快走丝线切割机床螺旋线加工工装的研究.pdf

2 0 1 5年 5月 第 4 3卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAULI CS Ma v 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 1 0 ． 0 1 2 快走丝线切割机床螺旋线加工工装的研究 丁义超 ，罗垂敏 ，江 书勇 ，胥宏 1 ．成都工业学院电加工实验室，四川成都 6 1 0 0 3 1 ； 2 ．成都工业学院工程素质训练中心，四川成都 6 1 0 0 3 1 摘要快走丝电火花线切割在金属加工领域得到广泛应用 ，在加工精度和速度方面不断满足行业发展的需要，但都是 以较简单的平面加工为主，无法实现立体曲面的加工 ，严重制约了线切割加工的应用范围。提出一种新型螺旋线加工的工 装夹具 ，增加了工件的旋转运动 ，并从机械结构设计、电气控制系统及曲面加工理论和编程方面阐述了其加工原理，极大 地提高了被加工零件的复杂程度，满足了发展的需求。 关键词线切割机床；螺旋线加工 ；工装夹具 中图分类号T H1 6 1 T G 6 6 1 文献标志码B 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 0 - 0 4 0 - 4 Re s e a r c h o n S pi r a l M a c hi n i n g Fi x t ur e f o r W EDM - HS D I NG Yi c h a o ，L UO C h u i mi n ，J I ANG S h u y o n g ，X U Ho n g 1 ． E l e c t ri c P r o c e s s i n g L a b o r a t o r y o f C h e n g d u I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a ； 2 ． E n g i n e e ri n g T r a i n i n g C e n t e r o f C h e n g d u I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Hi g h s p e e d w i r e c u t e l e c t r i c a l d i s c h a r g e ma c h i n i n g h a s b e e n w i d e l y u s e d i n me t a l p r o c e s s i n g fi e l d， i t s ma c h i n i n g a c c u r a c y a n d s p e e d h a v e c o n t i n u o u s l y me t t h e n e e d s o f i n d u s t r y d e v e l o p me n t ．B u t mo s t i s s i mp l e p l a n e p r o c e s s i n g ，t h e t h r e e d i me n s i o n a l c u r v e d s u r f a c e ma c h i n i n g c a n’ t b e a c h i e v e d， w h i c h s e ri o u s l y r e s t ric t t h e a p p l i c a t i o n r a n g e o f wi r e c u t t i n g p r o c e s s i n g ．A n e w t y p e o f s p i r a l ma c h i n i n g fi x t u r e w a s p r o p o s e d，a r o t a t i o n mo t i o n o f t h e w o r k p i e c e wa s i n c r e a s e d． F r o m t h e a s p e c t s o f me c h a n i c al s t r u c t u r e d e s i g n，e l e c t ri c al c o n t r o l s y s t e m ，ma c h i n i n g t h e o ry a n d p r o g r a mmi n g ，i t s p r o c e s s i n g p ri n c i p l e w a s e x p l a i n e d ．