CN105195843B - 电火花线切割电极丝往复渐进式走丝方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种电火花线切割电极丝往复渐进式走丝方法及装置，其特征在于，控制电极丝做不断的往复运动，并且每次前进的长度总比后退的长度大一点，通过往复走丝的不对等性，使得电极丝整体微量推进，以抵消电极丝的损耗。所述的装置采用双丝筒结构加以实现。每次循环总有一定数量（如1mm）的新丝补充进来，因而电极丝的损耗每次就靠新补充进来的电极丝（如1mm）来补充，所以可以减少加工过程中电极丝的损耗，尤其对于切割高厚度和大切割面积的工件效果更为明显，从而提高加工精度，并且当断丝现象发生时,电极丝可以沿宽度一致的切缝快速空切到断丝点或在断丝点原地穿丝，大大提高了加工效率。

Description

电火花线切割电极丝往复渐进式走丝方法及装置

技术领域

本发明涉及一种往复走丝电火花线切割技术，具体地说是一种电火花线切割电极丝往复渐进式走丝方法及装置。

背景技术

高速往复走丝电火花线切割(HSWEDM)是我国具有完全独立知识产权的电火花线切割加工设备，因其具有很高的性价比，已经被广泛应用于精密零件及模具加工等领域。目前高速往复走丝电火花线切割机床采用往复走丝方式，这种走丝方式丝筒上电极丝可以反复使用，运行成本低，但由此也存在着以下缺陷：

（1）目前采用的丝筒绕丝方法，通常一次上丝的长度为200—300m，由于这段电极丝一直在往复放电切割，因此必然存在电极丝损耗，目前通常每切割10万mm²，电极丝直径损耗0.01mm，因此在大面积切割时，将由于电极丝的损耗导致起始切缝与最终切缝的宽度不同，对切割精度产生影响。

（2）在大面积切割过程中一旦发生断丝现象，由于电极丝从开始到断丝处已经有了损耗，因此如果此时采用退回原起割点，重新换钼丝再进行切割的方法，就会因为从起割点到断丝点的切缝宽度逐渐变窄，而影响电极丝从起割点到断丝点的进给速度，也就是说，此时从起割点到断丝点并不是空切了，而是需要再次切割才能到断丝点，这样就会大大延长总切割时间。

（3）传统的HSWEDM在走丝过程中，存在单边松丝问题，也就是在丝筒的两头，存在电极丝一头松一头紧的问题，虽然目前采用的恒张力装置（如机械重锤式张力机构，机械弹簧式张力机构等）可以部分缓解该问题，但同时也会增加断丝的几率。

发明内容

本发明的目的是针对目前高速往复走丝电火花线切割（HSWEDM）机床在切割大厚度、大切割面积工件时电极丝产生损耗进而影响加工精度，和在切割过程中发生断丝时返回原点上丝切割会因为切缝变窄不能空切而耽误回到断丝点延长加工时间，以及目前走丝***普遍存在的单边松丝问题，发明一种电火花线切割电极丝往复渐进式走丝方法及装置，它通过双丝筒使得电极丝一方面完成高速往复走丝运动，同时通过往复走丝的不对等性，使得电极丝整体微量推进，以抵消电极丝的损耗，从而使得在整个切割过程中，电极丝的损耗通过整体电极丝的渐进推进而抵消，保障在大面积切割中，切缝中的电极丝直径基本不变，从而保障了加工精度不会因为电极丝的损耗而丧失，并且当断丝情况发生时电极丝可以沿宽度一致的切缝快速空切到断丝点或在断丝点原地穿丝。此外，双丝筒结构保障了加工区域电极丝的张力处于恒定状态。

本发明的技术方案之一是：

一种电火花线切割电极丝往复渐进式走丝方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，设置两个丝筒，其中一个作为收丝筒的同时，另一个作为具有阻尼的放丝筒；

