多轴联动切割设备及其用途的制作方法

本发明涉及一种对工件实施机械加工的设备，尤其涉及一种以多轴联动方式对工件实施高速线切割的设备，提高机加工的连续性和加工精度。

背景技术：

硬质合金刀具、零件等的精密加工目前主要采用砂轮磨削、电火花线切割两种工艺。

磨削主要通过五轴工具磨床实现，五轴工具磨床一般具有2个以上的回转轴，可以通过砂轮实现各种复杂轮廓的磨削和修制。五轴工具磨床一般都配有专门的计算机辅助制造程序，可以较为便利地对各轴加工动作进行控制和编程，大部分五轴工具磨床的空间结构都经过一定程度的优化，可以一定程度上避免加工中各轴之间的碰撞和干涉，但与加工中心一样，砂轮具有相对较大的直径，这使得加工不可避免地会受到砂轮直径的干涉，而且另一方面，先进五轴工具磨床往往都采用点磨削形式进行加工，依靠砂轮外圆面和侧面的交角和工件发生点接触来磨削，这样的优点是在加工中尽量避免砂轮直径对工件的干涉，但遗憾的是随着加工的进行砂轮交角时刻发生着磨损并造成圆角变圆，并且这种圆钝的趋势一般要等交角被逐渐倒圆至r0.5以上时才开始趋缓。过大的圆弧会影响最终可达到的尺寸精度，例如：用交角为r0.5的砂轮就无法加工出小于r0.5的工件交线形状。

电火花线切割简称线切割，是借助电火花产生的电腐蚀来完成复杂形状的工件切割，主要用于对各类刀具、模具、电极和精密零部件制造，硬质合金、铝合金、结构钢和金刚石等各种导电体的复杂型腔和曲面形体加工。作为特种加工技术的一种，凭借其高加工精度、高生产效率、低功耗和制造成本低等特点，在机械加工中的生产应用范围越来越广，并且加工效率和加工精度都有极大的提高。根据电极丝的运行方式和速度，电火花线切割机床主要可分为两大类，即低速单向走丝电火花线切割机床和高速往复走丝电火花线切割机床。

低速单向走丝电火花线切割机床，俗称“慢走丝”，采用单项走丝形式，多以黄铜、铜、钨、钼等金属材料作为电极丝，走丝速度低于0.2m/s，电极丝在放电后不再使用，而且采用无电阻防电解电源，一般均带有自动穿丝和恒张力装置。工作平稳、均匀、抖动小、加工精度高、表面质量较好，往往用于放电精密成型切割(即大角度倾斜切割)但不宜加工大厚度工件。由于机床结构精密，技术含量高，机床价格高，因此使用成本也高。

高速往复走丝电火花线切割机床，俗称“快走丝”，一般最大走丝速度8m/s～12m/s，多采用钼、钨钼合金等作为电极丝材料，排屑容易，加工速度较高，可加工大厚度工件，但不能对电极实施恒张力控制，故电极丝振动大，在加工过程中易断丝。由于电极丝是往复使用，所以会造成单边放电，电极丝易变形，加工精度和表面质量精度较差，主要用于切断切割，不能用于精密的成型切割(即大角度倾斜切割)。

数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件的控制单元，数控机床的操作和监控全部在数控单元中完成。

数控机床一般由主机、数控制装置、驱动装置、辅助装置和其它附属设备等几个部分组成。主机是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。它是用于完成各种切削加工的机械部件。数控装置是数控机床的核心，包括硬件(印刷电路板、crt显示器、键盒、纸带阅读机等)以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。辅助装置系数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如：冷却、排屑、润滑、照明和监测等。编程及其他附属设备可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

按控制轴数可分为三轴、四轴和五轴等几种数控机床。对于刀具的制造，其某些形状的加工动作涉及五轴联动功能，必须使用五轴联动机床。

中国发明专利申请201510076188.2公开了一种移动式线切割的方法及线切割机床，在线切割机床床身底部加装液压驱动脚轮行走机构，能够将机床从任意方向移动到被加工件处迅速定位，实施加工。其包括有加工不同厚度被加工件的装置、移动线切割床身的装置、床身，所述床身包括线切割工作平台、线切割移动平台，线切割移动平台通过导轨、滚珠丝杆与线切割工作平台13传动连接；所述线切割工作平台13上部设置具有平移调整的加工不同厚度被加工件的装置，所述线切割移动平台14下部设置有移动线切割床身的装置。本发明能够对一些大型、重型难以移动的被加工件实施加工。