By t h e fi x t u r e ，t h e c o m p l e x i t y o f t h e p r o c e s s e d p a r t s i s i mp r o v e d gre a t l y a n d t h e d e v e l o p me n t n e e d i s me t ． Ke y wo r d s WEDM ；S p i r a l ma c h i n i n g；T o o l i n g fi x t u r e 快走丝电火花线切割加工是现代金属加工中的一 种特种加工方法 。它是利 用脉冲放 电的电腐蚀作用来 蚀除金属而达到尺寸加工的目的。它不仅能够加工传 统切削难以加工的高硬合金材料，而且可以加工形状 复杂的各种模具和零件 ，因此在机械、电器、仪表、 汽车 、轻工 和 国防等 行业 及部 门 中获得 了广泛 的应 用 。随着我 国经济实力的不断提升 ，机 械行业 有了长 足的发展 ．国内广大用户对线切割机床加工提出了更 高的要求 ， 对加工形式多样化的需求也不断地增加。 但是当前线切割机床也存在着很大的不足之处，就是 加工过程中所能使用的工装设备太少，严重制约了它 加工潜能的发挥。因此 ，快走丝电火花线切割机床很 难像拥有大量国际国内设备厂家为其生产专用工装的 数控铣床和加工 中心一样 ，最大限度地 提升机 床的加 工范围和加工潜力。为此有必要在线切割机床工装夹 具应用方面。研发专用的工装系列来拓展机床的加工 范 围。 目前国内快走丝电火花线切割机床的加工仅有直 壁加 工和带有一定锥度 的加工两种形式 ，带有空 间曲 面结构的零件在许多领域的关键部位得到应用 ，但其 获得的难 度较大 ] 。国外 慢走 丝线切割 机床能 够实现 的功能在我国独有的线切割机床上却无法实现。国内 电火花线切割机床一般利用附加装置实现某些 空间零 件 的加工 。国内外的学者正积极 进行这方面的研究 与 开发 [ 2 ] 。而 尚未开发 出能加工螺旋 线等特 殊 曲面形 状的线切割机床工装。上述加工任务仅靠机床简单结 构改装是无法完成的，为此作者借鉴数控机床设计的 理念 ．在机 床上增 加 一些 辅 助工 装来 扩充 其 加工 范 围 ， 实现具有代表性螺旋线等 特殊形状 的加 工 。比如 要加工小型弹性联轴器上的螺旋槽 ，其槽宽 0 ． 3 1 T l ff 1． ， 采用弹簧钢淬火，用普通设备就很难实现加工或成本 太高，如在快走丝电火花线切割机床上配置一套第四 旋转轴辅助工装，就非常容易实现这样的加工，且费 用较低 。为实现这一功能 ，下面分别从 机械结构 、电 收稿 日期 2 0 1 4 04- 0 6 基金项目四川省科技厅科技支撑项 目 2 0 0 9 G Z 0 1 6 6 作者简介丁义超 1 9 7 5 一 ，男，博士，副教授，主要从事金属表面改性和电火花线切割技术研究。E - m a i l 1 63 ． c o rn。 4 2 机床与液压 第 4 3卷 源 ，也叫做驱动 电路。驱动 电源受 指令脉 冲 的作 用 ， 产生脉冲分配信号 ，并把脉冲信号进行功率放大，从 而按照设定的顺序 ，决定步进电机哪相绕组通电、以 及通过电流的大小和方 向。 从步进电机的每相绕组来看 ，所施加 的电脉冲相 当于各相绕组轮流接通 到直流 电源上 ，这个轮流接通 电源 的任务 即绕组 的通 电方 式 由脉 冲分 配模 块 来完成。脉冲分配模块或脉冲分配器 。过去由电子电 路组成 环形分配器 ，现在多以软件来实现。脉冲 分配器受指令脉 冲和方 向脉冲的作用 。产生 脉冲分 配 信 号。 驱动 电源 驱 动器 的构成 如 图 5所示 ，除 脉 冲分配器之外，还有功率放大电路。 运动 控制 器 纵 向 步进 电机 横 向 步进 电 机 图 5 驱动 电源 的一般结构 2 ． 2电气控 制结构 和 功能 根据零件的加工原理 ，空 间曲面的加工工装和 电 火花线切割镗磨小孔工装均需要工件做旋转运动 。因 此必须增设第 四轴 即旋 转轴 。为 了尽量做 到通 用化 ， 满足此课题提出的针对整个控制系统不能做较大改动 的指导思想 。第四轴旋转电机仍然采用步进电机 ，型 号为 7 5 B F 0 0 3 。 改造后 的驱动 电源结构如图 6 所示 。通过切换装 置，将横向 即 轴步进电机与旋转步进电机进 行切换，以满足加工要求。具体实现框 图如图 7所 示 图 6 改造后 的驱动 电源结构 图7 步进电机驱动实现示意图 改进部分 3空间曲面加工的理论推导及编程 为了使此工装具有通用性 ，其编程格式应保持不 变。但由于工装采用了一个旋转轴 ．其运动形式为一 个旋转轴和一个移动轴联动，加工坐标系统也由原来 的直角坐标系变为极坐标系。因此 ，3 B代码中的数 值一个确定移动距离 ，而另一个则确 定旋转 角度。为 了帮助用户较快掌握编程方法 ．现列 出一种 曲面加工 编程方法 。 3 ． 1 单叶双 曲面加 工 1 工作原理 如图 8 所示 ，通过工装把钼丝和工件调整到一 固 角度后 ，然后让 钼 丝切 人工 件 。到 达 指定 切 削深 度 后 ，让工件绕 自身 中心 轴线旋转 3 6 0 o 进行 切割 加工 ． 从 而形成一个单 叶双 曲面 ，其 曲面 的曲率 由钼丝和工 件 之间的夹角确定 。 2 数值计算 将工件沿平行于旋转中心剖开 。