一种自动抑制钼丝形位变化的装置的制作方法

本申请涉及线切割机床领域，具体涉及一种自动抑制钼丝形位变化的装置。

背景技术：

线切割加工是利用连续移动的细金属丝作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属或切割成型，该设备主要用于加工超硬钢材、硬质合金、各种形状复杂及精密细小的工件。电极丝(以下简称钼丝)是一种由钼等贵金属制造而成的细金属丝，钼丝通过介质(工作液、乳化液、电解液等)与工件发生放电，腐蚀金属达到切割成型的目的。

近年来，随着自动化技术的不断发展，各种数控线切割设备(以下均指中走丝线切割机床)在电加工行业中已逐渐普及，其机械精度、位置闭环控制、高频电源等技术都达到了较高水平，如：恒张力装置的安装使用，以及采用过跟踪加工控制技术等，使得因走丝机构所导致的钼丝径向振动幅度不断减小，而对空间形位变化实施主动抑制技术却相对滞后，钼丝放电力所造成的空间形位变化逐渐成为影响精度的主要原因，一直是阻碍加工质量和效率提高的技术难题。现有线切割机床，钼丝受力主要是放电通道的作用力(放电力)和轴向张力等，当钼丝受到横向(径向)放电力作用而产生空间形位变化时(如图1，以下简称形位变化)，必须通过加工段钼丝上下两个导向器孔来限制钼丝偏离导轮外沿支点(切点)连线的距离(钼丝挠度)，该方法对减少形位变化具有一定的作用，但由于制造业对零件精度等级要求越来越高，迫切需要改进技术以全面提升设备加工精度，目前导向器减小形位变化方法主要有以下不足：

1、放电力引起钼丝形位变化并使钼丝与导向器产生滑动摩擦，使钼丝和导向器的磨损非常严重必须定期更换，进而降低了生产效率，增加了生产成本；因磨损必须经常调整钼丝补偿值，使复杂大工件连续加工精度难以保证。

2、导向器对抑制放电力所引起的形位变化不具有主动性，更不具有“数字化、自动化”施用控制能力，且对钼丝被动限制作用有限(导向器孔直径比钼丝直径大至少0.02mm)，仅在一定程度上减少放电力的影响，即钼丝的形位变化不可避免，也就无法实现让钼丝处于理想状态下加工，使加工精度难以进一步提高及导致放电状态不稳定影响加工速度。

3、由于无法克服形位变化，使最终加工精度受到较大影响(形位误差大、凹凸模不配套等)，甚至容易出现“塌角”等严重质量问题。

4、由于线切割往往是多刀(多次)加工，而第二刀以后的放电力远小于第一刀的放电力，使第一刀与后续第二刀(或多刀)加工的加工轨迹线(放电力不同，挠度和弧线形状都不一样)重合度不好。

5、由于放电力作用使钼丝加工通道为弧线状，从而减缓工作液将电蚀屑带出放电区域，容易导致放电状态恶化，产生二次放电或短路等现象。

多年来上述问题一直未得到有效地改善。因此，改变电加工形位变化抑制技术的落后面貌，使电加工技术更加科学化、智慧化、自动化和精准化对数控线切割技术进步具有重要的意义。

技术实现要素：

本申请目的是：针对上述问题，本申请提供一种自动抑制钼丝形位变化的装置，同时还提出一种配置这种装置的数控线切割机，以最大限度地使钼丝呈直线姿态，从而提高线切割加工质量和效率。

本申请的技术方案是：

一种自动抑制钼丝形位变化的装置，其特征在于，包括：

带有通孔的基体，

与所述基体相固定、且布置于所述通孔中的左右隔开布置的左线圈和右线圈，

形成于所述左线圈和所述右线圈之间的钼丝通道，

为所述左线圈和所述右线圈供电从而在所述钼丝通道处产生电磁场的线圈供电电路，以及

驱动所述基体围绕所述钼丝通道转动的动力设备。

本申请在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

所述动力设备为步进电机。

所述步进电机的电机驱动器和所述线圈供电电路均与数控线切割机的数控系统电路连接。

所述左线圈和所述右线圈同轴布置，并且所述左线圈和所述右线圈的轴线与所述通孔的孔轴线垂直相交。

所述左线圈和所述右线圈以所述通孔的孔轴线为中心对称布置。

所述基体包括：

磁环，

同轴固定于所述磁环下方的滑环，

固定于所述滑环外围的外齿圈，以及

与所述磁环相固定、且径向向内伸出的两个磁柱；

所述左线圈和所述右线圈分别缠绕在所述的两个磁柱上，所述动力设备通过齿轮传动机构与所述外齿圈传动连接。

还包括一底座，所述滑环与所述底座枢转滑动连接。

还包括磁屏蔽罩，所述磁屏蔽罩将所述左线圈、所述右线圈、所述磁环、所述滑环和所述的两个磁柱均收容于其内。

本申请的优点是：

1、本申请这种形位控制装置让作用力始终沿着切割方向，对加工段钼丝实施“数字化”精准控制，从而主动抵消放电力来减少乃至消除钼丝空间形位变化，最大限度地使钼丝与上下导轮外沿支点(切点)连线方向一致(近似“准”直线姿态)，从而提高工件加工精度。