中国发明专利申请201711217029.5公开了一种多轴多功能线切割机床，将线切割与穿孔相结合，一机二用，大大提高了工作效率，加上工件在同一台机床完成穿孔、线切割加工，精度、质量一并提升。其包括固定块、线切割导向块，其还包括：穿孔机，固定于所述线切割导向块上，且所述穿孔机包括铜管，所述铜管上下设置；第一连接块，固定于所述固定块上；导轨，包括导轨本体和所述导轨本体上设置的滑块，所述导轨本体上下设置，所述滑块固定于所述第一连接块上；第二连接块，固定于所述导轨本体上；穿孔头导向块，呈l形，第一端固定于所述第二连接块上，第二端设有延伸至所述铜管下方并设有与所述铜管上下对应的通孔，便于所述铜管能够从所述通孔中穿过。

中国实用新型专利zl201720735035.9公开了一种金钢线切割机，解决了金钢线切割机切割连续性差、线网张力不均、产品质量差的问题，避免发生再次断裂，保证切割的连续性，通过采用复线切割方法，使线网切割力的均一化。其包括放线轮、收线轮、主辊，主辊输入端通过钢线依次连接放线轮、第一排线轮以及多个导轮，主辊输出端通过钢线依次连接多个导轮、第二排线轮以及收线轮，主辊表面卷绕有多组平行钢线，放线轮的放线长度比主辊处于切割工艺状态下表面所卷绕的钢线总长度与最大前进线量的长度之和长至少100m。

为了解决大角度倾斜切割的问题(指三维空间里切割线和工件间以一个倾斜的角度进行切割，即切割线与工件的轴向形成非正交的夹角，使得切割线发生扭转或弯折)，一种方案是采用五直线轴床身(xyznm)的放电线切割机，该方案是在xy轴上再建一组平行于xy的nm轴，切割线的倾斜通过xy平面和nm平面的平移来控制，这样可以起到倾斜切割的作用。但该方案有两个局限：一方面倾斜角度往往不能超过45°，另一方面扭转会导致导丝嘴在多个方向受力不均，发生严重磨损，会影响使用寿命和精度。

另一种方案是采用三直线两回转床身(传统五轴机床xyzac)的放电线切割机，虽然也能实现倾斜切割功能，但仍旧存在局限：一方面倾斜角度往往不能超过180°，另一方面走丝机构构造复杂，整个走丝机构整体固定不变，只有部分机构随着回转轴转动，当发生倾斜切割(旋转)时会使得各导轮的自转轴之间产生夹角，而严重影响导轮的使用寿命。

以上两种方案还存在由于导丝嘴/导轮会在导轮的自转轴倾斜时受到额外磨损，因此不得不采用放电刻蚀这样的非接触式加工来减小切割线的受力，而放电蚀刻不可避免地会产生影响被加工工件表面质量的白层的问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种多轴联动切割设备，采用线切割方式对工件实施加工，提高加工的连续性。

本发明的另一个目的在于提供一种多轴联动切割设备，改善电极丝的张力，实现复杂轮廓和曲面形体机加工的连续性。

本发明的再一个目的在于提供一种多轴联动切割设备，改善电极丝的张力，实现复杂轮廓和曲面形体机加工的精度。

本发明的又一个目的在于提供一种多轴联动切割设备，提高设备对工件实施线切割的自动化水平。

本发明的又一个目的在于提供一种多轴联动切割设备，用于替代慢速往复走丝线切割，避免金属工件表面因电蚀而导致的“白层”的产生，不仅提高工件的光洁度，还避免工件表面发生改性(如：硬度)。

本发明的又一个目的在于提供一种多轴联动切割设备，以磨削方式对工件或精密零件进行轮廓成型切削加工，实现对不导电的工件或精密零件实施切削加工。

本发明的又一个目的在于提供一种多轴联动切割设备，以磨削方式对工件或精密零件进行轮廓成型切削加工，以线磨削方式替代砂轮磨削对交接处实施三轴以上联动加工，提高加工的精度，降低加工误差，使加工误差和清根处圆弧规格可控。

本发明的又一个目的在于提供一种多轴联动切割设备，以磨削方式对工件或精密零件进行轮廓成型切削加工，以线磨削方式替代放电走丝，不因电/热效应发生表面性能的改变，与磨削的表面粗糙度相当。

本发明的又一个目的在于提供一种多轴联动切割设备，以磨削方式对工件或精密零件进行轮廓成型切削加工，以高速走线磨削方式替代放电走丝实施三轴以上联动加工，以实现更高的加工效率。

