袁根华

（广州工程技术职业学院机电工程系，广州510075）

0 引言

线切割加工的充分必要条件主要有3个：稳定的脉冲电源、稳定的放电间隙、工作区域的放电点上有充分的绝缘介质，因此线切割绝缘介质的存在是加工所必须的。电极丝与工件之间在脉冲电压作用下，二者彼此非接触状态下正是依靠绝缘介质被击穿放电产生高温从而蚀除金属，使得金属的加工成为可能[1-2]。因而在全部加工过程中，循环往复运动的电极丝穿越静止在工作台上有一定高度的加工工件时，二者在窄而深的间隙中必须始终存在绝缘介质，电极丝与工件二者间绝缘介质处处提供得越充分均匀则放电加工就越均匀，加工的效率与质量就越高[3-4]。

1 线切割绝缘介质现有提供系统与装置的分析

线切割绝缘介质提供系统包括介质收纳水箱、介质动力马达、介质控制量开关、输送与收纳的管道，以及其它在机床内外的介质流道、位于工作台工件上下面有一定高度的喷嘴等，这其中使绝缘介质均匀有效的最大影响因素，能在加工过程中提供给加工窄缝高度方向达到比较理想的一致的均匀绝缘介质的关键装置是绝缘介质喷嘴。

现在的喷嘴上、下一般做成一样，且喷板与喷嘴是分离组装一起，好处是可以互换，喷嘴喷板组装3D图如图1所示，喷嘴组件的2D图如图2所示。绝缘介质经过喷水板内孔引流至喷水嘴的环形槽中，通过7个均布的小孔喷向电极丝与工件的加工区域，以提供源源不断的绝缘介质，形成持续的电脉冲腐蚀加工金属。

图1 快走丝线切割加工原上、下喷板喷嘴组件3D示意图

图2 快走丝线切割加工原上、下喷嘴组件2D示意图

在实际加工中其存在明显的不足，上下喷嘴工作时面临的工作状况不同，上喷嘴朝下喷水性绝缘介质时，介质水除了本身因一定速度向下喷射外，介质水自身的重力对于介质进入工作区域也有重要作用，两个方面合成速度都增加了介质水能够提供电极丝与工件间均匀有效的绝缘介质；反观下喷嘴，则因自下而上喷射，在与上喷嘴相同的出口速度时，因介质自身重力影响，介质到达加工工件处时合成速度已经减少了很多，因此基本上加工时以上喷嘴提供的绝缘介质为主，下喷嘴为辅。此外，实际能够提供工作区域绝缘介质的量的多少取决于进入工作区域的绝缘介质的速度还要再结合往复循环运动的电极丝的状况，往复循环运动的电极丝如果从工件的上方朝下运动时，上喷嘴的绝缘介质依靠电极丝的运动将进一步加速加量地进入工作区域，此时下喷嘴尽管也能提供工件下方一定的绝缘介质，但是与电极丝的运动相反，又进一步减少了能够提供的量和速度，总体上绝缘介质此时在工作区域无论量与速度都是最大化，加工状态最好。而当往复循环的电极丝的运动是从工件的下方朝上运动时，上喷嘴喷射的绝缘介质的量与速度假如保持不变，因电极丝自下而上的运动会干扰并大大减少绝缘介质进入工作区域的数量和速度，而下喷嘴喷射的绝缘介质会因为与电极丝运动方向一致而有所增加进入工作区域，总体上此时工作区域中的绝缘介质无论数量与速度都不如第一种情况。

电极丝依靠自身运动能否最大化增加进入工作区域的绝缘介质的数量与速度实际与喷嘴的结构也存在极大的关联性，从图1、图2可见，当电极丝在喷嘴的中间往复循环运动时，尽管喷嘴的7个均匀布置的小孔在喷射绝缘介质后总会很快就有介质接触运动的电极丝，但电极丝周围包裹绝缘介质的量受到7个小孔中心与喷嘴中心半径距的一定影响，当半径小，电极丝包裹粘附的绝缘介质的量就会多。