其次，在控制机构控制下，使一个丝筒正转（顺时针）作为收丝筒，另一个丝筒作为放丝筒并产生阻力，使两个丝筒之间的电极丝形成所需的张力，当放丝筒正转运动达到设定的电极丝长度后，原先正转的丝筒停止转动，原先放丝的丝筒在电机的带动下进行反转（逆时针）收丝，而原先正转的丝筒在放丝时也产生相应的阻力，使电极丝产生反向运动所需的张力，如此重复，控制电极丝每次正转运动的电极丝长度大于每次反转电极丝运动的长度，通过往复不对等长度，使得电极丝整体微量推进，以抵消电极丝的损耗。

每次电极丝正转运动的长度与电极丝反转运动的长度之差可以根据加工情况进行调节，差值范围为0.001-1米。

所述的电极丝的长度为1000-20000米。

采用的双丝筒机构，每个丝筒均能多层叠丝，丝筒两侧分别设有凸起部分从而保证上层的电极丝不会滑落；主轴通过联轴器与伺服电机相连，伺服电机受控于控制器和信号采集器采集的丝筒的转动信号；控制器控制丝筒正向转动的距离大于反向转动的距离，从而通过往复走丝的不对等性，实现电极丝的微量推进，以抵消电极丝的损耗。

所述的两个丝筒中的一个丝筒在驱动电机带动下转动时，另一个丝筒产生所需的阻力实现对电极丝的张力控制。

本发明的技术方案之二是：

一种电火花线切割电极丝渐进式走丝装置，其特征是它采用双丝筒机构，每个丝筒均能多层叠丝，丝筒和主轴采用滑动轴承连接，丝筒两侧分别设有凸起部分从而保证上层的电极丝不会滑落，丝筒的一端与凸轮相抵，以保证丝筒始终与凸轮的外轮廓接触，另一端与弹簧相抵，凸轮每转一圈，丝筒在凸轮和弹簧的共同作用下实现轴向的一次匀速往复运动，从而保证了电极丝在丝筒上能够均匀排丝；凸轮由蜗轮蜗杆机构驱动，蜗杆与主轴同轴，主轴通过联轴器与伺服电机相连，伺服电机受控于控制器和信号采集器采集的丝筒的转动信号；控制器控制丝筒正向运动的距离大于反向运动距离，从而通过往复走丝的不对等性，实现电极丝的微量推进，以抵消电极丝的损耗。

所述的蜗轮蜗杆机构的蜗轮同轴连接有同轴锥齿轮，同轴锥齿轮与凸轮轴上的驱动锥齿轮啮合而驱动凸轮轴转动。

所述的两个丝筒中的一个丝筒在驱动电机带动下转动时，另一个丝筒产生所需的阻力实现对电极丝的张力控制。

所述的正向运动距离和反向运动距离之差至少为1毫米。

本发明的有益效果：

本发明通过信号采集器反馈丝筒的转动信号，利用计算机控制伺服电机带动丝筒正转和反转，实现电极丝“前进-回退-再前进”的渐进式运动。由于丝筒可以多层叠丝，所以电极丝的长度没有限制，并且采用了双丝筒结构，保障了加工区域电极丝的张力处于恒定状态；同时通过往复走丝的不对等性，使得电极丝整体微量推进，从而使得在整个切割过程中，电极丝的损耗可以通过整体电极丝的进给而抵消，保障了在大厚度大面积的切割中，电极丝的损耗在一定的可控范围内，从而在一定程度上保障了机床的加工精度；当断丝情况发生时，只需要放弃断点之前已经使用过的电极丝，更换一个新的丝筒进行收丝即可，并且断丝后电极丝可以沿宽度一致的切缝快速空切到断丝点或在断丝点原地穿丝，大大提高了加工效率。

本发明每循环一次就至少有一定数量（如1mm）的新丝补充进来参与切割，因而电极丝的损耗每次就靠多收的1mm（或其它设定值）电极丝来做到，所以可以减少加工过程中电极丝的损耗，尤其对于切割高厚度和大切割面积的工件效果更为明显，从而提高加工精度，并且当断丝现象发生时,电极丝可以沿宽度一致的切缝快速空切到断丝点或在断丝点原地穿丝，大大提高了加工效率。