本发明的又一个目的在于提供一种多轴联动切割设备，解决现有放电走丝机的各个导轮转轴扭转角度超过45°而扯断切割线，无法实现连续线切割加工。

本发明提供的一种多轴联动切割设备，系五轴联动设备，至少设置第一直线运动轴、第二直线运动轴和第三直线运动轴，以及第一回转运动轴和第二回转运动轴，包括：

运动座，其沿第一直线运动轴往复移动；

进给运动部件，其设置于运动座上，沿第二直线运动轴往复移动；

加工部件，其包括底座和切割部件；

第一回转机构，其设置于进给运动部件上，沿第三直线运动轴往复移动，还包括第一回转运动轴；

第二回转机构，其设置于底座上，包括第二回转运动轴；

切割部件，其与第二回转机构连接，受第二回转机构驱动，绕第二回转运动轴转动，其上设置实施切削加工的切割线。

在以xyz坐标系构建的空间中，第一直线运动轴为沿x向设置，进给运动部件于x向往复移动。

在以xyz坐标系构建的空间中，第二直线运动轴为沿y向设置，进给运动部件于y向往复移动。

在以xyz坐标系构建的空间中，第三直线运动轴为沿z向设置，进给运动部件于z向往复移动。

在以xyz坐标系构建的空间中，第一回转轴为绕x轴旋转的a轴。

在以xyz坐标系构建的空间中，第二回转轴为绕z轴旋转的c轴。

底座系龙门结构，第一直线运动轴垂直于龙门结构的门面。

切割部件包括第一支架、第二支架、切割线，第一支架和第二支架分别固定于龙门上梁的上沿和下沿，电极丝自第一支架引出后，经第二支架，再返回第一支架。

第二回转机构包括转子、定子和芯轴，芯轴呈中空结构，与转子装配，受转子驱动，定子固定于底座上，如：定子固定于龙门上梁。

第一支架和第二支架分别固定于芯轴的两端，切割线自第一支架引出后，经第二支架，再返回第一支架。

切割部件还包括第一储线轮、第二储线轮、第一导轮组、第二导轮组和张力调节器，第一储线轮、第二储线轮、第一导轮组和张力调节器设置于第一支架，第二导轮组设置于第二支架，切割线自第一储线轮引出，依次经张力调节器、第一导轮组，第二导轮组，第一导轮组和张力调节器回到第二储线轮。各个导轮组至少包括一件导轮。

在实施切割加工时，各个导轮的转轴，两两之间的夹角不变，不再发生扭转，实现连续切割加工。

本发明的多轴联动切割设备，安装其上的切割线自工件或零件的表面进行轮廓成型切削加工。这些工件或零件包括第一部件和第二部件，第一部件和第二部件相交，切割线对相交处实施成型切削加工，减小清根残留，使得残留的圆弧半径小于0.3mm，如：小于0.01mm、小于0.02mm、小于0.03mm、小于0.04mm、小于0.05mm、小于0.06mm、小于0.07mm、小于0.08mm、小于0.09mm、小于0.1mm、小于0.11mm、小于0.12mm、小于0.13mm、小于0.14mm、小于0.15mm、小于0.16mm、小于0.17mm、小于0.18mm、小于0.19mm和小于0.2mm，以提高加工的精度。

本发明的多轴联动切割设备，切割线至少以大于10米/秒(尤其是大于15米/秒)的移动速度对工件实施高速线切割，避免金属工件表面“白层”的产生，不仅达到磨削加工的水平，还提高工件的光洁度，工件表面的特性(如：硬度)不发生改变。

本发明的多轴联动切割设备，使第一回转轴和第二回转轴相配合，在360°×360°的自由度范围实时调整工件与切割线的角度对工件或零件实施切割，使得切割线的扭转角度范围大于45°，尤其是大于180°，以及在-45°～45°和-35°～35°角度范围等，加工出空间复杂的曲面零件。

本发明的多轴联动切割设备，不仅能加工出空间复杂的曲面零件，还能有效降低断线发生的可能性，主要适用于机加工领域中切削刀具金属材料的加工。

本发明技术方案实现的有益效果：

本发明提供的多轴联动切割设备，系一种通用性很强的五轴金刚石线锯切割机，具有多个自由度且能够实现高精度的多轴复合联动，使第一回转轴和第二回转轴相配合，不仅能克服了现有走丝机床的丝线只能以最大倾斜约45°实施切割的限制，而能加工出空间复杂的曲面零件，还有效避免现有走丝机床上因加工需要而对走丝做局部偏转和倾斜使得丝线和导轮间受力不均所发生异常磨损、张力不匹配和应力集中等，以致造成断丝情况的发生，有效降低断线发生的可能性，主要适用于机加工领域中加工刀具和精密零件等金属材料的加工。

本发明提供的多轴联动切割设备，通过将切割部件固定于具有第二回转运动轴(即c轴)的第二回转结构上，使得工件和丝线发生偏转、倾斜或弯曲的整个加工过程中丝线和导轮间始终保持着相同的角度关系，改善了电极丝的张力波动和应力集中，使得电极的扭转角度范围能超过45°，尤其是大于180°，以及在-45°～45°和-35°～35°角度范围等。

