!" !!!!" !" Equipment Manufactring Technology No.8, 2008 !!!!" 工艺与工装 数控线切割机床锥度加工误差分析 李德荣, 梁永回 ( 广东海洋大学工程学院, 广东 湛江 524088 ) 摘要: 系统介绍了锥度切割装置基本结构及工作原理, 详细分析了锥度切割加工形位误差的影响因素, 并提出补偿量的计算方法, 为 自动编程时作出合理的补偿提供了理论依据。 关键词: 线切割; 锥度加工; 形位误差 中图分类号: TG487 文 献 标 识 码:A 文章编号: 1672- 545X( 2008) 08- 0120- 02 随着生产的发展和科学实验的需要, 零件的形状越来越 复杂, 特殊的要求也越来越多。在有些方面使用传统的加工方 法很难达到目的, 甚至根本无法实现。特种加工就是在这种前 提条件下产生和发展起来的。电火花线切割加工属于特种加 工的一种, 它利用沿导轮移动的细金属导线作电极, 对工件进 行脉冲火花放电将金属切割成形, 是一种非接触式加工, 广泛 应 用 于 各 种 难 加 工 材 料 、刀 具 、模 具 、复 杂 表 面 和 有 特 殊 要 求 的零件的加工。通常在切割无锥度的零件时, 只要正确选择加 工工艺参 数( 电 规 准) 和 合 理 的 丝 径 补 偿 量 都 能 满 足 零 件 的 加 工要求; 在加工带锥度零件时, 由于电极丝的偏摆, 不可避免 地会给切割带来误差。故详细分析因电极丝偏摆导致锥度切 割加工形位误差的影响因素, 对在自动编程时作出合理的补 偿尤为重要。 1 实现偏摆的基本结构分析 数控线切割机床上的锥度切割是通过锥度线架来实现 的, 常见的锥度切割原理是下导轮中心轴线固定不动, 步进电 机 驱 动 十 字 拖 板 , 带 动 上 导 轮 完 成 U, V 坐 标 的 移 动 , 使 电 极 丝 与 垂 直 线 偏 移 角 度 , 配 合 X, Y 轴 按 轨 迹 运 动 来 实 现 锥 度 加 工, 即四轴联动, 其中步进电机驱动的十字拖板称为锥度头。 目前在数控线切割机床上使用的锥度线架主要分为两种结 构: 平移式线架、摆动式线架。 1.1 平移式线架 上 导 轮 U, V 方 向 平 移 简 图 。 图 1 中 下 导 轮 固 定 不 动 , 上 导 轮 在 U 方向左右平移时, 平移的距离越大, 角度变化越大, 电极 丝偏向导轮的一个侧面, 导轮单面受磨损。如果锥度超过 6° 时, 电极丝 极 易 从 导 轮 槽 内 跳 出 , 所 以 平 移 式 线 架 只 适 于 6° 以下的小锥度切割。 1.2 摆动式线架 图 2 是摆动式线架的示意图。上丝臂通过锥度头做 4 个 方向的平移, 上下丝臂内各有一个转轴, 每个转轴的前端与导 轮相接, 后端通过铰链与伸缩摆杆相接, 组成平行四边形四连 杆机构。根据四连杆运动原理, 前后平移做平行四边形的变 化, 电极丝不会伸长或缩短; 左右运动是以下转轴为轴心进行 摆动, 前后四个导轮始终在一个平面内, 上下转轴转动相同的 角度, 其效果是无论导轮偏转多大角度, 电极丝都不会从导轮 槽内跳出。上下导轮间的电极丝做圆锥运动时, 角度变化越 大, 锥度就越大, 所以摆动式线架是较理想的大锥度切割机 构, 目前己得到广泛的应用。 图 2 摆动式线架示意图 2 锥度加工形位误差分析 图 1 上导轮 U, V 方向平移简图 平移式线架是在线架的上丝臂前安装锥度头, 上导轮悬 挂在锥度头的下方。这种锥度线架结构简单, 精度高。图 1 是 锥度切割时, 由于电极丝的偏摆, 与垂直状态相比, 电极 丝在水平截面上的几何形状由圆变成椭圆, 产生刀位误差; 同 时 , 由于电极丝的偏摆, 在 V 向带来切点变化或在 U 向引起 切点滑移, 相应地都会导致一定的加工形位误差。下面分别进 行分析。 2.1 加工锥度时产生的刀位误差 电极丝偏摆后, 在水平截面上的几何形状并不是圆, 而是 椭 圆 , 如 编 程 时 仍 按 电 极 丝 半 径 R、放 电 间 隙 ! 等 参 数 设 置 丝 收稿日期: 2008- 05- 01 作者简介: 李德荣(1968—), 男, 湖北松滋人, 广东海洋大学工程学院机械工程师, 从事数控加工、CAD/CAM、自动控制方面的研究。 120 径补偿量, 会使加工的凸锥尺寸小于理论尺寸, 凹锥尺寸大于 理论尺寸, 特别是被加工件的锥度越大, 产生的误差越大。 按椭圆方程有: x2 y2 a2 + b2 = 1 a =(d 2 + !) / cos an b= d 2 + ! 式 中 d 为 电 极 丝 直 径( mm) , ! 为 放 电 间 隙( mm) , an 为 电 极丝偏摆角( °) 。 切割曲线时, 椭圆上切割点的位置及向径是变化的。