附图说明

图1是本发明的双丝筒渐进式往复走丝方式示意图。

图2是本发明实施例的往复走丝机构示意图。

图3是与图2相配的凸轮的型线示意图。

图1中L=300m，δ=1mm,空心箭头为主动轮，实心箭头为从动轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1所示。

一种电火花线切割电极丝渐进式走丝方法，其实质是控制电极丝做不断的往复运动，并且每次前进的长度总比后退的长度大一点，通过往复走丝的不对等性，使得电极丝整体微量推进，以抵消电极丝的损耗。具体做法是：

首先，设置两个丝筒，其中一个作为收丝筒的同时，另一个作为具有阻尼的放丝筒；

其次，如图1所示，在控制机构控制下，先令下丝筒作为主动轮正转，同时上丝筒作为从动轮并产生阻力，使两个丝筒之间的电极丝形成所需的张力，此时下丝筒为收丝筒，上丝筒为放丝筒，当电极丝正向运动达到设定的距离L+δ后，原先正转的丝筒停止转动，原先放丝的上丝筒在电机的带动下变为主动轮进行收丝，而原先正转的下丝筒变为从动轮在放丝时也产生相应的阻力，使电极丝产生反向运动所需的张力，此时电极丝反向运动距离为L。如此重复，控制电极丝每次正向运动的距离大于每次反向运动的距离，即每次循环前进距离δ（取值范围为0.001-1米之间，图1中的取值为1毫米），通过往复不对等走丝，使得电极丝整体微量推进，以抵消电极丝的损耗。

利用所述的电火花线切割电极丝渐进式走丝方式，实现对工件尤其是对大厚度和大切割面积的工件的加工，可以有效地减小并且控制电极丝在加工过程中的损耗，从而在一定程度上提高了机床的加工精度；当断丝情况发生时，只需要放弃断点之前已经使用过的电极丝,更换一个新的丝筒进行收丝即可，并且由于电极丝的损耗很小，电极丝可以沿宽度一致的切缝快速空切到断丝点或在断丝点原地穿丝，提高了加工效率。

实施例二。

如图2、3

一种电火花线切割电极丝渐进式走丝方法，其实质是控制电极丝做不断的往复运动，并且每次前进的长度总比后退的长度大一点，通过往复走丝的不对等性，使得电极丝整体微量推进，以抵消电极丝的损耗。具体做法是：

首先，设置两个丝筒，其中一个作为收丝筒的同时，另一个作为具有阻尼的放丝筒；

其次，使两个丝筒的一端均与对应的驱动电机相连的同时与推动其轴向移动的凸轮相抵，使两个丝筒的另一端均与一弹簧相抵；在凸轮和弹簧的共同作用下，电极丝在丝筒上均匀自动排丝；

第三，在控制机构控制下，使一个丝筒正转作为收丝筒，另一个丝筒作为放丝筒并产生阻力，使两个丝筒之间的电极丝形成所需的张力，当放丝筒正向运动达到设定的距离后，原先正转的丝筒停止转动，原先放丝的丝筒在电机的带动下进行收丝，而原先正转的丝筒在放丝时也产生相应的阻力，使电极丝产生反向运动所需的张力，如此重复，控制电极丝每次正向运动的距离大于每次反向运动的距离，通过往复不对等直丝，使得电极丝整体微量推进，以抵消电极丝的损耗。

