快走絲線切割機(jī)床螺旋線加工工裝的研究
2016-4-28 來(lái)源：成都工業(yè)學(xué)院電加工實(shí)驗(yàn)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在加工精度和速度方面不斷滿足行業(yè)發(fā)展的需要，但都是以較簡(jiǎn)單的平面加工為主，無(wú)法實(shí)現(xiàn)立體曲面的加工，嚴(yán)重制約了線切割加工的應(yīng)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣控制系統(tǒng)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(fù)雜程度，滿足了發(fā)展的需求。
關(guān)鍵詞: 線切割機(jī)床; 螺旋線加工; 工裝夾具
快走絲電火花線切割加工是現(xiàn)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(lái)蝕除金屬而達(dá)到尺寸加工的目的。它不僅能夠加工傳統(tǒng)切削難以加工的高硬合金材料，而且可以加工形狀復(fù)雜的各種模具和零件，因此在機(jī)械、電器、儀表、汽車、輕工和國(guó)防等行業(yè)及部門中獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提升，機(jī)械行業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，國(guó)內(nèi)廣大用戶對(duì)線切割機(jī)床加工提出了更高的要求，對(duì)加工形式多樣化的需求也不斷地增加。但是當(dāng)前線切割機(jī)床也存在著很大的不足之處，就是加工過(guò)程中所能使用的工裝設(shè)備太少，嚴(yán)重制約了它加工潛能的發(fā)揮。因此，快走絲電火花線切割機(jī)床很難像擁有大量國(guó)際國(guó)內(nèi)設(shè)備廠家為其生產(chǎn)專用工裝的數(shù)控銑床和加工中心一樣，最大限度地提升機(jī)床的加工范圍和加工潛力。為此有必要在線切割機(jī)床工裝夾具應(yīng)用方面，研發(fā)專用的工裝系列來(lái)拓展機(jī)床的加工范圍。
目前國(guó)內(nèi)快走絲電火花線切割機(jī)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(jié)構(gòu)的零件在許多領(lǐng)域的關(guān)鍵部位得到應(yīng)用，但其獲得的難度較大［1］。國(guó)外慢走絲線切割機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)的功能在我國(guó)獨(dú)有的線切割機(jī)床上卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)電火花線切割機(jī)床一般利用附加裝置實(shí)現(xiàn)某些空間零件的加工，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者正積極進(jìn)行這方面的研究與開發(fā)［2 － 5］。而尚未開發(fā)出能加工螺旋線等特殊曲面形狀的線切割機(jī)床工裝。上述加工任務(wù)僅靠機(jī)床簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)改裝是無(wú)法完成的，為此作者借鑒數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的理念，在機(jī)床上增加一些輔助工裝來(lái)擴(kuò)充其加工范圍，實(shí)現(xiàn)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(lián)軸器上的螺旋槽，其槽寬0. 3 mm，采用彈簧鋼淬火，用普通設(shè)備就很難實(shí)現(xiàn)加工或成本太高，如在快走絲電火花線切割機(jī)床上配置一套第四旋轉(zhuǎn)軸輔助工裝，就非常容易實(shí)現(xiàn)這樣的加工，且費(fèi)用較低。為實(shí)現(xiàn)這一功能，下面分別從機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)以及編程方法等方面進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。
1 螺旋線加工工裝機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
螺旋線加工工裝能實(shí)現(xiàn)螺旋線加工合成運(yùn)動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保證螺旋線加工中的基本運(yùn)動(dòng)關(guān)系即: 工件沿軸向每移動(dòng)一個(gè)螺距的距離，工件旋轉(zhuǎn)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(dòng)鏈: 步進(jìn)電機(jī)→兩級(jí)減速齒輪傳動(dòng)→三爪卡盤，具體結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 螺旋線加工工裝示意圖
為便于對(duì)螺旋線加工工裝的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編程與控制，在工件基準(zhǔn)螺距為5 mm 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，傳動(dòng)鏈輸出位移為0. 001 mm，其傳動(dòng)關(guān)系為: 文圖1
根據(jù)此關(guān)系式選擇步進(jìn)電機(jī)步距角及總傳動(dòng)比為:
多級(jí)減速器各級(jí)傳動(dòng)比的分配，直接影響減速器的承載能力和使用壽命，還會(huì)影響其體積、重力和潤(rùn)滑。考慮電火花線切割加工切削力很小可忽略、工作環(huán)境( 閉式傳動(dòng)) 較好及工況系數(shù)小的條件，傳動(dòng)比按以下原則分配: 使各級(jí)傳動(dòng)承載能力大致相等;使減速箱體的尺寸與質(zhì)量較小; 使各級(jí)齒輪圓周速度較小; 采用油浴潤(rùn)滑時(shí)，使各級(jí)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(shù)為:
