中走丝线切割机在小模数齿轮加工中的应用

程 荣，余光辉

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

目前,小模数齿轮广泛应用在微电机的减速机构中，一般采用滚齿或者插齿的加工方法。在多品种小批量生产或者新品试制时，定制加工刀具和制作专用工装既延长生产周期又将提高生产成本。而传统的滚齿或者插齿加工方法无法快速响应，采用电火花线切割加工方法可以弥补传统工艺的不足。

电火花线切割加工柔性好，工艺准备时间短，一般情况下不受齿轮模数、压力角、齿数的限制，通过程序改动可直接加工齿轮。然而，电火花线切割机有不同的种类和加工方式，如何选择合适的机床种类和加工方式来满足多品种小批量小模数齿轮制造在质量、效率和成本上的要求，便成为了工艺设计人员需要研究解决的问题。

1 不同种类电火花线切割机的对比

1.1 电火花线切割机的分类

电火花线切割机分为三类：快走丝电火花线切割机、慢走丝电火花线切割机和中走丝电火线切割机。

快走丝电火花线切割机又被称作高速往复走丝线切割机，一般选用钼丝作为电极丝。电极丝以8～10 m/s的速度经过工件并进行放电腐蚀，因速度较快容易在工件表面形成条纹，工件表面质量较低。同时，电极丝采用往复走丝的方式，且设备没有恒定张力控制的措施，故切割时电极丝会发生停顿、抖动和断丝，影响工件的加工精度，加工质量严重降低。

慢走丝电火花线切割机又被称作低速单向走丝线切割机，一般选用铜丝作为电极丝。电极丝以0.2 m/s的速度进行单向连续放电腐蚀，因电极丝速度较低且不重复使用,且设备有恒张力控制的措施，故加工平稳、抖动较小、均匀，加工精度高，工件表面质量接近于磨削的水准。但由于机床采用无电阻防电解电源、全闭环伺服控制、精密机械结构，其价格比较高，因此相较于快走丝线切割机，使用成本较高。

中走丝电火花线切割机是将慢走丝线切割机的切割工艺融入到快走丝线切割机中，从而达到多次切割和无条纹切割要求，一般选用钼丝作为电极丝。中走丝兼顾了慢走丝和快走丝二者在切割工件时的优点，即在多次切割过程中，第一次采用快走丝的高速进行粗切割，第二次及后面几次采用慢走丝的低速进行精修与精磨，这样加工精度和表面质量可得到一定程度的提升，加工质量比快走丝高、但比慢走丝低。

1.2 电火花线切割机主要性能和加工成本的对比

电火花线切割机的性能主要体现在加工精度、表面粗糙度、最大切割面积速度、切割方式等方面，表1详细地列举了现阶段不同种类电火花线切割机的主要性能参数。

表1 快走丝、中走丝和慢走丝电火花线切割机主要性能参数

电火花线切割机的加工成本主要由机床的价格、耗材的损耗、使用时长等方面构成，表2列举了某单位不同种类电火花线切割机的加工成本。

表2 某单位快走丝、中走丝和慢走丝电火花线切割机的加工成本

通过对不同种类电火花线切割机主要性能和加工成本的对比，同时结合多品种小批量小模数齿轮制造时在质量、效率和成本上的要求，我们分析得知：

(1) 慢走丝电火花线切割机的加工精度和表面质量最高，但加工成本也最高，故加工经济性相对较差。在小模数齿轮加工应用中，要综合考虑工艺的经济性，即在满足加工质量的前提下尽可能选用加工成本低的工艺设备，所以慢走丝电火花线切割机不是最优选择。

(2) 快走丝电火花线切割机虽然加工成本最低，但是加工质量也最差，无法满足小模数齿轮精度和表面粗糙度的要求，不适合用于小模数齿轮的制造。

(3) 中走丝电火花线切割机的加工质量与慢走丝相似，加工成本与快走丝相近，较好地弥补了在小模数齿轮加工中慢走丝成本高、快走丝质量差的缺陷，适用于多品种小批量小模数齿轮的生产。

(4) 电火花线切割机的加工效率主要由平均切割面积速度来决定，快走丝的加工效率最高，其次是中走丝，最后是慢走丝。

综上所述，在多品种小批量小模数齿轮加工中选用中走丝电火花线切割机最合适，该机床能满足齿轮制造时在质量、效率和成本上的要求。

2 电火花线切割加工方式的对比

电火花线切割的加工方式分为两种：单次切割和多次切割，其中多次切割的加工方式仅在中走丝、慢走丝电火花线切割机中可以实现。

单次切割的加工方式是指利用电极丝对表面进行一次切割。单次切割过程中，采用大的脉冲能量以获得较高的加工速度，加工质量较低。

多次切割的方式是指利用电极丝对表面先后进行两次或两次以上的切割。第一次切割时为高速走丝切割，类似于快走丝切割，并留有精割余量；第二次及后续多次切割时为低速走丝切割，采用同一切割轨迹程序，通过逐渐缩小补偿量的方法进行切割加工。随着切割次数的增多，补偿量应逐级减小，直至最后一次切割时，补偿量应接近零。多次切割过程中，第一次切割主要进行高速粗割，第二次及后续切割主要进行低速精割，最后一次切割主要进行超低速修光，以获得理想的加工精度和表面质量，加工质量较高。

为了更直观地比较两种加工方式在加工质量上的差异，我们选用厚40 mm的Cr12正八棱柱(对边距28 mm)作为样件，用中走丝电火花线切割机进行单次切割和多次切割实验，实验结果如表3所示。

表3 中走丝线切割机一次与多次切割检测数据

采用多次切割时，工件的加工质量得到了明显提高，而且切割次数越多，加工质量越高。但是过多的切割次数，会降低加工效率，提高加工成本。基于工艺经济性的原则，我们要严格控制切割次数，在满足加工质量的同时尽可能地提高加工效率、降低加工成本。

综上所述，在多品种小批量小模数齿轮加工中选用多次切割的加工方式最合适，能满足小模数齿轮制造时在质量、效率和成本上的要求。

3 小模数齿轮加工实例

在某型号小模数齿轮加工时，我们分别采用中走丝电火花线切割机和快走丝电火花线切割机进行加工质量的对比，中走丝电火花线切割机在加工时采用多次切割的加工方式；而快走丝电火花线切割机在加工时采用单次切割的加工方式，加工效果如图1所示。

(a) 快走丝

通过加工实物对比，我们发现中走丝加工的齿轮质量明显优于快走丝，进一步验证了本文对比结果的正确性。

4 结 语

中走丝电火花线切割机的加工质量与慢走丝相似，加工成本与快走丝相近，较好地弥补了慢走丝成本高、快走丝质量差的缺陷。

多次切割的加工方式相比于单次切割可以获得更好的加工质量，而且切割次数越多，加工质量越好。但是过多的切割次数，会降低加工效率，提高加工成本。基于工艺经济性的原则，我们要严格控制切割次数，在满足加工质量的同时尽可能地提高加工效率、降低加工成本。

在多品种小批量小模数齿轮加工中选用中走丝线切割机和多次切割的加工方式最合适，它能满足齿轮制造时在质量、效率和成本上的要求。