線切割機(jī)床加工鋁件電極絲進(jìn)電裝置研究

李文平

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川廣元628040)

0 引言

鋁在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，鋁的加工一直是機(jī)械加工行業(yè)研究的重要課題。由于線切割加工窄縫零件、異形零件等有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，快走絲線切割在加工鋁中一直占有重要的地位。

但是由于鋁其固有的特性，在線切割加工中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)以下問題:

(1)導(dǎo)輪磨損較嚴(yán)重;

(2)電極絲切割鋁材時(shí)，導(dǎo)電塊被同時(shí)切割，致使導(dǎo)電塊損耗大，業(yè)界俗稱“切割鋁燒導(dǎo)電塊”;

(3)電極絲易被導(dǎo)電塊上的切割槽卡斷，而且常出現(xiàn)在換向過程中;

(4)易短路，切割不穩(wěn)定，降低切割效率，切割表面質(zhì)量不好。

目前，針對(duì)普通線切割機(jī)床加工鋁件出現(xiàn)問題的解決辦法不多。一般選擇優(yōu)化工藝參數(shù)，減小脈沖寬度以減小氧化鋁顆粒的大小和數(shù)量，降低變頻和跟蹤的速度［1］，以減少短路的機(jī)率，減少與導(dǎo)電塊放電頻率［2］，還需及時(shí)更換冷卻液，以保持冷卻液良好的過濾和清潔作用［3］，或者采用專門電極絲。這些措施都不能完全避免問題的產(chǎn)生。

本研究從分析普通線切割機(jī)床切割鋁件時(shí)產(chǎn)生問題的原因著手，討論解決措施，得出需在機(jī)構(gòu)改進(jìn)上設(shè)計(jì)一套電極絲進(jìn)電裝置，并分析如何設(shè)計(jì)電極絲進(jìn)電裝置的技術(shù)方案，使普通線切割機(jī)床適應(yīng)切割鋁件。

1 產(chǎn)生問題的原因

由于鋁這種金屬導(dǎo)電率高，切割時(shí)電蝕產(chǎn)物顆粒大，與空氣中氧氣發(fā)生反應(yīng)形成Al2O3。Al2O3又稱剛玉，是一種研磨劑。其會(huì)附著在線切割電極絲上，去磨損導(dǎo)電塊以及導(dǎo)輪，導(dǎo)致導(dǎo)輪磨損嚴(yán)重［4］。

同時(shí)由于電蝕產(chǎn)物Al2O3隨著電極絲被帶到導(dǎo)電塊上，造成電極絲與導(dǎo)電塊發(fā)生火花放電，讓機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)誤以為已經(jīng)進(jìn)給，驅(qū)動(dòng)工件作移動(dòng)，但實(shí)際上工件未被切割，造成短路。一旦短路，反過來又促進(jìn)電極絲與導(dǎo)電塊放電，這樣造成短路情況發(fā)生，切割表面質(zhì)量不好，同時(shí)導(dǎo)電塊被切割出一個(gè)深槽。

深槽的出現(xiàn)，由于電極絲中間部分絲的直徑小于電極絲兩端部分絲的直徑，電極絲在換向時(shí)，兩端部分絲在通過由中間部分絲切割出的導(dǎo)電塊深槽時(shí)，將會(huì)卡斷絲，造成易斷絲的狀況［5］。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，普通線切割機(jī)床加工鋁中易出現(xiàn)的4 個(gè)問題中:導(dǎo)輪磨損嚴(yán)重是由于Al2O3的產(chǎn)生，這個(gè)問題不好避免外，其他3 個(gè)問題的產(chǎn)生都與電極絲進(jìn)電位置導(dǎo)電塊相關(guān)［6］。

2 解決問題技術(shù)方案分析

2.1 方案的提出

解決線切割機(jī)床加工鋁的問題，一般采用專門的電極絲;或者在電參數(shù)方面上進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)電塊出現(xiàn)損壞就勤加更換。這兩種解決問題的方式，成本較高，解決問題也不徹底。

經(jīng)上分析可知，線切割機(jī)床加工鋁出現(xiàn)的問題中，導(dǎo)輪磨損嚴(yán)重是由于Al2O3的產(chǎn)生。解決這個(gè)問題的辦法，一是阻止Al2O3產(chǎn)生，二是勤加更換或者選擇高耐磨的導(dǎo)輪。目前從經(jīng)濟(jì)效益上考慮，多還是選擇第二種辦法。其他3 個(gè)問題“燒導(dǎo)電塊”、換向切割槽卡斷絲及切割不穩(wěn)的問題都與電極絲進(jìn)電位置導(dǎo)電塊相關(guān)，因此，研究員可以選擇取消導(dǎo)電塊裝置，從而避免“燒導(dǎo)電塊”及換向切割槽卡斷絲的問題，同時(shí)提高切割穩(wěn)定性。

但是，取消導(dǎo)電塊后，研究員需設(shè)計(jì)替代機(jī)構(gòu)，新的電極絲進(jìn)電裝置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電塊的功能—使線切割電極絲連接電源的一極，且改進(jìn)后不影響機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)。

替代機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求可歸納如下3 點(diǎn):

(1)能代替導(dǎo)電塊，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電塊的作用。即能將電源的一極接到線切割電極絲上，但不影響線切割機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn);

(2)新的電極絲進(jìn)電裝置如何避免Al2O3與其接觸。即使接觸了，也不影響進(jìn)電裝置的壽命;

(3)新的電極絲進(jìn)電裝置需不影響線切割機(jī)床加工工藝范圍。

2.2 方案的技術(shù)分析

要實(shí)現(xiàn)新的電極絲進(jìn)電裝置設(shè)計(jì)要求，本研究需分析以下技術(shù)問題:

