双丝筒多层绕丝线切割机床走丝机构的设计

贾志新，汪文杰

（北京科技大学机械工程学院，北京100083）

双丝筒多层绕丝线切割机床走丝机构的设计

贾志新，汪文杰

（北京科技大学机械工程学院，北京100083）

针对双速走丝电火花线切割机床的研究，介绍了几种可行的双速走丝方案，详细分析了其优缺点，重点是双丝筒走丝机构的设计。并设计了一种特殊的连杆机构来实现加工要求。

电火花线切割加工；连杆机构；双丝筒；多层绕丝

电火花线切割加工广泛应用于航空航天、模具制造、精密机械等领域，加工要求不断提升，因此需要提高现有线切割机床的加工精度和加工表面粗糙度。国内学者一直致力于线切割机床的改进，但缺乏突破性进展，究其根源是走丝系统没有进行根本性改善[1]，线切割机床没有按照金属加工的一般要求（粗、中、细加工[2]）进行加工。为解决上述问题，业内出现了多次切割机床，而高低双速走丝机床就是其中的一种类型。双速走丝机床在加工时先高速走丝对工件进行加工，之后再低速走丝进行精修，这样可大大提高加工精度和表面粗糙度。这是因为在进行多次切割时，加工区的切割环境发生了根本性变化，工件由封闭式变成半开放式，切削液和其他一些加工参数能充分发挥其最佳性能。

1 现有双速走丝方案简介

1.1 电极丝分段式

高低双速走丝线切割加工方式是由一个电机带动丝筒转动，利用程序将电极丝进行自动分段，一部分用于高速走丝，一部分用于低速走丝（图1）。该方案的改造成本较低，且机床体积也不会增大。但这一结构对控制系统的要求较高，电极丝需按一定的比例进行分段，且该比例必须是可调的。因为加工不同批次的零件，其所需的高速走丝和低速走丝的时间也不一样，因此需根据其比例自动控制高速走丝和低速走丝的区段。除此之外，由于丝筒存储电极丝的量并没增加，而电极丝却用于高低双速走丝加工，这样一来，用于高速走丝的电极丝和用于低速走丝的电极丝都会相应缩短，导致丝筒换向频繁，而换向就不可避免地会产生换向条纹，与设计初衷相悖，这也是该方案的一个不足之处。

图1 电极丝分段式设计

1.2 双走丝系统式

该方案设有两套走丝系统，一套用于高速往复走丝，另一套用于低速单向走丝（图2）。走丝系统在

加工区重合，在非加工区独立进行走丝。该结构的设计需把高低速走丝重合的部分设计成双槽导轮，分别用于钼丝和铜丝的走丝。双槽导轮之间的距离是固定的，只要通过程序就可对电极丝的定位进行补偿。但加工区的上下导轮同时应用于高速和低速走丝，而高速走丝的丝速很快，导致导轮磨损较快，从而影响低速走丝的加工精度，这就需要经常更换双槽导轮，才能保证达到加工要求，且每次从高速走丝换到低速走丝时需重新进行穿丝，费时费力，降低了加工效率。但该方案的优点在于两套走丝系统是分离的，对于控制系统的处理较简单，提高了机床的可靠性。而且用于低速走丝的铜丝是一次性使用，从而可大幅降低丝速，保证加工精度。

图2 双走丝系统式设计

2 设计方案及特点

本文提出了一种全新的设计方案，利用两个丝筒通过多层绕丝来完成加工。现有的线切割加工基本上都是单层绕丝，而本文的多层绕丝是最大的突破点，然而该特点需对机床的走丝机构进行根本性的改变，其结构示意图见图3。可看出，两个丝筒位于下方，加工时，一个丝筒电机起拖动作用，另一个丝筒电机起制动作用，从而控制电极丝的张力。丝筒只作旋转运动，不作往复直线运动，这与普通线切割机床不同，可省去导轨机构。电极丝从丝筒出来之后，进入上方的连杆机构，其中，丝杠上面的导轮随着丝杠作往复直线运动，实现电极丝的排丝，该结构较以往简洁，还能增加机构的灵活性。导轮的往复直线运动通过一个连杆机构来保证电极丝的长度不变。由于是多层绕丝，所以可通过程序控制高速走丝和低速走丝的电极丝层数，使其按照一定比例分配，这样可腾出足够的电极丝用于低速走丝，从而实现高低双速走丝加工。

该方案具有以下特点：

（1）使用双丝筒结构，丝筒没有了以往的往复直线运动，从而省去了繁重的直线导轨，电极丝的排丝是通过作往复直线运动的导轮来实现的。丝筒的贮丝量是普通机床的10倍以上，加工时可减少电极丝损耗，延长电极丝使用寿命。

（2）由于电极丝增长了，所以相应的换向时间也增长了，这就使相同时间内加工区的换向条纹大大减少，不仅增加了加工精度，而且还节省了时间，提高了加工效率。

（3）将丝筒放于下方，丝杠和导轮位于上方，这种布局便于穿丝（图4）。这是因为实际加工时，操作者都是站在丝筒后方进行穿丝的，所以该结构可节省时间。

图3 双丝筒多层绕丝机床设计

图4 连杆机构的布局

（4）该方案的连杆结构是整个走丝机构的核心部分。通过该连杆机构可保证电极丝在走丝路径中的长度保持不变，从而使走丝速度保持不变，进而提高加工精度。

3 连杆机构的运动原理

本方案在走丝系统中设计了两套对称的连杆机构（图5）。导轮3和导轮4随着丝杠作往复直线运动，导轮3和导轮6下面的连杆可绕导轮作旋转运动，且都与套筒5相连，套筒5绕固定转轴作旋转运动。图5和图6分别是导轮在丝杠上面运动时的两个极端位置，当导轮3和导轮4随着丝杠向左运动时，导轮1和导轮4之间的电极丝缩短，因为导轮3和导轮6通过连杆机构相连，所以导轮1和导轮6之间的距离变长。由于导轮3下面的连杆转轴中心到活塞筒转轴中心的距离为2L，导轮6下面的连杆转轴中心到活塞筒转轴中心距离为L，而导轮6与导轮1之间距离的变化引起导轮6两边电极丝长度的变化，再加上前文所述的比例关系，从而保证了电极丝在走丝路径中的长度保持不变，实现了电极丝走丝速度的恒定，提高了加工精度。

A Design of Running Wire Mechanism of WEDM Machine with Double Wire Winding Drums and Multilayer Wires

Jia Zhixin，Wang Wenjie
（University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

This article has a research on running wire mechanism of double-speed WEDM machine.Several kinds of feasible scheme of double-speeds are introduced and their advantages and disadvantages are analysised in detail.The mechanism design of double wire winding drums is focused particularly.A special linkage has been designed to satisfy the processing requirements.

WEDM；linkage；double wire winding drums；multilayer wires

TG661

A

1009－279X（2014）01－0022-02

2013-09-23

贾志新，男，1968年生，教授。