快走絲線切割機床螺旋線加工工裝的研究
2016-4-28 來源：成都工業學院電加工實驗室 作者：丁義超 羅垂敏 江書勇 胥宏
摘要: 快走絲電火花線切割在金屬加工領域得到廣泛應用，在加工精度和速度方面不斷滿足行業發展的需要，但都是以較簡單的平面加工為主，無法實現立體曲面的加工，嚴重制約了線切割加工的應用范圍。提出一種新型螺旋線加工的工裝夾具，增加了工件的旋轉運動，并從機械結構設計、電氣控制系統及曲面加工理論和編程方面闡述了其加工原理，極大地提高了被加工零件的復雜程度，滿足了發展的需求。
關鍵詞: 線切割機床; 螺旋線加工; 工裝夾具
快走絲電火花線切割加工是現代金屬加工中的一種特種加工方法，它是利用脈沖放電的電腐蝕作用來蝕除金屬而達到尺寸加工的目的。它不僅能夠加工傳統切削難以加工的高硬合金材料，而且可以加工形狀復雜的各種模具和零件，因此在機械、電器、儀表、汽車、輕工和國防等行業及部門中獲得了廣泛的應用。隨著我國經濟實力的不斷提升，機械行業有了長足的發展，國內廣大用戶對線切割機床加工提出了更高的要求，對加工形式多樣化的需求也不斷地增加。但是當前線切割機床也存在著很大的不足之處，就是加工過程中所能使用的工裝設備太少，嚴重制約了它加工潛能的發揮。因此，快走絲電火花線切割機床很難像擁有大量國際國內設備廠家為其生產專用工裝的數控銑床和加工中心一樣，最大限度地提升機床的加工范圍和加工潛力。為此有必要在線切割機床工裝夾具應用方面，研發專用的工裝系列來拓展機床的加工范圍。
目前國內快走絲電火花線切割機床的加工僅有直壁加工和帶有一定錐度的加工兩種形式，帶有空間曲面結構的零件在許多領域的關鍵部位得到應用，但其獲得的難度較大［1］。國外慢走絲線切割機床能夠實現的功能在我國獨有的線切割機床上卻無法實現，國內電火花線切割機床一般利用附加裝置實現某些空間零件的加工，國內外的學者正積極進行這方面的研究與開發［2 － 5］。而尚未開發出能加工螺旋線等特殊曲面形狀的線切割機床工裝。上述加工任務僅靠機床簡單結構改裝是無法完成的，為此作者借鑒數控機床設計的理念，在機床上增加一些輔助工裝來擴充其加工范圍，實現具有代表性螺旋線等特殊形狀的加工。比如要加工小型彈性聯軸器上的螺旋槽，其槽寬0. 3 mm，采用彈簧鋼淬火，用普通設備就很難實現加工或成本太高，如在快走絲電火花線切割機床上配置一套第四旋轉軸輔助工裝，就非常容易實現這樣的加工，且費用較低。為實現這一功能，下面分別從機械結構、電氣控制系統以及編程方法等方面進行具體的設計和改進。
1 螺旋線加工工裝機械結構設計
螺旋線加工工裝能實現螺旋線加工合成運動中的旋轉運動，保證螺旋線加工中的基本運動關系即: 工件沿軸向每移動一個螺距的距離，工件旋轉一周。利用螺旋線加工工裝可加工螺旋線、螺旋管、正弦線等特殊曲面。螺旋線加工工裝傳動鏈: 步進電機→兩級減速齒輪傳動→三爪卡盤，具體結構見圖1。
圖1 螺旋線加工工裝示意圖
為便于對螺旋線加工工裝的旋轉運動進行編程與控制，在工件基準螺距為5 mm 時，步進電機每旋轉一個步距角，傳動鏈輸出位移為0. 001 mm，其傳動關系為: 文圖1
根據此關系式選擇步進電機步距角及總傳動比為:
多級減速器各級傳動比的分配，直接影響減速器的承載能力和使用壽命，還會影響其體積、重力和潤滑?？紤]電火花線切割加工切削力很小可忽略、工作環境( 閉式傳動) 較好及工況系數小的條件，傳動比按以下原則分配: 使各級傳動承載能力大致相等;使減速箱體的尺寸與質量較小; 使各級齒輪圓周速度較小; 采用油浴潤滑時，使各級齒輪副的大齒輪浸油深度相差不大。確定各直齒圓柱齒輪齒數為:
為保證工裝旋轉精度，一方面對零件的制造精度和裝配質量提出較高要求。如要求采購的向心球軸承為D 級精度，齒輪加工采用精密滾齒后研磨方式可保證7 級精度，減速箱體齒輪安裝孔中心距公差小于0. 02 mm，見圖2
圖2 減速箱體
另一方面在傳動零件的設計中考慮了特殊結構，如在關鍵傳動零件齒輪設計中將單個大齒輪設計為兩個薄片齒輪組合形式，兩個薄片齒輪同心且用彈簧聯接，這樣當大齒輪與小齒輪嚙合時，兩個薄片齒輪分別與小齒輪一個齒的齒廓兩側面接觸，從而消除了齒輪正反轉轉換時存在的齒側間隙， 保證傳動精度，見圖3。
圖3 雙聯薄片齒輪
為滿足加工雙曲面工件要求，增加角度調整裝置，利用圖4 所示由支架、支承座、轉軸和鎖緊螺釘組成的角度調整裝置可加工α≤30°的雙曲面。支承座和轉軸采用標準直線滾動組件，支承座內裝有精密直線軸承，保證減速箱體繞轉軸旋轉精度。