(1)電極絲接電位置分析

普通線切割機(jī)床電極絲進(jìn)電的導(dǎo)電塊在絲架的中間位置處。如果去掉導(dǎo)電塊裝置，有兩種方法，一種是接電位置后移，在繞絲筒處接電［7］，另一種是前移，在前導(dǎo)向輪處接電如圖1所示。比較兩種接電方法，筆者發(fā)現(xiàn)采用在前導(dǎo)向輪處接電，鋁切割效率要高一些，在繞絲筒處接電，由于與電極絲工作區(qū)距離遠(yuǎn)，造成功率損耗，因而切割效率要低一些。因此，本研究選擇在前導(dǎo)向輪處接電［8］。

圖1 接電位置

(2)進(jìn)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)分析

導(dǎo)向輪導(dǎo)電，電極絲會(huì)與導(dǎo)向輪產(chǎn)生火花放電。通?；鸹ǚ烹娍赡軙?huì)產(chǎn)生在接電處。在接電處會(huì)構(gòu)成正、負(fù)兩個(gè)極性。進(jìn)電機(jī)構(gòu)接在導(dǎo)向輪處，這樣就會(huì)在機(jī)床處于短路時(shí)，導(dǎo)輪變成正極(一般情況下，工件接正極)，進(jìn)電機(jī)構(gòu)變成負(fù)極，而產(chǎn)生火花放電，腐蝕導(dǎo)輪。

由此可知，線切割機(jī)床的進(jìn)電裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是，火花放電不能避免，讓電極絲在導(dǎo)向輪處接電，規(guī)避了電極絲被換向切割槽卡斷的問題，但是，無法規(guī)避線切割火花放電“燒導(dǎo)向輪”的問題。經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，解決辦法一是盡量降低放電頻率，二是將接電的地方選在導(dǎo)向輪的軸處，并對(duì)軸進(jìn)行人為加長(zhǎng)，即使腐蝕了，也是人為加長(zhǎng)的部分。這樣不影響導(dǎo)向輪的結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于接在軸處，其結(jié)構(gòu)處于封閉狀態(tài)，沒有Al2O3顆粒，將降低放電頻率。本研究通過采取這種辦法解決產(chǎn)生放電腐蝕后，傷及導(dǎo)向輪的問題。

筆者同時(shí)考慮到接電塊要與導(dǎo)向輪軸接觸，軸高速旋轉(zhuǎn)，將產(chǎn)生摩擦，就要選一種材料既導(dǎo)電，同時(shí)能降低摩擦的材料。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石墨可以實(shí)現(xiàn)這種功能，因?yàn)槭梢詫?dǎo)電，同時(shí)可以自潤(rùn)滑［9］。本研究選用石墨作為電源一極與導(dǎo)向輪軸連接。

3 進(jìn)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)上分析，本研究在如圖1所示導(dǎo)向輪處接電，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)如圖2所示。電源的一極經(jīng)石墨塊、導(dǎo)輪軸、導(dǎo)輪引入電極絲。石墨塊后方加彈簧，以保證石墨塊與導(dǎo)輪加長(zhǎng)軸緊密接觸。加長(zhǎng)的導(dǎo)輪軸，可以提高導(dǎo)輪壽命。外在電源由石墨塊引入，可以滿足導(dǎo)輪運(yùn)轉(zhuǎn)順暢要求。

圖2 進(jìn)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該裝置設(shè)計(jì)的有效性，在設(shè)置同樣電參數(shù)情況下，本研究選擇了兩臺(tái)線切割機(jī)床同時(shí)切割如圖3所示的鋁件，其中一臺(tái)沒有改進(jìn)，另一臺(tái)做了改進(jìn)，切割統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。其中，斷絲次數(shù)、短路次數(shù)、切割表面質(zhì)量均統(tǒng)計(jì)的是切割如圖3所示1 個(gè)鋁件的情況;進(jìn)電裝置壽命和導(dǎo)輪壽命是統(tǒng)計(jì)持續(xù)切割如圖3所示鋁件多個(gè)時(shí)，誰先出現(xiàn)損壞情況。

圖3 鋁件

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表1 可知，改進(jìn)后機(jī)床在能較好解決斷絲、短路問題，能提高切割表面質(zhì)量問題。在進(jìn)電裝置壽命方面，統(tǒng)計(jì)持續(xù)切割如圖3所示鋁件多個(gè)時(shí)，誰先出現(xiàn)損壞情況，說明改進(jìn)后機(jī)床在進(jìn)電裝置壽命方面優(yōu)于改進(jìn)前機(jī)床。在導(dǎo)輪磨損情況方面，在持續(xù)切割如圖3所示鋁件多個(gè)時(shí)，未明顯發(fā)現(xiàn)改進(jìn)前機(jī)床與改進(jìn)后機(jī)床誰的導(dǎo)輪磨損更嚴(yán)重，因此結(jié)果可以說是基本一樣，也說明改進(jìn)后，在前導(dǎo)輪處接電，不影響導(dǎo)輪壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過分析普通線切割機(jī)床加工鋁件出現(xiàn)問題的原因，提出了替代普通線切割機(jī)床電極絲進(jìn)電裝置—導(dǎo)電塊的方案。

本研究重新設(shè)計(jì)進(jìn)電裝置，其有效性得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此裝置可以較好解決普通線切割機(jī)床加工鋁件常出現(xiàn)問題，避免損壞導(dǎo)電塊，降低斷絲、短路的頻率，同時(shí)提高線切割鋁件的表面質(zhì)量。

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