為保證工裝旋轉(zhuǎn)精度，一方面對(duì)零件的制造精度和裝配質(zhì)量提出較高要求。如要求采購(gòu)的向心球軸承為D 級(jí)精度，齒輪加工采用精密滾齒后研磨方式可保證7 級(jí)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(dòng)零件的設(shè)計(jì)中考慮了特殊結(jié)構(gòu)，如在關(guān)鍵傳動(dòng)零件齒輪設(shè)計(jì)中將單個(gè)大齒輪設(shè)計(jì)為兩個(gè)薄片齒輪組合形式，兩個(gè)薄片齒輪同心且用彈簧聯(lián)接，這樣當(dāng)大齒輪與小齒輪嚙合時(shí)，兩個(gè)薄片齒輪分別與小齒輪一個(gè)齒的齒廓兩側(cè)面接觸，從而消除了齒輪正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)存在的齒側(cè)間隙， 保證傳動(dòng)精度，見圖3。
圖3 雙聯(lián)薄片齒輪
為滿足加工雙曲面工件要求，增加角度調(diào)整裝置，利用圖4 所示由支架、支承座、轉(zhuǎn)軸和鎖緊螺釘組成的角度調(diào)整裝置可加工α≤30°的雙曲面。支承座和轉(zhuǎn)軸采用標(biāo)準(zhǔn)直線滾動(dòng)組件，支承座內(nèi)裝有精密直線軸承，保證減速箱體繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)精度。
圖4 角度調(diào)整裝置示意圖
2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2. 1 電氣控制原理
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，需要采用一個(gè)專用電源來(lái)給步進(jìn)電機(jī)供電，這個(gè)專用電源就是驅(qū)動(dòng)電源，也叫做驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電源受指令脈沖的作用，產(chǎn)生脈沖分配信號(hào)，并把脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，從而按照設(shè)定的順序，決定步進(jìn)電機(jī)哪相繞組通電、以及通過(guò)電流的大小和方向。從步進(jìn)電機(jī)的每相繞組來(lái)看，所施加的電脈沖相當(dāng)于各相繞組輪流接通到直流電源上，這個(gè)輪流接通電源的任務(wù)( 即繞組的通電方式) 由脈沖分配模塊來(lái)完成。脈沖分配模塊或脈沖分配器，過(guò)去由電子電路組成( 環(huán)形分配器) ，現(xiàn)在多以軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。脈沖分配器受指令脈沖和方向脈沖的作用，產(chǎn)生脈沖分配信號(hào)。驅(qū) 動(dòng)電源( 驅(qū)動(dòng)器) 的構(gòu)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(qū)動(dòng)電源的一般結(jié)構(gòu)
2. 2 電氣控制結(jié)構(gòu)和功能
根據(jù)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此必須增設(shè)第四軸即旋轉(zhuǎn)軸。為了盡量做到通用化，滿足此課題提出的針對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)不能做較大改動(dòng)的指導(dǎo)思想，第四軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)仍然采用步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為75BF003。改造后的驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)如圖6 所示，通過(guò)切換裝置，將橫向( 即X 軸) 步進(jìn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行切換，以滿足加工要求。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖7 所示。
圖6 改造后的驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)
圖7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)示意圖( 改進(jìn)部分)
3 空間曲面加工的理論推導(dǎo)及編程
為了使此工裝具有通用性，其編程格式應(yīng)保持不變。但由于工裝采用了一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，其運(yùn)動(dòng)形式為一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和一個(gè)移動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)，加工坐標(biāo)系統(tǒng)也由原來(lái)的直角坐標(biāo)系變?yōu)闃O坐標(biāo)系。因此，3B 代碼中的數(shù)值一個(gè)確定移動(dòng)距離，而另一個(gè)則確定旋轉(zhuǎn)角度。為了幫助用戶較快掌握編程方法，現(xiàn)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(guò)工裝把鉬絲和工件調(diào)整到一固角度后，然后讓鉬絲切入工件，到達(dá)指定切削深度后，讓工件繞自身中心軸線旋轉(zhuǎn)360°進(jìn)行切割加工，從而形成一個(gè)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(shù)值計(jì)算
將工件沿平行于旋轉(zhuǎn)中心剖開，然后展開成一個(gè)平面后，其鉬絲上任一點(diǎn)與工件的運(yùn)動(dòng)軌跡為一直線，如圖9 所示。其中，L 為運(yùn)動(dòng)軌跡的弧長(zhǎng)，r 為鉬絲上任一點(diǎn)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(zhǎng)= 弧度× 半徑∴ 弧度= 弧長(zhǎng)÷ 半徑; 運(yùn)動(dòng)軌跡的弧度α1 = Lr= 2πrr = 2π，運(yùn)動(dòng)軌跡的角度θ1= 2π × 180° = 360°。設(shè)步進(jìn)電機(jī)的步距角為θs( 步距角，即在沒有減速齒輪的情況下，對(duì)于一個(gè)脈沖信號(hào)號(hào)，轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度) ，則旋轉(zhuǎn)360°所需的脈沖數(shù)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?yàn)?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(guò)工裝把工件水平放置，然后調(diào)整鉬絲通過(guò)圓心，控制沿X 向移動(dòng)和繞X 向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行聯(lián)動(dòng)切割，從而可以切割出一條具有一定導(dǎo)程的螺旋線。