圖4 角度調整裝置示意圖
2 電氣控制系統設計
2. 1 電氣控制原理
為了實現對步進電機的控制，需要采用一個專用電源來給步進電機供電，這個專用電源就是驅動電源，也叫做驅動電路。驅動電源受指令脈沖的作用，產生脈沖分配信號，并把脈沖信號進行功率放大，從而按照設定的順序，決定步進電機哪相繞組通電、以及通過電流的大小和方向。從步進電機的每相繞組來看，所施加的電脈沖相當于各相繞組輪流接通到直流電源上，這個輪流接通電源的任務( 即繞組的通電方式) 由脈沖分配模塊來完成。脈沖分配模塊或脈沖分配器，過去由電子電路組成( 環形分配器) ，現在多以軟件來實現。脈沖分配器受指令脈沖和方向脈沖的作用，產生脈沖分配信號。驅 動電源( 驅動器) 的構成如圖5 所示，除脈沖分配器之外，還有功率放大電路。
圖5 驅動電源的一般結構
2. 2 電氣控制結構和功能
根據零件的加工原理，空間曲面的加工工裝和電火花線切割鏜磨小孔工裝均需要工件做旋轉運動，因此必須增設第四軸即旋轉軸。為了盡量做到通用化，滿足此課題提出的針對整個控制系統不能做較大改動的指導思想，第四軸旋轉電機仍然采用步進電機，型號為75BF003。改造后的驅動電源結構如圖6 所示，通過切換裝置，將橫向( 即X 軸) 步進電機與旋轉步進電機進行切換，以滿足加工要求。具體實現框圖如圖7 所示。
圖6 改造后的驅動電源結構
圖7 步進電機驅動實現示意圖( 改進部分)
3 空間曲面加工的理論推導及編程
為了使此工裝具有通用性，其編程格式應保持不變。但由于工裝采用了一個旋轉軸，其運動形式為一個旋轉軸和一個移動軸聯動，加工坐標系統也由原來的直角坐標系變為極坐標系。因此，3B 代碼中的數值一個確定移動距離，而另一個則確定旋轉角度。為了幫助用戶較快掌握編程方法，現列出一種曲面加工編程方法。
3. 1 單葉雙曲面加工
( 1) 工作原理
如圖8 所示，通過工裝把鉬絲和工件調整到一固角度后，然后讓鉬絲切入工件，到達指定切削深度后，讓工件繞自身中心軸線旋轉360°進行切割加工，從而形成一個單葉雙曲面，其曲面的曲率由鉬絲和工件之間的夾角確定。
( 2) 數值計算
將工件沿平行于旋轉中心剖開，然后展開成一個平面后，其鉬絲上任一點與工件的運動軌跡為一直線，如圖9 所示。其中，L 為運動軌跡的弧長，r 為鉬絲上任一點與工件中心的距離，即半徑值。
圖8 單葉雙曲面加工示意圖 圖9 單葉雙曲面展開圖
∵ 弧長= 弧度× 半徑∴ 弧度= 弧長÷ 半徑; 運動軌跡的弧度α1 = Lr= 2πrr = 2π，運動軌跡的角度θ1= 2π × 180° = 360°。設步進電機的步距角為θs( 步距角，即在沒有減速齒輪的情況下，對于一個脈沖信號號，轉子所轉過的機械角度) ，則旋轉360°所需的脈沖數為:ΔN = 360° /θs( 1)式中: ΔN 四舍五入取整。
( 3) 編程格式
加工如圖10 所示雙曲面零件圖，其程序為:B ( D － d) /2 B0 B ( D － d) /2 GX L1 B0 B( ΔN)B( ΔN) GY L2
圖10 雙曲面零件圖
3. 2 圓柱式螺旋線加工
( 1) 工作原理
圖11 圓柱式螺旋線
加工如圖11 所示圓柱式螺旋線，通過工裝把工件水平放置，然后調整鉬絲通過圓心，控制沿X 向移動和繞X 向轉動，進行聯動切割，從而可以切割出一條具有一定導程的螺旋線。
圖11 圓柱式螺旋線
2) 數值計算
圖12 圓柱式螺旋
線展開圖
將工件沿側面展開成一個平面后，其螺旋線在展開平面上為一直線，如圖12 所示。L 為旋轉運動的弧長，n 為螺旋線圈數，r 為圓柱半徑， 即投影半徑，ΔX 為X 方向移動距離。
圖12 圓柱式螺旋線展開圖
∵ 弧長= 弧度× 半徑∴ 弧度= 弧長÷ 半徑; 螺旋運動的弧度α2 = Lr= 2πnrr=2nπ，旋轉運動的角度θ2 =2πnπ ×180° =360°n。設步進電機的步距角為θs，則旋轉360n 所需的脈沖數為:ΔN = 360n /θs( 2)式中: ΔN 四舍五入取整。同時設螺旋線的導程為p，則:ΔX = n × p ( 3)( 3) 編程格式B( ΔX) B( ΔN) B( ΔN) GY L2例: 螺旋線的導程為3 mm，要加工5 圈，步距角為0. 072°。根據題意，得到p = 3，n = 5，θs = 0. 072°，ΔN= 360n /θs = 360 × 5 /0. 072 = 25 000 ( 個) ，ΔX = n × p= 5 × 3 = 15 mm。則其3B 程序為: B 15000 B 25000 B 25000 GY L2