如图2所示，本发明采用双丝筒机构，丝筒21、17可以多层叠丝，丝筒和主轴采用滑动轴承连接，丝筒两侧分别设计有凸起部分从而保证上层的电极丝不会滑落，丝筒靠近凸轮端有一周凸起部分，以保证丝筒始终与心形凸轮的外轮廓接触。理论上，该丝筒可满足无限长度电极丝的贮丝要求，实际选用的电极丝长度为1000m-20000m。蜗轮蜗杆机构5、15以及相互啮合的锥齿轮23、24和9、10，将主轴的旋转运动按照一定的传动比传递给凸轮25、7，其中锥齿轮23、9分别和蜗轮5、15同轴，锥齿轮24、10分别和锥齿轮23、9啮合，锥齿轮24、10分别和凸轮25、7同轴。所述的凸轮25、7的形状是根据丝筒21、17的尺寸和电极丝19的直径来设计的，凸轮25、7每转一圈，丝筒21、17在凸轮25、7和弹簧20、18的共同作用下实现轴向的一次匀速往复运动，从而保证了电极丝在丝筒上能够均匀排丝。丝筒可通过单键或花键结构套装在主轴上，以保证丝筒能在主轴上作轴向移动的同时又能在花键结构的带动下旋转，实现收丝和放丝。信号采集器1、11（可采用编码器或编码盘）将两个丝筒的转动信号分别传递给计算机，通过计算机控制伺服电机2、12正转与反转。所述的伺服电机2从一开始正转，从而丝筒21收丝，此时丝筒17作为放丝筒，并形成阻力矩，从而控制电极丝19的张力，电极丝19正向运动300.001m，信号采集器11、1实时采集并反馈上下两个丝筒的运动信号，当达到换向要求时，计算机控制伺服电机2反转，丝筒17收丝，丝筒21放丝并形成阻力矩，此时丝筒17作为收丝筒，丝筒21作为放丝筒，电极丝19反向运动300米，不断重复以上过程，从而实现电极丝一方面循环往复同时又总体上前进的“前进-回退-再前进”的渐进式运动。运丝过程中，张力由计算机设定的阻力矩决定从而保障了电极丝张力的恒定。此处的300m和1mm为假定值，其它合适的数值也为本发明的保护权利。

所谓渐进式运丝：就是例如：控制电极丝前进300.001m，后退300m，再前进300.001米，后退300米，不断重复以上过程，在每次往复走丝过程中，电极丝实现每次总体向前推进1mm而进行的总体式前进的循环往复运动。本发明的两个贮丝筒21、17的两侧分别设计有凸起部分从而保证电极丝多层叠丝，理论上，该贮丝筒可满足无限长度电极丝的贮丝要求。蜗轮蜗杆机构5、15以及相互啮合的锥齿轮23、24和9、10，将主轴的旋转运动按照一定的传动比传递给凸轮25、7，其中锥齿轮23、9分别和蜗轮5、15同轴，锥齿轮24、10分别和锥齿轮23、9啮合，锥齿轮24、10分别和凸轮25、7同轴。所述的凸轮25、7的形状是根据贮丝筒21、17的尺寸和电极丝19的直径来设计的，凸轮25、7每转一圈，贮丝筒21、17在凸轮25、7和弹簧20、18的共同作用下实现轴向的一次匀速往复运动，从而保证了电极丝在贮丝筒上能够均匀排丝。安装在两个主轴上的信号采集器1、11将两个贮丝筒的转动信号分别传递给计算机，通过计算机控制伺服电机2、12进行正转与反转。所述的伺服电机2从一开始正转，从而贮丝筒21收丝，此时贮丝筒17作为放丝筒，并形成阻力矩，从而控制电极丝19的张力，电极丝19正向运动300.001m，信号采集器11、1实时采集并反馈上下两个贮丝筒的运动信号，当达到换向要求时，计算机控制伺服电机2反转，贮丝筒17收丝，贮丝筒21放丝并形成阻力矩，此时贮丝筒17作为收丝筒，贮丝筒21作为放丝筒，电极丝19反向运动300米，不断重复以上过程，从而实现电极丝一方面循环往复但同时又总体前进（每个循环前进1mm-1米之间）的“前进-回退-再前进”的渐进式运动。运丝过程中张力由计算机设定的阻力矩决定从而保障了电极丝张力的恒定。

