基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的線切割走絲系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

齊文春，高堅(jiān)強(qiáng)，郭麗華，黃 鶯

QI Wen-chun1,GAO Jian-qiang2,GUO Li-hua1,HUANG Ying1

（1.蘇州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，蘇州 215009；2.蘇州新火花機(jī)床有限公司，蘇州 215128）

0 引言

國(guó)產(chǎn)往復(fù)走絲線切割機(jī)床發(fā)展至今已有四十幾年的歷史，盡管目前仍占有較高的市場(chǎng)份額，但其銷(xiāo)售利潤(rùn)很低，面臨的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)重[1]。如何破解這一難題是一個(gè)系統(tǒng)工程問(wèn)題，其中走絲系統(tǒng)的“頻繁換向”制約了加工精度的提高，使得往復(fù)走絲線切割機(jī)床只能滿足低端市場(chǎng)需求，就是一個(gè)必須引起關(guān)注的重要因素。

1 往復(fù)走絲線切割機(jī)床新型走絲系統(tǒng)的方案設(shè)想

國(guó)產(chǎn)往復(fù)走絲線切割機(jī)床之所以出現(xiàn)“頻繁換向”的問(wèn)題，是因?yàn)椴捎昧藛谓z筒結(jié)構(gòu)單層繞絲的走絲方案，通常一次上絲的長(zhǎng)度是200～300m，如果按10m/s的走絲速度，則最多運(yùn)行30s就要換向，由于換向的瞬間走絲速度為零，為了避免斷絲，換向時(shí)需要暫停3～4s的放電時(shí)間，這樣，一方面會(huì)產(chǎn)生換向條紋，影響加工精度[2,3]，另一方面至少有10%以上的非加工時(shí)間，使加工效率受到損失，一次上絲的長(zhǎng)度越短，效率損失越大。

為了解決“頻繁換向”問(wèn)題，本文提出了“雙絲筒結(jié)構(gòu)多層繞絲”的走絲方案。表1是“雙絲筒多層繞絲”與“單絲筒單層繞絲”方案對(duì)比。在該方案中，出廠狀態(tài)的一盤(pán)電極絲不管多長(zhǎng)都可以一次性繞到儲(chǔ)絲筒上，電極絲長(zhǎng)度越長(zhǎng)，單向走絲的時(shí)間也越長(zhǎng)，理論上，這種方案的儲(chǔ)絲筒可以滿足無(wú)限長(zhǎng)度電極絲的儲(chǔ)絲要求。

目前，出廠狀態(tài)的電極絲長(zhǎng)度一般為2000-3000m，生產(chǎn)廠家可以根據(jù)客戶需要將電極絲制成30000m以上，在采用雙絲筒多層繞絲的走絲方案后，可以使電極絲走絲時(shí)的“換向頻率”較大幅度地降低，同時(shí)有效地提高了在線加工時(shí)間、減少電極絲上絲時(shí)的浪費(fèi)。在采用多次切割技術(shù)方案時(shí)，目前的“中走絲”機(jī)床最后一刀精修切割的走絲速度已經(jīng)可以降到0.5m/s[4]，只要選用足夠長(zhǎng)的電極絲，對(duì)于一般的加工零件，最后一次切割時(shí)基本上可以做到不用換向，也就是實(shí)現(xiàn)單向走絲切割，不存在換向條紋問(wèn)題，為加工精度的提高建立了一個(gè)良好的走絲系統(tǒng)平臺(tái)。同時(shí)，由于雙絲筒多層繞絲的走絲系統(tǒng)仍然采用往復(fù)走絲方案，電極絲反復(fù)使用的性質(zhì)并沒(méi)用變化，因此，其運(yùn)行費(fèi)用依然保持往復(fù)走絲線切割機(jī)床所特有低成本的特征。

2 雙絲筒多層繞絲新型走絲系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

在雙絲筒結(jié)構(gòu)多層繞絲的走絲方案中，該走絲系統(tǒng)由兩套儲(chǔ)絲筒機(jī)構(gòu)和兩套排絲機(jī)構(gòu)組成，要實(shí)現(xiàn)“多層繞絲”和“往復(fù)走絲”兩個(gè)功能，其必要條件就是必須做到在兩個(gè)儲(chǔ)絲筒中間運(yùn)行路徑之間的電極絲長(zhǎng)度在運(yùn)行過(guò)程中不變，以確保瞬間的走絲速度不變。實(shí)現(xiàn)這一基本條件的方案有很多，圖1是滿足這一基本條件實(shí)施方案之一的雙絲筒多層繞絲新型走絲系統(tǒng)的方案原理圖。

