一种电火花线切割加工的方法及机床 本发明属于机械加工领域，涉及一种电火花线切割加工的方法及相应的机床设备。
电火花线切割加工广泛应用于模具制造等行业中，其加工方法及设备对制品的加工精度、加工速度有着非常重要的影响，长期以来，人们在这一领域投入了大量的精力进行研究。在现有技术中，有三种加工方式。
一种是快速走丝线切割加工，它是将工件固定在工作台上，电极丝在加工区作双向的往复直线运动，走丝速度一般在6-12米/秒之间，电极丝在进入匀速运动的同时高频电流放电来完成切割加工。相应的设备是快速走丝电火花线切割机床，它由控制柜、加工主机、工作液系统等组成，其中的加工主机主要包括工作台、给电极丝提供直线运动的绕丝筒、控制电极丝排丝及换向的运丝装置，这种机床是我国独创的电加工设备，北京阿奇公司、苏州沙迪克三光机电有限公司、汉川机床厂等厂家均有生产。这种加工方法和设备的优点是加工速度快，排屑容易，制造成本和使用成本低廉，但因走丝速度快，必须频繁换向，换向时工况不稳定，使得工件表面粗糙，精度不高。
一种是慢走丝线切割加工，它同样是将工件固定在工作台上，电极丝在加工区作单向直线运动，走丝速度在150-250毫米/秒之间，电极丝运动的同时高频电流放电来完成切割，所述的电极丝是一次性使用的。这种方法相应地设备是慢走丝电火花线切割机床，它的结构和快走丝电火花线切割机床相近，但省略了换向装置，这种机床现有日本沙迪克公司、瑞士夏米尔技术公司、苏州沙迪克三光机电有限公司等在生产。这种加工方法和设备的优点是切割精度高，缺点是因电极丝的一次性使用，成本很高，按2001年上半年的行情，慢走丝电火花线切割机床每工作一小时，仅电极丝成本需要20元人民币。
CN1037900C是一种自旋式电火花线切割机床。该机床并未正式生产，从专利文件中可以看出，它采用了一种新的切割方式，电极丝横跨加工区，在经过加工区时，一边作直线运动，一边绕自身轴心高速旋转，同时高频电流放电，对工件进行加工，走完一个行程后，高频电流间断，电极丝进行反向的自旋和直线运动，开始另一个行程，继续对工件进行加工。
该专利说明书中提到的自旋式电火花线切割机床，包括加工主机、用于向所述主机箱提供脉冲电源及各种控制信号的包括显示器在内的控制电源箱、用于提供经过所述加工主机中加工区被加工工件的乳化液循环回路的乳化液箱，加工主机包括可受控于控制信号进行二维或多维运动的工作台，可提供横跨所述工作台运动的电极丝运动的走丝机构，所述走丝机构的电极丝在作直线运动的同时自身作高速旋转。该发明中的自旋式电火花线切割机床，其走丝机构包括主轴、排丝机构、绕丝筒、转速变换装置，电极丝的一部分通过主轴一端的中心，经过与该主轴相连的滚筒绕在所述绕丝筒上作与主轴相同的高速旋转，电极丝的另一部分经过工作台的加工区与另一主轴中心或同一主轴的另一端及与之配套的滚筒，绕在另一绕丝筒上或反向绕在同一绕丝筒上，使所述绕丝筒和所述主轴绕同一轴心旋转，并且使所述绕丝筒的转速与所述主轴的转速间存在一个恒定的比差，即所述主轴转速与所述绕丝筒转速之比为一个常数，所述排丝机构用于在所述电极丝运动的同时使之有序地排列在所述排丝筒上。
这种加工方法和设备与原有技术相比，其优点是显而易见的，首先，改过去的电极丝单边损耗为圆周损耗，降低了电极丝的损耗速度；其次，由于电极丝的高速旋转，可进行多次切割加工，没有加工滞后现象，以及可加工内外尖角，无须采取特殊工艺。它的缺点是电极丝同样受行程限制，直线运动换向时其旋转运动也同时换向。当其换向时，电极丝的直线运动速度和旋转运动速度均为零，而高频电流放电时的温度很高，电极丝不运动就无法带走热量，会导致电极丝被熔断。因此，这种加工法在换向时必须经历断高频脉冲电源-减速-停止-换向加速-通高频脉冲电源这样一个过程，这一过程严重影响系统工况的稳定性，从而影响切割加工精度。同时，该设备的两走丝机构横跨工作台实行并行排屑，在加工过程中，当电极丝的进给方向与重力方向一致时，其排屑方向是向上的，重力将影响其并行排屑，从而影响切割精度。