2、减少乃至消除钼丝形位变化，使钼丝处于稳定直线的移动姿态，有助于保持钼丝加工段的稳定性，改善间隙放电加工状态，提高数控线切割加工速度。同时，也提高了第一刀与后续第二刀(或多刀)加工的加工轨迹线重合度。

3、本装置可以通过抵消钼丝放电力，减少其形位空间变化，从而大幅减少上下导向器与钼丝的滑动摩擦，提高了二者的使用寿命，实现了无接触“挡丝”。另外本装置为非接触控制装置，在有效减少对钼丝的磨损同时，工作液对钼丝的喷射也不会对装置产生任何影响。

4、由于本装置能够减少钼丝挠度，使钼丝加工通道近似为一直线，从而有利于工作液将电蚀屑带出放电区域，很大程度减少二次放电或短路等问题出现几率。

附图说明

下面结合附图及实施例对本申请作进一步描述：

图1为线切割加工过程中钼丝形位变化示意图；

图2为本申请实施例中数控线切割机的整体原理图；

图3为本申请实施例中自动抑制钼丝形位变化的装置的内部结构示意图；

图4为本申请实施例中自动抑制钼丝形位变化的装置的外观图。

其中：p-被切割工件，q-钼丝，1-左线圈，2-右线圈，3-滑环，4-步进电机， 5-钼丝通道，6-磁环，7-磁柱，8-底座，9-磁屏蔽罩，10-高频线切割电源，11- 钼丝直线工作段，12-上导向器，13-下导向器，14-外齿圈，15-齿轮传动机构。

具体实施方式

图2示出了本申请这种数控线切割机的一个具体实施例，与传统数控线切割机相同的是，其包括：钼丝(电极丝)、收放钼丝的储丝筒、引导钼丝的众多导轮、驱动钼丝运动的电机、高频线切割电源10、与高频线切割电源10电路连接的数控系统。前述钼丝包括用于切割工件的钼丝直线工作段11，钼丝直线工作段11由上导向器12和下导向器13进行导向，限制钼丝偏移、振动。高频线切割电源10向数控线切割机的钼丝直线工作段11的上下两端通入流向被切割工件p的高频脉冲电流。

本实施例的关键改进在于，该数控线切割机还配置了自动抑制钼丝形位变化的装置。

参照图3所示，上述的自动抑制钼丝形位变化的装置包括：

带有通孔的基体，

与上述基体相固定、且布置于通孔中的左线圈1和右线圈2(左线圈1和右线圈2一左一右隔开布置)，

形成于左线圈1和右线圈2之间的钼丝通道5(也即左线圈1和右线圈2 和之间的隔开间隙)，

为左线圈1和右线圈2供电从而在钼丝通道5处产生电磁场的线圈供电电路，以及

驱动基体围绕钼丝通道5(枢转)转动的动力设备。

钼丝直线工作段11穿过钼丝通道5。

本实施例中，上述动力设备为步进电机4，该步进电机4的电机驱动器以及上述线圈供电电路均与数控线切割机自身的数控系统电路连接。前述线圈供电电路包括高精度的数字控制功率恒流驱动设备。

上述的左线圈1和右线圈2同轴布置，并且左线圈1和右线圈2的轴线与基体上通孔的孔轴线垂直相交。进一步地，左线圈1和右线圈2以所述通孔的孔轴线为中心左右对称布置。

为了方便上述两个线圈的安装布置，同时增强电流对钼丝通道5处磁场的影响，上述基体采用了这种结构形式：基体包括：磁环6，同轴固定于磁环6下方的滑环3，固定于滑环3外围的外齿圈14，与磁环6一体固定、且径向向内伸出的两个磁柱7(磁柱7和磁环6为一体式结构)。上述的左线圈1、右线圈2分别缠绕设置在前述两磁柱7上，作为动力设备的步进电机4通过齿轮传动机构与外齿圈14传动连接，进而带动滑环3、磁环6、磁柱7、左线圈1和右线圈 2转动。