附图说明

图1为本发明多轴联动切割设备一实施例的结构示意图；

图2为本发明多轴联动切割设备的切割设备一实施例的结构示意图；

图3为图2所示切割设备沿a-a线的剖面局部放大结构示意图；

图4为工件经现有放电走丝机床加工一实施例的结构示意图；

图5为图4所示工件b处局部放大结构示意图；

图6为工件经本发明设备加工一实施例的结构示意图；

图7为图6所示工件d处局部放大结构示意图；

图8为工件经现有砂轮磨床设备加工一实施例的结构示意图；

图9为图8所示工件c处局部放大结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

图1为本发明多轴联动切割设备一实施例的结构示意图，如图1所示，本实施例的多轴联动切割设备，系五轴联动设备，至少设置第一直线运动轴10、第二直线运动轴20和第三直线运动轴30，以及第一回转运动轴(未示出)和第二回转运动轴(未示出)。在以xyz坐标系构建的空间中，第一直线运动轴10为沿x向设置，进给运动部件于x向往复移动。第二直线运动轴20为沿y向设置，进给运动部件于y向往复移动。第三直线运动轴30为沿z向设置，进给运动部件于z向往复移动。第一回转轴为绕x轴旋转的a轴。第二回转轴为绕z轴旋转的c轴。

运动座200沿第一直线运动轴10往复移动，其上安置进给运动部件100。进给运动部件100沿第二直线运动轴往复移动。第一回转机构300设置于进给运动部件100上，沿第三直线运动轴30往复移动，还包括第一回转运动轴。

图2为本发明多轴联动切割设备的切割部件一实施例的结构示意图，图3为图2所示切割部件沿a-a线的剖面局部放大结构示意图。参见图1，如图2和图3所示，加工部件500包括底座510和切割部件520。本实施例的底座510为龙门结构，其门面512与第一直线运动轴10垂直。第二回转机构400其设置于底座510上，包括转子420、定子410和芯轴430。芯轴430呈中空结构，与转子420装配，受转子420驱动绕第二回转运动轴转动，定子410固定于龙门上梁511。

切割部件520包括第一支架521、第二支架522、电极丝523，第一支架521和第二支架522分别固定于芯轴430的两端，电极丝523自第一支架521引出后，经第二支架522，再返回第一支架521。

本实施例中，第一储线轮531、第二储线轮532、第一导轮组533和张力调节器535设置于第一支架521，第二导轮组534设置于第二支架524。电极丝525自第一储线轮531引出，依次经张力调节器535、第一导轮组533，第二导轮组534，第一导轮组533和张力调节器535回到第二储线轮532。

第一导轮组533和第二导轮组534由若干个导轮组成，各个导轮的转轴都与第一支架521的一个转动面(未示出)垂直。转动面受转子的带动而转动，并对工件实施切割。随着转动面的转动，导轮亦随之绕c轴转动，期间各个导轮的转轴，两两之间的夹角不变，导轮的转轴不再发生扭转，改善了切割线的张力，不再因此而发生断裂，实现连续线切割加工。

图6为工件经本实施例设备加工一实施例的结构示意图，图7为图6所示工件b处局部放大结构示意图。如图6所示，工件包括第一部件41和第二部件42，第一部件41和第二部件42相交，如：通过铸塑、焊接和插接的方式制造，或者以3d打印的方式形成。采用本实施例提供的设备，将切割线对相交处b(图中“转角”处)实施成型精密切削加工，使得残留的圆弧b1的半径小于0.2mm，减小清根残留，提高加工的精度。

本实施例提供的多轴联动切割设备，能对工件或零件实施最大厚度150mm切割，最大切割效率为30mm/min，并随材料厚度等因素亦有变动。

以磨削方式对刀具或精密零件进行轮廓成型切割加工以同时获得足够小的最小加工圆弧残留，不因电/热效应发生表面性能的改变，与磨削的表面粗糙度(gb/t1031-2009)相当。

若在工件的第一部件和第二部件相交处c1获得一个半径小于0.1mm的转角，采用现有砂轮磨床设备加工，则存在过切现象，参见图8和图9。

图4为工件经现有放电走丝机床加工一实施例的结构示意图，图5为图4所示工件d处局部放大结构示意图。图4和图5所示，加工相同形态的工件，当采用放电走丝对工件实施切割时，在与走丝相接触的工件表面产生白层d1，白层对工件表面特性(如：硬度)造成了影响，有违工件的设计要求。比如：进行抗磨氮化时不希望得到白层，抗蚀氮化时则希望得到均匀致密的白层。