圖11 圓柱式螺旋線
2) 數(shù)值計(jì)算
圖12 圓柱式螺旋
線展開圖
將工件沿側(cè)面展開成一個(gè)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的弧長(zhǎng)，n 為螺旋線圈數(shù)，r 為圓柱半徑， 即投影半徑，ΔX 為X 方向移動(dòng)距離。
圖12 圓柱式螺旋線展開圖
∵ 弧長(zhǎng)= 弧度× 半徑∴ 弧度= 弧長(zhǎng)÷ 半徑; 螺旋運(yùn)動(dòng)的弧度α2 = Lr= 2πnrr=2nπ，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角度θ2 =2πnπ ×180° =360°n。設(shè)步進(jìn)電機(jī)的步距角為θs，則旋轉(zhuǎn)360n 所需的脈沖數(shù)為:ΔN = 360n /θs( 2)式中: ΔN 四舍五入取整。同時(shí)設(shè)螺旋線的導(dǎo)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(dǎo)程為3 mm，要加工5 圈，步距角為0. 072°。根據(jù)題意，得到p = 3，n = 5，θs = 0. 072°，ΔN= 360n /θs = 360 × 5 /0. 072 = 25 000 ( 個(gè)) ，ΔX = n × p= 5 × 3 = 15 mm。則其3B 程序?yàn)? 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(guò)工裝把工件水平放置，然后把鉬絲穿孔通過(guò)圓心，控制沿X 向移動(dòng)和繞X 向轉(zhuǎn)動(dòng)，并使直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速比滿足正弦函數(shù)關(guān)系而進(jìn)行聯(lián)動(dòng)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(shù)值計(jì)算
將工件沿側(cè)面展開成一個(gè)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(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速比滿足正弦函數(shù)關(guān)系，采用等間距法，如圖15 所示。等間距法是使橫坐標(biāo)的增量ΔX相等，然后求出線上相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，將相鄰節(jié)點(diǎn)連成直線，用這些直線段組成的折線代替原來(lái)的輪廓曲線。由于增量ΔX 代表的是旋轉(zhuǎn)的角度，其特點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，坐標(biāo)增量的選取可大可小，選得越小則加工精度越高，同時(shí)節(jié)點(diǎn)會(huì)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(duì)應(yīng)的Y 向移動(dòng)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(jù)對(duì)稱性，實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(jì)算各等分點(diǎn):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(shù)目來(lái)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(xué)腐蝕，采用氟膠作為防塵圈，對(duì)高溫的適應(yīng)性增強(qiáng)，外界灰塵不易進(jìn)入缸內(nèi)，使液壓缸在超高溫狀態(tài)( 大約200 ℃)下工作可靠。
3 應(yīng)用效果
該產(chǎn)品的主要技術(shù)與性能指標(biāo)見表1
表1 參數(shù)表
由表1 可知，此產(chǎn)品能在高溫環(huán)境( 相對(duì)于液壓缸來(lái)講200 ℃ 較高) 中工作，可用較輕質(zhì)量的液壓缸提升金屬冶煉中的爐蓋及高端裝備的動(dòng)作，產(chǎn)生的壓力較大，效果顯著。圖2 為液壓缸的實(shí)物圖。
圖2 產(chǎn)品實(shí)物圖
4 結(jié)論
由于此產(chǎn)品開發(fā)中采用了液壓與機(jī)械相結(jié)合的技術(shù)，利用了兩者的優(yōu)點(diǎn)，避免了兩者的缺點(diǎn)，特總結(jié)如下:( 1) 操作方便省力，大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。采用旋轉(zhuǎn)夾緊液壓缸，為爐蓋的起升提供了穩(wěn)定的動(dòng)力與控制;( 2) 使用這種旋轉(zhuǎn)夾緊液壓缸，滿足產(chǎn)品的需要的同時(shí)成本大大減少;( 3) 節(jié)省輔助時(shí)間，提高效率。這種高溫旋轉(zhuǎn)夾緊缸節(jié)省了較大的空間( 傳統(tǒng)產(chǎn)品空間較大) 和減少了較多的成本。
( 4) 為在高溫環(huán)境中工作的類似夾具提供理論與實(shí)際參考。
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( 上接第43 頁(yè))
…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(jié)論
上文分別從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣控制系統(tǒng)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(shè)計(jì)了機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)以及編程的方法，使電火花線切割機(jī)床也能像其他數(shù)控機(jī)床一樣加工不同的復(fù)雜曲面，提升了線切割機(jī)床的加工范圍，充分發(fā)揮了機(jī)床的應(yīng)用潛能。該項(xiàng)目的研究將促使行業(yè)技術(shù)人員對(duì)電火花線切割加工領(lǐng)域拓展的關(guān)注，并推動(dòng)快走絲電火花線切割技術(shù)不斷向前發(fā)展。
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