本发明的目的是提供一种电火花线切割加工的方法，可以得到较高的切割精度，并且成本低廉。
本发明的另一目的是提供一种完成上述加工方法的机床设备。
为完成本发明的第一个发明目的，本发明采用的技术手段是在加工过程中，电极丝纵跨加工区，高频电流持续放电，电极丝同时进行单向连续的旋转运动、往复直线运动和往复螺旋运动。换句话说，本发明的电极丝在切割过程中，一边作直线运动，一边绕自身轴心高速旋转，一边还进行螺旋运动，当电极丝走完一个行程后，其旋转运动不换向，直线运动和螺旋运动换向，开始另一个行程，而高频电流始终不间断。
本发明还可采用以下进一步的技术方案：所述电极丝单向连续旋转的转速为1000-5000转/分；所述电极丝往复直线运动的速度为20-1000毫米/秒。
为完成上述的切割加工方法，本发明对机床设备所采用的技术方案是这样的：电火花线切割机床，包括加工主机，工作液系统，以及提供各种控制信号及其显示的控制电柜，其中加工主机包括根据控制信号进行二维运动的工作台，调整切割锥度的锥度头，两个运丝机构，设在两运丝机构间的电极丝，两个运丝机构上下放置，电极丝纵跨工作台，两个运丝机构中各包括一个给电极丝提供旋转运动和螺旋运动的主轴电机，一个给电极丝提供往复直线运动的绕丝电机。
本发明的电火花线切割机床，其运丝机构还包括壳体、主轴、联轴器、贮丝筒、变速机构、排丝机构、电极丝进电柱、喷水装置，主轴通过联轴器与主轴电机相连；绕丝电机通过变速机构与排丝机构相连；电极丝经喷水装置、电极丝进电柱、排丝机构后，均匀地绕在贮丝筒上。电极丝的另一端则通过预定的螺旋升角后经过加工区，经另一喷水装置、电极丝进电柱、另一排丝机构后绕在另一贮丝筒上。绕丝电机在和相应主轴绕同一轴心旋转的同时，又与该主轴产生相对旋转，该相对旋转经变速机构变为一差动旋转，即绕丝电机与排丝机构中的驱动螺母之间速比差恒定，以确保电极丝排放的均匀合理及张力的恒定。
本发明所述的变速机构采用谐波传动，由波发生器、柔轮、支承刚轮、输出刚轮、支撑板、大齿轮等组成，波发生器安装在绕丝电机的端盖上，柔轮安装在波发生器上，支承刚轮通过支撑板固定在主轴上，输出刚轮与大齿轮连为一体。
本发明所述的排丝机构包括安装在主轴和支撑架之间的两个丝杠，丝杠上一体化地安装有驱动螺母、配重块、感应环，驱动螺母和主轴上并有若干个导轮。
绕丝电机输出的转速经过上述变速机构减速到达排丝机构后，得到一个合理的速比差，从而达到使电极丝在贮丝筒上均匀排放的目的。
按照本发明的加工方法，电极丝在放电切割时，同时具有单向连续的旋转运动、往复直线运动、往复螺旋运动，并且电极丝纵跨工作区，直线运动是向上或向下进行的。往复直线运动使电极丝可重复使用，降低了使用成本；单向连续的旋转运动使电极丝在走完一个行程换向时，即直线运动速度为零时仍保持旋转运动，不需要断高频电流，从而保持了工况的连续性，大大提高了切割精度；往复螺旋运动使排屑更顺畅，提高了切割速度；采用并行排屑时，其排屑方向总是电极丝旋转运动的切线方向，本发明中电极丝是上下运动的，串行、并行排屑同时进行，并且并行排屑的方向也不可能向上，因而避免了重力的影响。
本发明的电火花线切割机床，在运丝机构中共设置了两个主轴电机和两个绕丝电机，主轴电机控制电极丝的旋转运动，绕丝电机控制电极丝的直线运动，互不干扰，这样使电极丝在直线运动停止时仍能保持旋转运动，在直线运动换向时旋转运动不需换向；两个主轴电机分开控制，可以任意调节电极丝的扭曲度和扭曲方向，造成螺旋运动；运丝机构采用了谐波传动来变速，在传递相同载荷下，体积和重量都只有传统刚性传动的几分之一，这使得机床可以做成立式，电极丝纵跨工作台进行加工，进一步方便了排屑。
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
图1是本发明电火花线切割机床的，总体结构示意图。
图2是本发明电火花线切割机床加工主机的结构示意图。