然后展开成一个 平面后 ，其钼丝 上 任一 点与 工件 的运 动 轨迹 为一 直 线 ，如图 9所示 。其 中， 为 运动 轨迹 的弧 长 ，r 为 钼丝上任一点与工件中心的距离，即半径值。 图8 单叶双曲面加工示意图 图9 单叶双曲面展开图 ． ‘ 弧长 弧度 X 半径 ． ．弧度 弧长 半 径 运动 轨迹 的弧度 O t I 一 L 2 1 『 。运 动轨 迹 的角度 日 ， r r ， 1 8 0 。 3 6 0 。 。设 步 进 电 机 的步 距 角 为 步 距 角 ，即在没有 减 速齿 轮 的情况 下 ，对 于 一个 脉 冲信 号 ，转子所 转过的机械角度 ，则旋转 3 6 0 。 所需 的脉 一 大路 一 一 功放电 一 一 圈 冲 一 愕 一 脉 一 信 一 厘 l 一 率 大 路 一 一 功 放 电 一 一 圈 第 1 0 期 丁义超 等快走丝线切割机床螺旋线加工工装的研究 4 3 冲数为 AN3 6 0 。 ／ 0 式 中 △ Ⅳ四舍五入取整 。 3 编程格式 加工 如图 1 0所示双 曲面零件 图 ，其程序为 B D d ／ 2 B O B D d ／ 2 G X L 1 B O B △ N B ANG Y L 2 图 1 0 双 曲面零件 图 3 ． 2圆柱 式螺 旋线加 工 1 工作原理 加工如 图 1 1 所示 圆柱式 螺旋 线 ，通 过工 装把 工 件水 平放 置 ，然 后调 整钼 丝 通 过 圆心 ．控制沿 向移动和绕 向转 动 。进 行 联 动 切 割 ， 从而可以切割出一条具有一 定导程的螺旋线。 2 数值计算 将工件 沿侧 面展开成 一 个平 面后。其 螺旋线在 展 开 平 面 上 为 一 直 线 ，如 图 1 2所 示。 为 旋 转 运 动 的弧 长 。n为 螺旋 线 圈数 ， r为 圆 柱 半 径 。即 投 影 半 径。A X 为 方 向移动 距 离 3 6 0 n ／ 0 3 6 0 x 5 ／ 0 ． 0 7 2 2 5 0 0 0 个 ，A X ／％ x p 5 1 3 1 5 m m。 图 1 1 圆柱式螺旋线 ／ 『 r AX 图 l 2 圆柱式螺旋 线展开 图 ． ’ 弧长 弧度 半径 ． ． 弧度 弧长 半径；螺旋运动的弧度 ， 三 2 1 r／％ r r r 2 订，旋转运动的角度 ， 1 8 0 。 3 6 0 。 n 。设步 1T 进电机的步距角为 ，则旋转 3 6 0 n 所需的脉冲数为 A N 3 6 0 ／％ ／ 0 2 式 中 △ Ⅳ四舍五入取整 。 同时设螺旋线 的导 程为 P ，则 A X n 3 3 编程格式 B A X B A NB A N G Y L 2 例 螺旋线 的导程 为 3 m m。要加 工 5圈 ，步距 角为 0 ． 0 7 2 。 。 根据题 意 ，得到 P 3 ，n 5 ， 0 ． 0 7 2 。 ，A N 则其 3 B程序 为 B 1 5 0 0 0 B 2 5 0 0 0 B 2 5 0 0 0 G Y L 2 3 ． 3正 弦直纹 曲 面加 工 1 工作原理 加工 如 图 1 3所 示 正 弦 直 纹曲面，通过工装把工件水平 放置 ，然后把 钼丝 穿孔通 过 圆 心 ，控制沿 向移动和绕 向 转动 ，并使直线运动和回转运 动的速 比满 足正 弦 函数 关 系而 进行联动切 割 。从 而得 到正 弦 直纹 曲面 。 2 数值计算 图 1 3 正弦直纹 曲面 加工示意图 将工件沿侧面展开成一个平面后，其正弦线在展 开平 面上为正 弦线 ，如 图 1 4所 示 。为 了使 直线 运动 和回转运动的速 比满足正弦函数关系。采用等间距 法 ，如图 1 5所示。等间距法是使横坐标的增量 A X 相等 。然后求出曲线上相应的节点 ，将相邻节点连成 直线 ，用这 些直 线段 组 成 的折线 代替 原 来 的轮廓 曲 线 。由于增量 △ 代表 的是旋转 的角度 ，其特 点是计 算简单 ，坐标增量的选取可大可小 ，选得越小则加工 精度越高 ．同时节点会增多 。 y 、 ＼ r 一 丁 ． ＼ ／ r 、 ， 图 1 4 、正弦曲面展开图 图 1 5 正弦曲线直线化 如果 在 圆 周 上 加 工 两 组 正 弦 曲 面 ；如 Y A s i n o X，取 △ 0 ． 2 。 ，贝 0 X X 1 A X X 一 l 0 ． 2 ， 则相对应 的 l ， 向移动距离为 A s i n w X 一A s i n w X 4 由于在 圆周 上 加工 正 弦 曲面 。角 度 范 围 为 0 3 6 0 。 ，根据对称性 ，实际运动范围为 0 ～ 1 8 0 。 。 3 编程格式 例 在圆周上加工 2组正 弦曲面，Y5 s i n 2 X， 取 A X 0 ． 2 。 ，则先计算各等分点 X o 0 ； Y o 5 s i n 2 x 0 0 ； X】 0 ． 2；Y 1 5 s i n 2 x 0 ． 2 一 r o ； X 2 1 O ． 2 0 ． 4 ； y 2 5 s i n 2 0 ． 4 一 Y I ； X 一1 0 ． 2 ； 5 s i n 2 一 l ， 一 l ； 下转第 6 4页