实施例三。

如图2-3所示。

一种电火花线切割电极丝渐进式走丝装置，它采用双丝筒机构，它包括电极丝19、丝筒21、17、伺服电机2、12、编码器1、11、联轴器3、13、轴承4、6、14、16、蜗轮蜗杆5、15、锥齿轮23、24、9、10、凸轮25、7、齿轮轴22、8和弹簧20、18，两个丝筒17、21均能多层叠丝，丝筒17、21和主轴采用滑动轴承连接，丝筒两侧分别设有凸起部分从而保证上层的电极丝不会滑落，丝筒的一端与凸轮相抵，以保证丝筒始终与凸轮的外轮廓接触，另一端与弹簧相抵，凸轮每转一圈，丝筒在凸轮和弹簧的共同作用下实现轴向的一次匀速往复运动，从而保证了电极丝在丝筒上能够均匀排丝；丝筒可通过单键或花键结构套装在主轴上，以保证丝筒能在主轴上作轴向移动的同时又能在花键结构的带动下旋转，实现收丝和放丝。凸轮由蜗轮蜗杆机构驱动，蜗杆与主轴同轴，主轴通过联轴器与伺服电机相连，伺服电机受控于控制器和信号采集器采集的丝筒的转动信号；控制器控制丝筒正向运动的距离大于反向运动距离，从而通过往复走丝的不对等性，实现电极丝的微量推进，以抵消电极丝的损耗。如图2所示，编码器11、1安装在靠近伺服电机的主轴上；其中，所述的丝筒可多层叠丝，丝筒和主轴采用滑动轴承连接，丝筒两侧分别设计有凸起部分从而保证上层的电极丝不会滑落，丝筒靠近凸轮端有一周凸起部分，以保证丝筒始终与心形凸轮（如图3）的外轮廓接触。丝筒直径为158mm，两侧凸起的保护壁高度为25mm，丝筒宽度（不包括凸起部分）为50mm，电极丝选用直径为0.18mm的钼丝，排丝距为0.25mm，这样丝筒上每层可绕200圈电极丝，一共可绕100层左右，电极丝总长度约为10000m。所述的蜗轮蜗杆机构5、15以及相互啮合的锥齿轮23、24和9、10，将主轴的旋转运动按照一定的传动比传递给凸轮25、7，其中锥齿轮23、9分别和蜗轮5、15同轴，锥齿轮24、10分别和锥齿轮23、9啮合，锥齿轮24、10分别和凸轮25、7同轴。蜗轮蜗杆5、15的传动比为80，锥齿轮23和24，以及9和10的传动比为5，这样整个机构的总传动比为400，正好实现凸轮转一周，丝筒转400圈，即凸轮转一圈带动丝筒往复运动一次的同时电极丝正好排了两层丝。要使电极丝的排丝均匀，凸轮必须带动贮丝筒做匀速往复运动，凸轮的形状须根据丝筒尺寸和电极丝的排丝距来定。凸轮的设计如图2所示：取凸轮基圆半径为40mm，则凸轮的外轮廓线方程在极坐标系中表示为：ρ=（40+50θ/π）mm（0<θ<π），当π<θ<2π时，对称即可。凸轮25、7每转一圈，贮丝筒21、17在凸轮25、7和弹簧20、18的共同作用下实现轴向的一次匀速往复运动，从而保证了电极丝在贮丝筒上能够均匀排丝。

电极丝渐进式运动方式的控制过程采用10位的编码器作为信号采集器安装在靠近伺服电机的主轴上，则伺服电机的运动控制精度为：158π/2¹⁰=0.48mm，随着层数的增加绕丝直径变大，所以控制精度大约为0.5mm，可以满足电极丝往复运动的精度要求。下面给出电极丝损耗的模型讨论：用长度300m的电极丝，以10m/s的切割速度和100mm²/min的切割效率切割工件，则每切割10⁵mm²工件，电极丝损耗0.01mm。本发明利用10位编码器实时采集并反馈上下两丝筒的运动信号，伺服电机2从一开始正转，而丝筒21收丝，此时丝筒17作为放丝筒并形成阻力矩，从而控制电极丝19的张力，电极丝19正向运动300.001m。假设电极丝所在的层数为k，电极丝为直径0.18mm的钼丝，丝筒直径为158mm，当电极丝19正向运动300.001m，即丝筒17正向转动600002/(158+0.18 k)角度时，计算机获得编码器发过来的换向信号，进而控制伺服电机2反转，丝筒17收丝，丝筒21放丝并形成阻力矩；当电极丝19反向运动300m，即丝筒17反向转动600000/(158+0.18 k)角度时，计算机再次获得编码器发来的换向信号，进而控制伺服电机17正转，不断重复以上过程，前4个循环内，丝筒17转过的角度θ与时间t的关系以及整个机构的加工简图如图3所示。每次循环电极丝补充进来1mm的新丝，代入上述建立的模型，可得此段电极丝损耗了0.01mm，而加工过程的放电间隙为10μm，所以电极丝的损耗量满足加工要求，可以在断丝后实现原地穿丝。其中300m和1mm可自行设定，其数值的选择应在代入上述模型后能使得电极丝的损耗满足要求。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种电火花线切割电极丝往复渐进式走丝方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，设置两个丝筒，其中一个作为收丝筒的同时，另一个作为具有阻尼的放丝筒；

