｖ１、ｖ２分別為兩斷麵速度。
 
        由於封閉係統中，流體單位時間（jiān）內流量Ｑ恒定，所以各方向動量方程為（wéi）

       大錐度切（qiē）割實驗中，取單位時間工作液質量（liàng）為δｍ，初始速度取（qǔ）為ｖ１，其方向垂直於工作台麵（圖８中Ｙ 方向），到達電極絲時（shí）工作液速度可視為與電極絲（sī）速度相等，ｖ２方向與電極絲方向平行，如圖８所示。圖８中，Ｆｘ、Ｆｙ分別為（wéi）電極絲對工作液的剪切力在Ｘ、Ｙ 方向上的投影。將上述條件代入（rù）式（２）可得

     

     
      圖９　電極絲受力（lì）情況
  

     ２　、六連杆大錐度隨動導絲（sī）及噴水機構（gòu）原理
 
　　 針（zhēn）對現有的ＨＳＷＥＤＭ 在切割大（dà）錐度（dù）工件時電極絲定位和噴水裝置不能實現隨動導絲及噴水（shuǐ）的問題，設（shè）計了一種六連杆（gǎn）大（dà）錐度隨動導絲及噴水機構，其原（yuán）理如圖１０所示［８］。
 

    

     圖１０　六連杆大錐度隨動導絲（sī）及噴水機構結構示意圖（tú）
 

     六連（lián）杆大錐度隨動導絲及噴水機構（gòu）Ｕ 向傳動過程如下：在Ｕ 向電機的傳動下，通過齒輪、絲杠６帶動上直線軸７前後運動。此時整個上直線軸７和下連（lián）杆１５的前後旋轉中心為下線臂後端點Ｇ。當（dāng）上直線軸７前伸或後退時，上連杆１１向前或向後（hòu）運動，通過轉動點Ａ帶動（dòng）上導絲器１０繞旋轉中心點Ｃ順時針或逆時針旋轉，如圖１１所示，與此同時下連（lián）杆１５在套筒連杆１７的帶動（dòng）下也會向前運動並通過轉動點Ｂ帶動下導絲（sī）器１２繞旋轉中心點Ｄ 順時針或逆時針旋轉。這樣的運動（dòng）可以保證上（shàng）下導絲（sī）器轉動一個角度，使得導絲器內的硬質定位塊Ｖ形槽（cáo）與電極絲始（shǐ）終重合。上連杆１１與下連杆１５的距離在運動過（guò）程中必然（rán）會產生伸長和縮短變化（huà），這些變化可以由套筒（tǒng）連杆１７自動伸長和縮短來補償。Ｕ向的定位原理（lǐ）如圖１２所示。在（zài）運動過程中電極絲的伸長量由恒張力機構３進行補償，走絲係統的進電由上下進電塊８、１４完成。
  

    
  
      圖（tú）１１　錐（zhuī）度頭（tóu）Ｕ 向運動時隨動噴水導絲器運動圖
  

    
  
      圖１２　Ｕ 向定位原理圖
 
      設（shè）計的六連杆大（dà）錐度隨動導絲及噴水機構由於電（diàn）極絲方向（xiàng）始終（zhōng）與導絲器中的Ｖ形槽重合，設計於導絲器上的噴水嘴噴出的工作液始終能包裹住電極絲並隨電（diàn）極（jí）絲進入加工區，因（yīn）此能起到很好的洗（xǐ）滌、冷卻和消電（diàn）離作用［９］，對加工（gōng）精（jīng）度、切割效率和表麵質量的提（tí）高起到積極作用。其（qí）機構裝置與加工過程如圖１３與圖１４所示。
  

     
  
      圖１３　隨動導絲及噴水機構實物裝置
  
  

     
  
      圖１４　隨（suí）動導絲及噴水機構加工現場（chǎng）
  

      ３　、隨動（dòng）噴水及導絲加工（gōng）工（gōng）藝試驗
 
     分別采用現有大錐度機（jī）構與設計的隨動導絲及噴水機構進行錐度切割試驗（yàn）。試驗條件如表１所示。
 
                                 表１　試驗（yàn）條件
     
  
  
     ３．１　工件表麵質量影響
 
     試驗切割材料為厚（hòu）２０ｍｍ 的Ｃｒ１２，切割形狀為２０ｍｍ×２０ｍｍ錐（zhuī）度±２０°的四（sì）方錐體，試驗參數如表２所示。
 
 
                             表２　切割電參數
  
     
  
     不同噴（pēn）液條件下工件表麵質量如圖（tú）１５～圖１７所示。現有噴液方式下工件（jiàn）表麵粗糙度Ｒａ＝４．９７６μｍ，隨動噴液方式下工（gōng）件表麵（miàn）粗糙度Ｒａ＝３．２８４μｍ。
 