而一 般的线切割编程时, 将电极丝偏移量设为定值而生成切割轨 迹, 这就必然会使加工出来的廓形产生误差。例如切割棱锥, 当 d = 0.18 mm, ! = 0.01 mm , an = 30°时 , 最 大 廓 形 误 差 可 达 △= a - b = 0.015 mm; 当 d = 0.18 mm, ! = 0.01 mm , an = 45°时, 最大廓形误差可达 △= a - b =0.041 mm。 考虑到零件加工轮廓几何逼近误差、编程插补误差和机 床加工系统误差, 故由电极丝偏摆引起的轨迹误差应控制在 总误差的 1/3 以内较为合理。超过这个范围, 则必须对电极丝 刀位点进行必要的修正, 以实现精确控制。刀位点修正的原则 是: 根据椭圆上切割点的位置反求椭圆中心轨迹。 2.2 V 向切点变化带来的误差 当进行锥度加工时, 其支撑切点随着锥度的形成会有较 小的变化, 相应地给切割带来一定的误差。V 向切点变化带来 的误差如图 3 所示。 r1 A1 O1 上导轮 a n A1 V A 2 电极丝 《装备制造技术》2008 年第 8 期 当上导轮沿 V 方向移动到 r1 圆的最大位置 时 , 电 极 丝 与 上导轮的切点位置由 A1 移动到 A2, 与 下 导 轮 的 切 点 位 置 由 B1 移动到 B2, 电极丝的位置产生了△V 的误差。由图 3 可得 △V = R cosan - R=R( 1 cosan - 1) 式中 R 为导轮半径( mm) , an 为电极丝偏摆角( °) 。例如, 当 R = 16 mm, an = 6°时, 计算出△V 的误 差 为 0.088 mm。 这 类误差通过控制系统进行补偿。 2.3 U 向偏摆带来的误差 用平移式线架结构的机床加工小于 6°的小锥度零件, 电 极丝 U 向偏摆时, 电极丝受偏摆拉力作用, 切点沿导轮槽面滑 移, 如图 4 所示。随着 U 轴的移动, 这一拉力会在导轮槽内产 生不同的滑移, 导致不同的 U 向误差。根据实验, 切割小于 6°的锥度零件, 这一误差在总误差的 1/3 以内, 且不易定 量 计 算, 所以一般只作定性分析。 A A A- A 图 4 U 向偏摆带来锥度切割误差分析 3 结束语 平移式线架适合于小锥度的加工, 摆动式线架适合于大 锥度加工。通过对锥度切割加工形位误差影响因素的分析, 在 自动编程时有针对性地作出合理的补偿, 可以提高锥度切割 的加工精度。 H a n an 下导轮 R B1 O2 B 2 图 3 V 向切点变化带来锥度切割误差分析 参考文献: [1] 张学仁 . 电火花线切割加工技术工人培训自学教材[ M ] . 哈 尔 滨 : 哈尔滨工业大学出版社, 2001. [2] 卢 登 星 . 电 极 丝 不 倾 斜 式 四 轴 向 联 动 锥 度 线 切 割 机 [J] . 电 加 工 , 1999( 5) : 34 - 36 [3] 张 志 凤 , 戴 月 红 . 数 控 线 切 割 机 床 锥 度 加 工 分 析 [J] . 模 具 技 术 , 2007( 2) : 50 - 52 [4] 李 必 文 , 廖 卫 献 , 周 荣 安 , 王 湘 江 . 线 切 割 加 工 锥 度 时 刀 位 点 的 修 正[J] . 制造技术与机床, 2003( 4) : 48 - 49. Ana lys is of the Ge ome tric Error of Ta pe r Cutting with NC- WEDM Ma chine LI De- rong, LIANG Yong- hui ( Engineering College of Guangdong Ocean University, Zhanjiang Guangdong 524088, China) Abs tract: This paper makes a systematic introduction of the structure and the technical principle of taper cutting device of WEDM machine, as well as a detailed analysis of the effective factors of geometric error. It also proposes the compensation calculation method, aiming at providing theory for the exact compensation in automatic programming. Key Words : WEDM; Taper cutting; Geometric error 121