圖1 是雙絲筒多層繞絲走絲系統(tǒng)的方案原理圖

如圖1所示，在該方案中，新型走絲系統(tǒng)由兩套儲(chǔ)絲筒機(jī)構(gòu)和兩套排絲機(jī)構(gòu)組成，儲(chǔ)絲筒機(jī)構(gòu)由電機(jī)帶動(dòng)儲(chǔ)絲筒只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，排絲機(jī)構(gòu)由儲(chǔ)絲筒電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)排絲凸輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使排絲導(dǎo)輪作平行于儲(chǔ)絲筒軸線的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電極絲在儲(chǔ)絲筒上的排絲和多層繞絲。兩套儲(chǔ)絲筒機(jī)構(gòu)中，有一套儲(chǔ)絲筒起卷絲筒的作用，電極絲的走絲速度由該儲(chǔ)絲筒的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定；另一套儲(chǔ)絲筒起放絲筒的作用，該儲(chǔ)絲筒的驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)反向力矩使電極絲拉緊，電極絲的張緊力大小由該電機(jī)控制。

電極絲從儲(chǔ)絲筒1經(jīng)排絲機(jī)構(gòu)、機(jī)床線架、加工區(qū)連接到儲(chǔ)絲筒2的路徑中，為了使排絲導(dǎo)輪作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)其位置的變化不引起兩排絲機(jī)構(gòu)之間的電極絲長(zhǎng)度發(fā)生變化，在排絲機(jī)構(gòu)中增設(shè)了一個(gè)平衡導(dǎo)輪。由排絲凸輪軸通過(guò)齒輪副帶動(dòng)平衡凸輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)該平衡導(dǎo)輪作與排絲導(dǎo)輪移動(dòng)方向相反的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

如圖1所示，由于排絲導(dǎo)輪移動(dòng)位置變化會(huì)使電極絲伸長(zhǎng)或縮短的量是單邊的，而平衡導(dǎo)輪移動(dòng)位置變化使電極絲伸長(zhǎng)或縮短的量是雙邊的，設(shè)齒輪副傳動(dòng)比為1：1，控制平衡導(dǎo)輪的行程是排絲導(dǎo)輪的行程1/2，平衡導(dǎo)輪的移動(dòng)就可以補(bǔ)償因排絲導(dǎo)輪移動(dòng)位置變化而產(chǎn)生的電極絲長(zhǎng)度變化量，從而達(dá)到在運(yùn)絲過(guò)程中保持電極絲的長(zhǎng)度不發(fā)生變化。為了便于排絲機(jī)構(gòu)的合理布置和電極絲運(yùn)動(dòng)方向和路徑的改變需要，在該排絲機(jī)構(gòu)中，還設(shè)置了其他若干導(dǎo)輪或?qū)л喗M，具體情況要根據(jù)走絲機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案而定。

3 雙絲筒多層繞絲新型走絲系統(tǒng)的圓柱凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 雙絲筒多層繞絲新型走絲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，儲(chǔ)絲筒儲(chǔ)存電極絲長(zhǎng)度最大值取為3000m，電極絲直徑規(guī)格為0.20mm，電極絲的排絲間距為0.22mm，排絲均勻，設(shè)儲(chǔ)絲筒一層排500圈，儲(chǔ)絲筒容絲槽寬為110mm，設(shè)儲(chǔ)絲筒容絲槽最小直徑設(shè)為φ120mm，最大直徑設(shè)為φ130mm，則儲(chǔ)絲筒最多可繞25層至少4000m以上電極絲，滿足設(shè)計(jì)要求。

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)絲筒轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)減速器帶動(dòng)圓柱凸輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，儲(chǔ)絲筒一層排500圈，儲(chǔ)絲筒旋轉(zhuǎn)500圈，凸輪只需轉(zhuǎn)動(dòng)180°，即0.5圈，故減速器的減速比應(yīng)為1000：1。設(shè)電極絲的走絲速度范圍0.2m/s～12m/s，經(jīng)計(jì)算圓柱凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍為0.032r/min～1.91r/min，屬于低速，圓柱凸輪只需帶動(dòng)排絲導(dǎo)輪或平衡導(dǎo)輪作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)輪只承受電極絲的拉緊力，屬于輕載范圍，因此，其使用場(chǎng)合適合于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)[5]。排絲導(dǎo)輪的移動(dòng)行程與儲(chǔ)絲筒容絲槽寬尺寸一致，平衡導(dǎo)輪的移動(dòng)行程取排絲導(dǎo)輪移動(dòng)行程的1/2，兩從動(dòng)件行程起點(diǎn)位置則分別處于各自圓柱凸輪理論輪廓曲線中對(duì)角方位極限位置且兩從動(dòng)件瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方向相反。