2 线切割绝缘介质上喷板喷嘴的改进设计

根据以上对于线切割绝缘介质提供系统与装置所产生的欠缺性，以及绝缘介质在各种情况下提供的数量与速度有所差异的分析，首先寻找对上喷板喷嘴改进设计的措施。

2.1 上喷板的改进设计

原先的上喷板如图1所示，绝缘介质的接头与喷板是2个工件组装，使用中存在一定缺陷，水管接头与喷板间虽然可以用锥度连接，相对其它形状连接有防止松动漏水的优势，但是因为使用过程中存在机床的振动，以及有时要从水管接头中拨出软管等操作，造成水管接头与喷水板间还是会存在松动漏水的现象，减少了相应的绝缘介质的数量与速度；为此，将原来单独的水管接头零件与喷板合并设计成为一个注塑成型的塑料工件，从而克服了原先的不足。其次，喷水板现有设计中还存在不足之处是管接头与外部软管相接的3段锥形面全部位于喷板的窄槽中，给连接软管在该位置增加金属环扎紧增加了困难。最后，喷板原先与机架是采用2个螺栓联接，现采用2个磁铁联接，方便了移动喷嘴的对中操作。改进的上喷板2D结构如图3所示。

图3 快走丝线切割加工上喷板改进设计2D结构示意图

2.2 上喷嘴的改进设计

绝缘介质有3种方式进入工作区域：一是喷射出的一部分直接进入；二是喷射在工件上表面有绝缘介质在重力作用下自然注入；三是由于运动的电极丝的部分包裹吸附在周围的绝缘介质被加速进入。前两种方式绝缘介质进入的数量与速度基本上与介质控制开关更加有关外，第三种方式与喷嘴的设计关系极大。原先的设计中7个小孔尽管均匀布置，但是与喷嘴中心位置的有一定半径距离，绝缘介质包裹吸附在运动的电极丝的量受到影响，且当7个小孔有堵塞时，出口的绝缘介质要么减少要么运动不垂直向下，又进一步影响3种方式进入工作区域的绝缘介质的数量与速度。图4、图5是改进设计的上喷嘴组件3D与2D结构示意图。

图4 快走丝线切割加工上喷嘴组件改进设计3D结构示意图

图5 快走丝线切割加工上喷嘴组件改进设计2D结构示意图

2.2.1 上喷嘴组件的设计结构

从图4与图5可见，此设计将线切割的上喷嘴组件设计成上、下两个喷嘴构成一个组件再装入上喷板中，两上、下喷嘴的连接采用上喷嘴的内锥面与下喷嘴的外锥面及两者均开纵向槽产生的弹力夹紧实现装配。其特点如下：

1）上喷水嘴组件中的零件之一上喷嘴的设计参照了原先喷水嘴的设计，但是纵向的分流孔从7个增加为9个，以便分流更加均匀，其下部适当增加了长度，以便可设计内锥面与下喷嘴的外锥面装配连接。

2）最大改进点是组件中的下喷嘴的设计（如图6），上部设计了外锥面与上喷嘴连接，上部内部也设计了倒锥内孔，以便收集上喷嘴9个纵向孔分流下来的绝缘介质；下部的设计是重点，整体上是一个比上部倒锥的锥角更小更长的内锥孔，该内锥孔起始直径为7 mm，终端直径为5 mm，起始处有5条圆周方向尺寸为1 mm、径向也为1 mm的斜槽，斜槽与内锥纵向的角度为2°～5°，斜槽随着内锥孔直径从上到下不断减小而在径向不断减小，在内锥孔的终端收缩到0。

2.2.2 上喷嘴组件的设计优点

1）组件中的上喷嘴的9个纵向孔流下的绝缘介质并不直接流向工件，而是汇集于下喷嘴的倒锥面上，因此纵使有杂物堵了这9个小孔，也不会造成直接流向切槽中的某些方向要么少或无液体流出，要么并不垂直朝下，进一步造成进入加工点上的绝缘介质减少的现象。

