3D 打印技术在钼丝张力装置新产品开发的应用

张念川

(广州工程技术职业学院，广州510075)

创新是引领发展的第一动力，科技是战胜困难的有力武器。然而一款创新产品的成功还是失败，取决于产品在实验过程中能否达到预期效果。在钼丝张力装置开发过程中，由于钼丝张力装置结构比较复杂，且零件较多，同时在设计过程中需要对各零件的关键尺寸进行修改，若采用传统工艺去研发和生产，将消耗大量的时间和资金投入。为了加快产品零件生产速度，缩短研发周期，本文利用3D 打印技术具有制造速度快、加工精度高、操作简单等优势，开发钼丝张力装置新产品，取得良好效果。

1 钼丝张力装置

1.1 技术介绍

电火花线切割DK77 系列机床应用比较广泛，机床结构也比较简单，如图1 所示，特别是钼丝的恒张力调节完全由挂锤重量控制，给操作者带来很多的不便：一是需要紧丝轮来手工紧丝、钼丝拉紧、钼丝校垂直等频繁操作，特别在紧丝过程中，由于丝筒以12 m/s 高速转速，很容易造成钼丝割手的安全隐患；二是在加工过程中，电极丝在电离产生的高温腐蚀下，使丝线长度受热伸长，丝径损耗变细，从而使得张力不能有效控制，导致松了的电极丝会脱离导轮的位置，使得加工过程极不稳定，加工速度明显下降，加工质量变坏，特别是加工锥度时，由于切割方向的变化，使钼丝忽松忽紧，严重影响切割质量。图1 电火花线切割DK77 系列机床结构

图1 电火花线切割DK77 系列机床结构

1.2 现有产品分析

通过市场调查与比较，虽然有极个别专利性产品能够较好解决电火花线切割DK77 系列机床电极丝恒张力控制问题，如：双导轮款钼丝松紧调节器、自动紧丝器、微敏感钼丝紧丝器等(图2)，所有产品调节钼丝的原理基本都是靠扭力弹簧摆动导轮，形成一段弹性扭距来控制钼丝的张紧力。但是，大部分产品装上新丝后或在电极丝受热伸长超过弹簧扭距控制范围，仍需手工紧丝，使操作变得麻烦又存在一定的安全隐患。

图2 线切割自动紧丝器

1.3 钼丝张力装置设计

钼丝张力装置主要由定轮装置、 动轮装置和滑动装置等组成(图3)，该结构具有较好的滑动性，轴承与圆柱导轨配合精度高的特点，通过波轮手柄移动钼丝进行张力调节，调节距离达320 mm，能够简化手工紧丝的环节，无需手工紧丝操作。而弹簧能够控制钼丝始终保持恒定的张紧力，防止电极丝因长时间的工作发热变形松弛的情况发生，同时减少了工件加工面“腰鼓形”和短路情况，保证了加工精度。定轮装置主要由双边导轮总成与定轮座组成。该结构能够始终保持钼丝的一个理想的绕丝轨迹，增大导轮调节距离，具有较好的导向和定位功能，而动轮机构与丝筒距离相对减少，能够避免在装丝过程中的叠丝现象。安装图见图4。

图3 钼丝张力调装置

图4 钼丝张力调节装置的安装

2 零件制造

2.1 零件结构设计在实际生产中的意义

在设计零件结构时，设计者不仅要考虑满足使用要求的前提下，还要考虑制造的可行性、经济性、难易程度等，是否能够制造和便于制造，现有的条件既能方便制造，又有较低的制造成本。

2.2 钼丝张力调节装置制造

由于钼丝张力调节装置设计零件较多(图5)，为减少制造成本，较多采用标准零件(如：单元滑块、单元支撑、圆柱直线轴承、导轨等)，而这些标准零件在淘宝、京东等都可以买到，而且比较便宜；对于非标准零件只能自己加工，其中有几个零部件加工工艺比较复杂(如：定轮座、滑动固定座、动轮座)，通过传统切削工艺去研发和生产，将消耗大量的时间和资金投入。因此，为提高研发效率，先利用3D 打印机试制零件原型，来验证钼丝张力调节装置设计的效果和功能，做一个大胆尝试。如果零件满足设计要求，则可进行产品定型切削加工；如果不满足要求，修改零件设计直至满足要求为止。

图5 钼丝张力调节装置零件分类

3 3D 打印零部件

3.1 打印设备及材料

本文使用北京太尔D255 型号双喷头熔融挤压快速成型3D 打印机，成型空间：255 mm*255 mm*310 mm，打印精度在±0.2 mm 之间，打印方式采用熔融挤压快速成形技术(MEM～Melted Extrusion Modeling)，打印材料为丝状材料ABS B601。该设备可在计算机控制与管理下，根据零件的CAD 模型，通过三维实体数据分割成二维实体数据，以材料精确堆积平面加工方式，由低到高顺序粘结出多层实体的方法制造原型或零件。

3.2 模型文件切片

先利用UG 三维软件导出STL 格式零件图，然后利用Modelwizard 软件进行切片处理。将前面处理好的三维模型stl 文件导入到软件Modelwizard 中，调整好模型摆放方位。模型放置位置不同，其成型时间、成型表面质量以及添加支撑方式都会不一样［1］。为保证零件表面质量，必须根据零件形状合理放置，设置好切片参数：设置层高为0.25 mm，其它设置为默认。由于太尔D255 型号打印机工作空间比较大，因此，定轮座、滑动固定座、动轮座3 个零件可一次性设置完成打印，具体参数设置见图6。

图6 切片参数设置

3.3 打印及后处理

将Modelwizard 切片生成的数据，再通过三维打印设置(见图7)，选择好打印的输出质量及成型室的温度，输出质量软件只提供“快速”“普通”“精细”三种模式选择，一般要求的零件，选择“快速”“普通”基本可以满足零件要求，反之，精度高的零件选择“精细”即可；而成型室的温度一般设定在80°，如果在冬天室内的温度比较低时，成型室的温度应设定在80°以上；最后把设置好参数生成模型切片数据，传输至打印机SD 卡中，即可完成打印。待打印完成后，需要对打印的产品进行后期处理，去除支撑材料，最后形成成品。

图7 三维打印设置

4 专利申报

钼丝张力调节装置在3D 打印的帮助下，很快进入安装和调试阶段。由于电火花线切割DK77 系列机床丝架与丝桶距离较小，这就意味着钼丝张力调节装置设计尺寸不能与机床有干涉，并具有合理的安装角度。除此之外，还需要保证零件的工作可靠性，避免零件强度不够引发脱落等因素［2］。经反复调试修改，该装置在调试过程中工作稳定，使用方便，能够较好的保持钼丝的张紧力，而且能够降低钼丝的损耗，大大提高了生产效率和加工质量，并达到预期的效果，满足了产品定型条件(图8)。

图8 钼丝张力调节装置实物安装

5 结语

通过3D 打印技术试制零件原型，可以在装配过程中可以看出设计中存在的不足，然后进行改进。避免因某一个点的失误而影响了整个设计带来的损失，节省了在产品设计过程所消耗的时间和成本［3］。让设计者可以充分发挥自己的想象力，可以独立的进行创作，不再把自己的想法限制在传统工艺去研发和生产，给人们提供更广阔的视野［4］。