3.2 圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓曲線設(shè)計(jì)

3.2.1 排絲導(dǎo)輪直動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，排絲導(dǎo)輪作為圓柱凸輪的直動(dòng)從動(dòng)件，其作用是帶動(dòng)排絲導(dǎo)輪進(jìn)行均勻排絲，因此，要求直動(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是作等速運(yùn)動(dòng)，但等速運(yùn)動(dòng)的缺陷是會(huì)產(chǎn)生剛性沖擊。為了改善這一特性，直動(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)以等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律為主體，在行程的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)用加速和減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)組合。

根據(jù)走絲系統(tǒng)的排絲運(yùn)動(dòng)基本要求，排絲導(dǎo)輪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程是110mm，設(shè)凸輪平均圓柱體直徑為φ125mm，長(zhǎng)140mm，滾子半徑為φ10mm，在行程的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的2mm范圍內(nèi)以圓弧曲線作為加速和減速的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，在106mm的主行程采用等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行組合，壓力角α設(shè)計(jì)為α≤30°，排絲導(dǎo)輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及凸輪的運(yùn)動(dòng)輪廓曲線用作圖法進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖2所示為排絲導(dǎo)輪直動(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪設(shè)計(jì)原理圖。設(shè)計(jì)步驟如下：

1）以2πR為底邊邊長(zhǎng)表示圓柱凸輪展開(kāi)后的圓柱面弧長(zhǎng)作為橫坐標(biāo)，用φ表示，以從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)行程作為縱坐標(biāo)，用s表示；

2）將圓柱面弧長(zhǎng)分成若干等分，將從動(dòng)件行程的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的2mm圓柱凸輪轉(zhuǎn)角為7°處劃分為等速運(yùn)動(dòng)和加減速運(yùn)動(dòng)的組合運(yùn)動(dòng)交點(diǎn)，如圖2（c）所示，圖中1、10、12、21點(diǎn)就是組合運(yùn)動(dòng)交點(diǎn)，11和22點(diǎn)是行程的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)；

圖2 排絲導(dǎo)輪直動(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪設(shè)計(jì)原理圖

3）作1、10點(diǎn)及12、21點(diǎn)的直線連接線代表從動(dòng)件的等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過(guò)10、11、12三點(diǎn)及1、21、22三點(diǎn)作圓弧曲線作為從動(dòng)件的加減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就得到了如圖2（c）所示排絲導(dǎo)輪直動(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。

從行程起點(diǎn)至行程2mm處的1點(diǎn)加速運(yùn)動(dòng)，1點(diǎn)至10點(diǎn)為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從10至11點(diǎn)的行程終點(diǎn)減速，11點(diǎn)的行程終點(diǎn)至12點(diǎn)返程2mm處加速，12至21點(diǎn)等速運(yùn)動(dòng)，21至22點(diǎn)做減速運(yùn)動(dòng)回到起點(diǎn)。在作等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)絲筒轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，直動(dòng)從動(dòng)件移動(dòng)0.22mm，在行程的起點(diǎn)和終點(diǎn)附近作加減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)絲筒轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，直動(dòng)從動(dòng)件平均移動(dòng)0.206mm，對(duì)φ0.18～0.20mm的電極絲不影響排絲，因此，該直動(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線可以滿足要求。這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、沖擊小、速度變化連續(xù)、動(dòng)力性好等特點(diǎn)。

3.2.2 排絲導(dǎo)輪直動(dòng)從動(dòng)件的圓柱凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)

1）以2πR為底邊作一矩形表示圓柱凸輪展開(kāi)后的圓柱面，如圖2（b）所示，圓柱面的勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就變成了展開(kāi)面的橫向等速直線運(yùn)動(dòng)，且υ=ωR；

2）將展開(kāi)面的底邊沿-υ方向分成與從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線對(duì)應(yīng)的等分；得反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件的一系列位置；

3）在這些位置上量取相應(yīng)的位移量s，得1’、2’、3’、···、20’、21’、22’若干點(diǎn)，將這些點(diǎn)光滑連接得展開(kāi)面的理論輪廓曲線；

4）以理論輪廓曲線上各點(diǎn)為圓心，以滾子半徑為半徑，作一系列的滾子圓，并作滾子圓的上、下兩條包絡(luò)線即為凸輪的實(shí)際輪廓曲線。

根據(jù)直動(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，采用作圖法設(shè)計(jì)空間圓柱凸輪的輪廓曲線，直觀方便，設(shè)計(jì)工作量小，避免了復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，在本案例中成功地得到應(yīng)用，是一種非常實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。