图3是本发明电火花线切割机床运丝机构的结构示意图。
图4是图3的A-A向视图。
参见图1。本发明的电火花线切割机床由三部分组成。1是控制电柜，其中包括计算机、控制电路、高频脉冲电源、操作面板等，计算机通过控制电路实现对机床的控制和管理；2是工作液箱，为主机提供循环的工作液；3是加工主机。
参见图2。加工主机包括底座4，立柱5，底座4上安装有工作台6，工作台上装有下运丝机构9，立柱5上装有滑块7，滑块7下带有锥度头11、上运丝机构8，两运丝机构竖向放置，在运丝机构8、9之间设置有电极丝10，可对工件20进行加工。工作台6可在水平方向进行二维移动；滑块7可带着锥度头11和上运丝机构8沿立柱5上下移动，调节上下运丝机构间的距离，即调节加工区的高度，可实现不同厚度范围的切割加工；锥度头11可调节运丝机构8的摆角，即调节电极丝10与竖直方向的夹角，最大可达45℃。锥度头11的运动结合工作台6的水平移动和滑块7的上下移动，可任意调节电极丝10在加工区的位置和方向，实现多维切割加工。
参见图3、图4。运丝机构是本实施例中电火花线切割机床的关键部分，本图所示是其中一个运丝机构，另一运丝机构与其完全对称。本运丝机构包括壳体48，电极丝进电柱50，喷水装置51，主轴32，通过联轴器31与主轴电机30相连。主轴32上还固定有一个绕丝电机33，可以与主轴产生相对旋转，其外壳53同时用作贮丝筒。本运丝机构中还有变速机构和排丝机构，变速机构由支承刚轮36、波发生器34、输出刚轮37、柔轮35、大齿轮39、和两个小齿轮40、41组成，支承刚轮36固定在支撑架38上，并和主轴32相对固定；输出刚轮37和支承刚轮36相叠置，并和大齿轮39连为一体；柔轮35是一个弹性环，设置在波发生器和支承刚轮、输出刚轮之间，将波发生器34的旋转运动减速传到输出刚轮37；绕丝电机33的端盖作为转子部分和波发生器34连为一体，其输出转速经减速后到达大齿轮39，进而驱动两个小齿轮40、41。排丝机构由丝杠42、43、感应环46、驱动螺母44、配重块45、导轮55、导轮56组成，丝杠42、43分别和小齿轮40、41固定为一体，感应环46是一个圆环，其与两个丝杠结合处分别固定有驱动螺母44和配重块45，其中驱动螺母44上带有导轮55和导轮56，两个导轮互相垂直；绕丝电机33的转速到达小齿轮40、41后，驱动丝杠42和43，丝杠42驱动驱动螺母44，丝杠43驱动配重块45，使得感应环46带动驱动螺母44、配重块45、导轮55、导轮56一起匀速移动，使电极丝10均匀地绕在贮丝筒53上。由于两个运丝机构完全对称，本运丝机构绕丝时，另一运丝机构放丝；当走完一个行程，即感应环到达预定位置时自动换向，本运丝机构放丝而另一运丝机构绕丝，如此循环使电极丝实现往复直线运动。
本实施例中，电极丝10绕在运丝机构的贮丝筒53上，其一端通过导轮55、导轮56、导轮47、导轮57、电极丝进电柱50、喷水装置51后，经过加工区到达另一运丝机构，再通过相应部件绕在其贮丝筒上。当机床工作时，首先调节工作台6、滑块7、锥度头11等，使电极丝10和工件20到达预定的加工区域，并调整好加工方向。启动两个主轴电机30，使电极丝10随两个运丝机构8、9开始旋转运动，转速为2500转/分。令运丝机构9的转速恒定，调节运丝机构8的转速，即可使电极丝10形成扭曲，产生螺旋运动，当运丝机构8的转速略大于或略小于运丝机构9的转速时，电极丝10将产生左旋或右旋，有利于更顺畅地排屑；两个绕丝电机33亦开始工作，一个绕丝时另一个放丝，控制电极丝10作往复直线运动，当电极丝10匀速运动时，其速度为200毫米/秒；此时电极丝进电柱50接通，高频电流放电，对工件20进行连续的加工。
按照本实施例进行电火花线切割，所加工工件的表面光洁度可达10级，比现有技术中的快速走丝线切割和CN1037900C所述的自旋式线切割有显著的提高；加工过程中每小时的电极丝成本仅需0.35元人民币，远远低于慢速走丝线切割，能完成本发明的目的。