      圖１５　工作（zuò）液帶入量不足時工件表麵形成燒傷
  
  
     
      圖１６　工作液擾動時工件（jiàn）表麵凹凸不平（píng）
  
     
  
      圖１７　隨動噴液加工時工件表麵平（píng）整

     由圖１５～圖１７可知，現有大錐度噴液方式工作液（yè）帶入量不穩定，當加工區域工作液不足時（shí），極間蝕除產物沒有及時排出，導致工件表麵得不到及（jí）時冷卻而出現燒傷；當工作液流量較（jiào）大時，錐度加工中其噴射方向和電極絲走向角度時刻（kè）變化，工作液對電極絲的擾動力發生變化，導致工件表麵形成凹凸不平的（de）表麵；而隨動噴水在保證加工區域洗滌性能的同時減小了對電極絲的擾動（dòng）力，工件（jiàn）表麵平（píng）整（zhěng）均勻。
 
      ３．２　工件精度影響（xiǎng）
 
      試驗（yàn）切割（gē）材料為厚２０ｍｍ 的Ｃｒ１２，切割形狀為底徑２０ｍｍ、錐度±２０°的圓錐體。試驗參數同表（biǎo）２。切割工件精度如表３所示。
 
                     表３　不同機構切割工件圓度誤差值μｍ
  
     
  
      隨動導絲及噴水機構切割大錐度工件時電極絲始終垂直穿過導絲器，由導輪跳動和工（gōng）作液（yè）擾動形（xíng）成的擾動產生的振動通過導絲器的阻（zǔ）尼作（zuò）用減弱消除［１０］，電極絲空間穩定性和一致性得到保證，零件（jiàn）加工精度相對現有機構有所提高。
 
      ３．３　大錐度多次切割影響
 
      試驗切割材料（liào）為厚４０ｍｍ 的Ｃｒ１２，切（qiē）割形狀為底徑４０ｍｍ、錐度（dù）±２０°的圓（yuán）錐體。試驗參數如表（biǎo）４所（suǒ）示。
 
                                   表４　多次切割電參數
  
     
  
      多次切割工件表麵紋理如圖（tú）１８所示。兩種（zhǒng）機構切割工件表麵粗糙度和精度如表（biǎo）５、表６所示。
 

     
　
     （ａ）現有機構多次切割工件表麵紋理  （ｂ）隨動機構多次切割工件（jiàn）表麵紋理
      圖１８　不同大錐度機（jī）構切割工件表麵
 

               表５　兩種機（jī）構切割工件表麵粗糙度 Ｒａ μｍ　
     
  
  
                     表６　兩種機構（gòu）切割工件圓（yuán）度誤差值 μｍ　

      
   
　    多次切割過程中，一次切割是雙麵對稱餘量加工，此時電極絲是在一個封閉（bì）的環境中進行切割加工（gōng）的，對電極絲振動的阻尼（ní）作用較（jiào）大，同時（shí）有利於電極（jí）絲在切縫中的穩定［１１］；而（ér）第（dì）二次（cì）切割是單邊餘量加工，加工時（shí）作（zuò）用在電極絲上的放電力是不對稱的（de），電極絲兩側的阻尼狀態也不一樣，此時切縫對電極絲振幅的約束作用大大減弱，如（rú）圖１９所示［１２］。現有機構大錐度多次切割，由於沒有能夠保持電極（jí）絲空間位置及穩定性的機（jī）構，加上工作液（yè）對電極絲的擾動力，電極（jí）絲振動（dòng）影響加大，多次切割工件表麵效果很差。
 

     
       圖１９　多（duō）次切割（gē）放（fàng）電與（yǔ）單次切割放電的區別
 
     隨動導絲及噴水機構大錐度切割過程中工作液噴射（shè）方向始終與電（diàn）極絲平行，且導絲器減小了電極絲的（de）振動，多次切割（gē）過程中能夠保持電（diàn）極絲空間位置的穩定性，使多次切割電極絲重複定（dìng）位精度提高，能夠實現多次切割，大大（dà）提高了工件表麵質量及精度。
 
     ４、　結語
  
     本文通過對現有電火花大錐度切割機構與隨動導絲及噴水大錐度切（qiē）割機構的分析，討（tǎo）論了現有大（dà）錐度機構存在問題，並提出相應的解決（jué）措施；通過對比試驗驗證了隨動導（dǎo）絲及噴水機構結構的合理性。設計的隨動導絲及噴水機構能夠（gòu）保證工作液的洗滌性能，在穩定電極（jí）絲空間位（wèi）置作用的同時可減小對電極絲的（de）擾動和幹涉作用，大大提高了電火花大錐度切割（gē）工件的表麵質（zhì）量（liàng）及精度。