3. 3 正弦直紋曲面加工
( 1) 工作原理
圖13 正弦直紋曲面
加工示意圖
加工如圖13 所示正弦直紋曲面，通過工裝把工件水平放置，然后把鉬絲穿孔通過圓心，控制沿X 向移動和繞X 向轉動，并使直線運動和回轉運動的速比滿足正弦函數關系而進行聯動切割，從而得到正弦直紋曲面。
圖13 正弦直紋曲面加工示意圖
( 2) 數值計算
將工件沿側面展開成一個平面后，其正弦線在展開平面上為正弦線，如圖14 所示。為了使直線運動和回轉運動的速比滿足正弦函數關系，采用等間距法，如圖15 所示。等間距法是使橫坐標的增量ΔX相等，然后求出線上相應的節點，將相鄰節點連成直線，用這些直線段組成的折線代替原來的輪廓曲線。由于增量ΔX 代表的是旋轉的角度，其特點是計算簡單，坐標增量的選取可大可小，選得越小則加工精度越高，同時節點會增多。
圖14 正弦曲面展開圖
圖15 正弦曲線直線化
如果在圓周上加工兩組正弦曲面; 如Y =AsinωX，取ΔX = 0. 2°，則Xn = Xn － 1 + ΔX = Xn － 1 +0. 2，則相對應的Y 向移動距離為:Yn = Asin( ωXn) － Asin( ωXn－1) ( 4)由于在圓周上加工正弦曲面，角度范圍為0 ～360°，根據對稱性，實際運動范圍為0 ～ 180°。
( 3) 編程格式
例: 在圓周上加工2 組正弦曲面，Y = 5sin2X，取ΔX = 0. 2°，則先計算各等分點:X0 = 0; Y0 = 5sin( 2 × 0) = 0;X1 = 0. 2; Y1 = 5sin( 2 × 0. 2) － Y0X2 = X1 + 0. 2 = 0． 4; Y2 = 5sin( 2 × 0. 4)－ Y1;…Xn = Xn － 1 + 0. 2; Yn = 5sin( 2 × Xn) － Yn － 1合成橡膠，通常以共聚物中含氟單元的氟原子數目來表示，如氟橡膠23 是偏二氟乙烯同三氟氯乙烯的共聚物。由于氟橡膠耐高溫、耐油、耐化學腐蝕，采用氟膠作為防塵圈，對高溫的適應性增強，外界灰塵不易進入缸內，使液壓缸在超高溫狀態( 大約200 ℃)下工作可靠。
3 應用效果
該產品的主要技術與性能指標見表1
表1 參數表
由表1 可知，此產品能在高溫環境( 相對于液壓缸來講200 ℃ 較高) 中工作，可用較輕質量的液壓缸提升金屬冶煉中的爐蓋及高端裝備的動作，產生的壓力較大，效果顯著。圖2 為液壓缸的實物圖。
圖2 產品實物圖
4 結論
由于此產品開發中采用了液壓與機械相結合的技術，利用了兩者的優點，避免了兩者的缺點，特總結如下:( 1) 操作方便省力，大大降低工人勞動強度。采用旋轉夾緊液壓缸，為爐蓋的起升提供了穩定的動力與控制;( 2) 使用這種旋轉夾緊液壓缸，滿足產品的需要的同時成本大大減少;( 3) 節省輔助時間，提高效率。這種高溫旋轉夾緊缸節省了較大的空間( 傳統產品空間較大) 和減少了較多的成本。
( 4) 為在高溫環境中工作的類似夾具提供理論與實際參考。
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( 上接第43 頁)
…X900 = 180; Y900 = 5sin ( 2 × 180) － Y899，取θs = 0. 072°，則ΔN = 0. 2 /θs = 2. 778≈3，所以3B 代碼為:B 3 B ( Y1) B ( Y1) GY L1B 3 B ( Y2) B ( Y2) GY L1…B3 B ( Y900) B ( Y2) GY L1
4 結論
上文分別從機械結構設計、電氣控制系統及曲面加工理論和編程方面闡述了螺旋線工裝加工的原理，并具體設計了機械結構和電氣控制系統以及編程的方法，使電火花線切割機床也能像其他數控機床一樣加工不同的復雜曲面，提升了線切割機床的加工范圍，充分發揮了機床的應用潛能。該項目的研究將促使行業技術人員對電火花線切割加工領域拓展的關注，并推動快走絲電火花線切割技術不斷向前發展。
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