图6 快走丝线切割加工上喷嘴组件中的下喷嘴改进设计3D结构示意图

2）当电极丝在组件中的下喷嘴的上部倒锥的终端时（该处也是下部长倒锥的起始点，此点处直径为7 mm，此时通过上内倒锥面汇集了上喷嘴从9个直径为2 mm的纵向孔分流下来的绝缘介质），电极丝开始在下喷嘴全长20 mm的距离中保持与绝缘介质基本上能全接触，绝缘介质均匀地紧紧包围着电极丝，由于摩擦力及水的张力直接依附电极丝加速进入切割槽的脉冲放电点上，使得大厚度工件的切割有充足的绝缘介质保障，同时绝缘介质直接注入与依附电极丝加速注入对于冲刷加工出来的废渣、加快冷却电极丝减少损耗都有益处。

3）当电极丝从下而上逆向循环运动时，原先的设计因为电极丝逆向运动及电极丝抖动会使得上喷水嘴自由落体的绝缘介质的直线运动改变为不定向的各向的受扰动的斜线方向的运动，使得上喷水嘴以第1、2种方式进入切槽中的绝缘介质进一步减少；而改进后的下喷嘴因为在20 mm长的第二段倒锥内孔面内有5条斜槽，能抵抗电极丝的逆向运动和抖动产生的干扰，使得绝缘介质流体的运动依然能够基本保持向下的直线运动，从而更好地确保第1、2两种方式绝缘介质有较多量进入切槽中的脉冲放电处。

3 线切割绝缘介质下喷板喷嘴的改进设计

电极丝是往复循环运动的，在上、下导轮间进行朝下、朝上的直线运动，当电极丝在朝上运动时，从上喷嘴流下的绝缘介质因电极丝的抖动与向上的线速度干扰，对其注入的数量与速度也会产生影响，此时希望下喷嘴向上喷射的绝缘介质与向上运动的电极丝包裹吸附部分绝缘介质能够补充工作区域与电极丝从上而下运动绝缘介质的减少数量。但线切割原先的上、下喷嘴相同难以完成这个任务，这就造成了电极丝向下运动时比向上运动放电更加充分，

加工效率与质量更好。因此改进下喷嘴结构，尽量使得电极丝向上运动时与向下运动时工作区域绝缘介质数量与速度差异减少是有必要的。图7是改进后的下喷嘴组件结构2D示意图。

图7 快走丝线切割加工下喷嘴组件改进设计2D结构示意图

此改进设计方案优点在于，首先通过加长喷水板喷嘴外壳段的长度及内锥面设计，使得喷嘴内圆锥面的聚焦点接近安装在工作台上的工件底面（下喷嘴喷板安装面到工件底部的尺寸在机床上是固定的，因此聚焦点容易确定），也就是接近工件下表面的切割槽处，有利于绝缘介质直接依靠水的喷射力进入切割槽中的脉冲放电处。其次，喷水板的喷嘴外壳与喷嘴内胆装配后，绝缘介质从倒圆锥空腔空间喷射而出，由于空腔渐渐收缩，这样使得绝缘介质的速度不断加大，在出口处达到最大速度，进一步有利于绝缘介质进入脉冲放电点。再次，电极丝在经过绝缘介质聚焦点时，电极丝与绝缘介质全接触，依靠绝缘介质与电极丝间的摩擦力及水的张力吸附力，从下朝上运动时，电极丝会加速加量将部分绝缘介质带入脉冲放电处，从而保证稳定的放电加工，以及冲刷残渣和加快电极丝冷却。

4 结语

在快走丝线切割加工中，绝缘介质在放电点上的存在是电脉冲加工的必要充分条件之一，加工中如何充分有效提供加工区域中电极丝与工件间的绝缘介质是提高加工质量与加工效率的关键，通过改进绝缘介质系统的关键件——上、下喷嘴组件的结构，在原有的基础上大大提高了工作区域放电点上绝缘介质的数量与速度，较好地改善了加工条件，使得快走丝线切割加工的质量与效率得以进一步提高。