前述磁环6和磁柱7采用磁导率很高的硅钢或坡莫合金等材料，而且磁环6 和磁柱7为一体式结构。如图4所示，为了使本装置不影响其它部件或者不受外部磁场影响，还配置了磁屏蔽罩9，该磁屏蔽罩9将上述左线圈1、右线圈2、前线圈3、后线圈4、磁环6和四个磁柱7均收容于其内，磁屏蔽罩9的外表面为高导磁率的软磁性材料。

当左线圈1和右线圈2通以同向电流时，在两磁柱之间的钼丝通道5区域内产生近似均匀磁场。未处于放电状态时钼丝中无电流，也就没有受到安培力的作用；当加工放电时其中流过高频脉动直流电，这时钼丝在磁场中受到安培力，力的大小和方向与线圈电流、钼丝电流等因素有关(1、其它因素如线圈匝数等参数暂且认为是常量；2、通过高频电源参数可以设置钼丝平均工作电流，即钼丝平均工作电流已知)，控制线圈中电流大小即可控制力的大小(直导线 (钼丝)电流方向不变，磁场方向与安培力方向有对应关系)。而本实施例将这两个线圈安置在由步进电机4和基体等部件构成的旋转机构上，那么通过旋转两个线圈就可以改变磁场方向。通电直导线(钼丝)在上述磁场中受到安培力作用，且导线(钼丝)受力方向与磁场方向(旋转位置)有关，大小与线圈电流等因素有关。

安培力(抵消力)大小与电流、线圈磁场强度和磁场作用长度成正比，设计中根据放电力范围确定磁导率μ、匝数、线圈半径等参数。安培力方向从当前加工运动轨迹方向获得，安培力大小由高频加工参数确定。安培力方向通过控制旋转机构的旋转角度来实现；安培力大小可以计算、控制线圈电流大小(和方向，实际应用中通过控制电流方向，则旋转装置仅需要在180度范围内旋转) 来得到。

因为线切割放电过程非常复杂，何时放电、瞬间电流大小等因素均无法预测，本装置巧妙地利用安培力和放电力具有同步、正比施加特性，即放电引发放电力并产生放电电流，放电电流同时在磁场中产生安培力，且两力大小也与放电电流成正比。放电力与安培力同时出现方向相反相互抵消，从而巧妙地减小钼丝形位变化。由于加工过程中，钼丝短路状态发生的几率很小，但此时也会有电流产生，为了避免由短路电流引起的安培力，可利用间隙电压采集电路已有的短路信号来使能线圈电流，即一旦短路信号有效立即关闭线圈电流。

由于放电力方向与钼丝进给方向相反，可以根据数控系统加工轨迹得到当前运动方向，那么只要磁场对钼丝产生实际抵消力的方向与运动方向相同，从而可以抵消放电力的影响。实际线圈轴线方向(磁场方向)在步进电机、齿轮带动下可指向平面内任意角度，从而当钼丝通过电流时可以得到平面内任意方向的力(左手定则)。步进电机的驱动器与数控系统相连，其控制信号来自于数控系统，它根据目前加工轨迹的方向不断地调整线圈轴线方向，使安培力方向始终与钼丝进给方向一致。

当左线圈1和右线圈2(两线圈串联)通以同向电流时，磁场叠加增强并在线圈磁柱中间区域(即钼丝通道5)形成近似均匀磁场。为了使本装置不影响其它部件或者不受外部磁场影响，使用高导磁率的软磁性材料将装置外壳表面做成屏蔽。

本实施例在上导向器12的下方和下导向器13的上方分别安装了一个上述结构形式的自动抑制钼丝形位变化的装置，显然，这两个形位控制装置分别布置在被切割工件P的两相对侧(图2中的上下两侧)，在工作时这两个形位控制装置从加工段钼丝上下两端主动产生两个力，来抵消放电力作用。因切割电蚀过程非常复杂，机械接触施力方法摩擦损耗大、环节多、反应慢根本无法采用，本装置采用了电磁力方法，自动同步、无接触抵消放电力。

再参照图2所示，加工中根据工件切割运动轨迹，实时计算加工切割方向，加工中根据工件切割运动轨迹，实时计算加工切割方向，由切割方向确定旋转机构的旋转方向和旋转角度(具体为基体的旋转方向和角度)，由高频加工参数可确定出线圈电流的大小，通过双极性输出D/A转换器调节线圈的电流大小和方向(如果控制电流方向，则旋转装置仅需要旋转180度)，经高精度数字控制功率恒流驱动后输出给线圈，使钼丝安培力(抵消力)的方向与切割方向相同。显然，这种主动补偿方法，能够准确让安培力抵消放电力对电极的作用，从而大幅减少形位变化对加工精度的影响，平均减少挠度75％以上。同时，也提高了第一刀与后续第二刀(或多刀)加工的加工轨迹线重合度。

当然，上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。