圖2（a）所示是以排絲導(dǎo)輪為直動(dòng)從動(dòng)件的圓柱凸輪機(jī)構(gòu)各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系原理示意圖。圖中直動(dòng)從動(dòng)件處于行程的起始點(diǎn)位置，當(dāng)圓柱凸輪作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)從動(dòng)件作直線運(yùn)動(dòng)，排絲導(dǎo)輪與從動(dòng)件剛性連接為一體，從而使排絲導(dǎo)輪作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。在排絲過(guò)程中，在2～108mm的主體移動(dòng)行程中，排絲導(dǎo)輪作等速運(yùn)動(dòng)，在距離行程的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的2mm范圍內(nèi)，排絲導(dǎo)輪作加速或減速運(yùn)動(dòng)。

3.2.3 平衡導(dǎo)輪直動(dòng)從動(dòng)件的圓柱凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)

平衡導(dǎo)輪的移動(dòng)行程是55mm，以平衡導(dǎo)輪作為直動(dòng)從動(dòng)件的圓柱凸輪，其旋轉(zhuǎn)方向與排絲凸輪方向相反轉(zhuǎn)速相同，平衡導(dǎo)輪的移動(dòng)方向與排絲導(dǎo)輪相反，起始點(diǎn)的端點(diǎn)位置不同，因此，以平衡導(dǎo)輪作為從動(dòng)件的圓柱凸輪理論輪廓曲線與以排絲導(dǎo)輪作為從動(dòng)件的圓柱凸輪理論輪廓曲線及運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似，只是行程只有后者的1/2。如圖3所示為平衡導(dǎo)輪直動(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪設(shè)計(jì)原理圖。由于設(shè)計(jì)原理及方法相同，具體設(shè)計(jì)過(guò)程在此不再敘述。

圖3 平衡導(dǎo)輪直動(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪設(shè)計(jì)原理圖

4 結(jié)論

1）采用雙絲筒多層繞絲方案的往復(fù)走絲線切割機(jī)床新型走絲系統(tǒng)可以一次性儲(chǔ)存幾千米以上長(zhǎng)度的電極絲，大大地延長(zhǎng)單向走絲切割時(shí)間，為解決往復(fù)走絲線切割機(jī)床的“換向條紋”、提高加工精度及加工效率提供了一個(gè)非常有效的走絲系統(tǒng)平臺(tái)。

2）這種新型走絲系統(tǒng)采用空間圓柱凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)排絲運(yùn)動(dòng)，由于排絲導(dǎo)輪質(zhì)量輕，相對(duì)于儲(chǔ)絲筒作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)同時(shí)又作軸線移動(dòng)的走絲機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，可以減輕電機(jī)的負(fù)載，同時(shí)也有助于減少機(jī)械系統(tǒng)對(duì)電極絲在走絲過(guò)程的干擾，有助于走絲平穩(wěn)。

3）由于排絲導(dǎo)輪負(fù)載小，運(yùn)行速度低，空間圓柱凸輪機(jī)構(gòu)在該系統(tǒng)中具有較好的適用性和可操作性。

4）為了滿足直動(dòng)從動(dòng)件要求作均勻等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，又要避免排絲過(guò)程中產(chǎn)生太大的沖擊，直動(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)采用主運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在行程的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)以圓弧曲線作加減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律相組合的設(shè)計(jì)原則，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、沖擊小、速度變化連續(xù)、動(dòng)力性好等特點(diǎn)。

5）根據(jù)走絲系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特征要求，采用作圖法設(shè)計(jì)了直動(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線及空間圓柱凸輪的輪廓曲線，這種方法直觀方便，設(shè)計(jì)工作量小，避免了復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，在本案例中成功地得到應(yīng)用，是一種非常實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。

[1]葉軍.2012年我國(guó)電加工機(jī)床行業(yè)產(chǎn)品銷(xiāo)售情況分析[J].電加工與模具,2013增刊(1)：6-10,21.

[2]劉志東.高速走絲電火花線切割機(jī)床多次切割的實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)機(jī)械工程,2007(20)：2410-2413.

[3]齊文春,等.基于多次切割工藝的第一次切割參數(shù)優(yōu)化策略研究[J].電加工與模具,2012(3)：50-53.

[4]劉志東.高低雙速走絲電火花線切割工藝試驗(yàn)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2010(9)：1025-1028.

[5]朱理.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社(第二版)，2010.4