其次，在控制机构控制下，使一个丝筒正转作为收丝筒，另一个丝筒作为放丝筒并产生阻力，使两个丝筒之间的电极丝形成所需的张力，当放丝筒正转运动达到设定的电极丝长度后，原先正转的丝筒停止转动，原先放丝的丝筒在电机的带动下进行反转收丝，而原先正转的丝筒在放丝时也产生相应的阻力，使电极丝产生反向运动所需的张力，如此重复，控制电极丝每次正转运动的电极丝长度大于每次反转电极丝运动的长度，通过往复不对等长度运丝，使得电极丝整体微量推进，以抵消电极丝的损耗。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的每次正转运动的电极丝长度与反转运动的电极丝长度之差0.001-1米。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的电极丝的长度为1000-20000米。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是它采用双丝筒机构，每个丝筒均能多层叠丝，丝筒两侧分别设有凸起部分从而保证上层的电极丝不会滑落；主轴通过联轴器与伺服电机相连，伺服电机受控于控制器和信号采集器采集的丝筒的转动信号；控制器控制丝筒正向转动的距离大于反向转动的距离，从而通过往复走丝的不对等性，实现电极丝的微量推进，以抵消电极丝的损耗。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的两个丝筒中的一个丝筒在驱动电机带动下转动时，另一个丝筒产生所需的阻力实现对电极丝的张力控制。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是考虑到便于更换电极丝，两个丝筒采用套在丝筒主轴的方式，并且可以取下。

7.一种电火花线切割电极丝渐进式走丝装置，其特征是它采用双丝筒机构，每个丝筒均能多层叠丝，丝筒和主轴采用滑动轴承连接，丝筒两侧分别设有凸起部分从而保证上层的电极丝不会滑落，丝筒的一端与凸轮相抵，以保证丝筒始终与凸轮的外轮廓接触，另一端与弹簧相抵，凸轮每转一圈，丝筒在凸轮和弹簧的共同作用下实现轴向的一次匀速往复运动，从而保证了电极丝在丝筒上能够均匀排丝；凸轮由蜗轮蜗杆机构驱动，蜗杆与主轴同轴，主轴通过联轴器与伺服电机相连，伺服电机受控于控制器和信号采集器采集的丝筒的转动信号；控制器控制丝筒正向运动的距离大于反向运动距离，从而通过往复走丝的不对等性，实现电极丝的微量推进，以抵消电极丝的损耗。

8.根据权利要求7所述的电火花线切割电极丝渐进式走丝装置，其特征是所述的蜗轮蜗杆机构的蜗轮同轴连接有同轴锥齿轮，同轴锥齿轮与凸轮轴上的驱动锥齿轮啮合而驱动凸轮轴转动。

9.根据权利要求7所述的电火花线切割电极丝渐进式走丝装置，其特征是所述的双丝筒中的一个丝筒在驱动电机带动下转动时，另一个丝筒产生所需的阻力实现对电极丝的张力控制。

10.根据权利要求7所述的电火花线切割电极丝渐进式走丝装置，其特征是所述的正向运动距离和反向运动距离之差至少为1毫米。