1.1.3　線切割機床的組成

電火花線切割機床主要由3大部分組成，分別是機床主體、脈沖電源和控制器。如圖1-4（a）為高速走絲線切割機床，圖1-4（b）為低速走絲線切割機床。

圖1-4　電火花線切割機床

1.1.3.1　機床主體

機床主體是電火花線切割機床的主要部分，由X、Y坐標工作臺、儲絲走絲機構、絲架、導輪、床身和工作液循環系統組成。

（1）X、Y坐標工作臺

工作臺起裝夾工件的作用，主要由上下托板、導軌、絲杠傳動副和齒輪副4部分組成。控制器控制步進電機將動力通過齒輪變速機構傳遞給絲杠螺母副，再由絲杠螺母副控制托板作X、Y方向運動，從而獲得指定的工作加工軌跡。

① 托板　托板主要由下托板、中托板、上托板（工作臺）組成。通常下托板與床身固定連接；中托板置于下托板之上，運動方向為坐標Y方向；上托板置于中托板之上，運動方向為坐標X方向。其中上、中托板一端呈懸臂形式，以放置步進電動機。

為在減輕質量的條件下，增加托板的結合面，提高工作臺的剛度和強度，應使上托板在全行程中不伸出中托板，中托板不伸出下托板。這種結構使坐標工作臺所占面積較大，通常電機置于托板下面，增加了維修的難度。

② 導軌　坐標工作臺的縱、橫托板是沿著導軌往復移動的。因此，對導軌的精度、剛度和耐磨性有較高的要求。此外，導軌應使托板運動靈活、平穩。

線切割機床常選用滾動導軌。因為滾動導軌可以減少導軌間的摩擦阻力，便于工作臺實現精確和微量移動，且潤滑方法簡單。缺點是接觸面之間不易保持油膜，抗振能力較差。滾動導軌有滾珠導軌、滾柱導軌和滾針導軌等幾種形式。在滾珠導軌中，滾珠與導軌是點接觸，承載能力不能過大。在滾柱導軌和滾針導軌中，滾動體與導軌是線接觸，因此有較大承載能力。為了保證導軌精度，各滾動體的直徑誤差一般不應大于0.001mm。

在線切割機床中，常用的滾動導軌有以下兩種。

a.力封式滾動導軌　力封式是借助運動件的重力將導軌副封閉而實現給定運動的結構形式。圖1-5是力封式滾動導軌結構簡圖，承導件有兩根V形導軌。運動件上兩根與承導件相對應的導軌中，一根是V形導軌，另一根是平導軌。這種結構具有較好的工藝性，制造、裝配、調整都比較方便；同時，導軌與滾珠的接觸面也較大，受力較均勻，潤滑條件較好（因V形面朝上，易于儲油）。缺點是托板可能在外力作用下，向上抬起，并因此破壞傳動。當搬運具有這種導軌形式的機床時，必須將移動件夾緊在床身上。對于滾柱、滾針導軌，也常采用上述組合方式，因此在大、中型線切割機床中得到廣泛使用。

圖1-5　力封式滾動導軌結構簡圖

b.自封式滾動導軌　圖1-6是自封式滾動導軌結構簡圖。自封式是指由承導件保證運動件按給定要求運動的結構形式。其優點是運動受外力影響，防塵條件好。但結構復雜，每個V形槽兩側面受力不均，工藝性比較差。

此外，還有“角尺”型滾珠尋軌、弧型導軌等組合結構。

圖1-6　自封式滾動導軌結構簡圖

在大、中型線切割機床上，也有用導向導軌和承載導軌的。導向導軌配置在切割加工區域內，兩側有承載導軌。導向導軌與承載導軌皆為精密滾針導軌，有預應力的滾針鑲嵌在淬硬、磨光的鋼條上。這種結構的導軌精度高、剛度好、承載支點跨距大；同時熱變形對稱、直線性好、橫向剪切力不變。

工作臺導軌一般采用鑲件式。由于滾珠、滾柱和滾針與導軌是點接觸或線接觸。導軌單位面積上承受的壓力很大，同時滾珠、滾柱和滾針硬度較高，所以導軌應有較高的硬度。為了保證運動件運動的靈活性和準確性，導軌的表面粗糙度Ra值應在0.8μm以下，工作面的平面度應為0.005/400mm。導軌的材料一般采用合金工具鋼（如CrWMn、GCr15等）。為了最大限度地消除導軌在使用中的變形，導軌應進行冰冷處理和低溫時效。

③ 絲杠傳動副　絲杠傳動副的作用是將傳動電動機的旋轉運動變為托板的直線運動。要使絲杠副傳動精確，絲杠與螺母就必須精確，一般應保證6級或高于6級的精度。

絲杠副的傳動齒形一般分三角普通螺紋、梯形螺紋和圓弧形螺紋三種。三角普通螺紋和梯形螺紋結構簡單、制造方便、精度易于保證。因此，在中、小型線切割機床的絲杠傳動副中得到廣泛應用。這種絲杠副傳動為滑動摩擦，傳動效率較高。大、中型線切割機床常采用圓弧形螺紋滾珠絲杠；滾珠絲杠傳動副目前廣泛用于線切割機床坐標工作臺托板的運動傳動結構中，滾珠絲杠傳動副能夠有效地消除絲杠與螺母間的配合間隙，可使托板的往復運動靈活、精確。

絲杠和螺母之間不應有傳動間隙，以防止轉動方向改變時出現空程現象，造成加工誤差。所以，一方面要保證絲杠和螺母齒形與螺距等方面的加工精度；另一方面要消除絲杠和螺母間的配合間隙，通常有以下兩種方法。

a.軸向調節法　利用雙螺母、彈簧消除絲杠副傳動間隙的方法是簡便易行的（圖1-7）。當絲杠正轉時，帶動螺母1和托板一起移動；當絲杠反轉時，則推動副螺母3，通過彈簧2和螺母1，使托板反向移動。裝配和調整時，彈簧的壓縮狀態要適當。彈力過大，會增加絲杠對螺母和副螺母之間的摩擦力，影響傳動的靈活性和使用壽命；彈力過小，在副螺母受絲杠推動時，彈簧推動不了托板，不能起到消除間隙的作用。

圖1-7　雙螺母彈簧消除間隙的結構　

1—螺母；2—彈簧；3—副螺母

b.徑向調節法　圖1-8為徑向絲杠副間隙的結構。螺母一端的外表面呈圓錐形，沿徑向銑出三個凸槽，頸部壁厚較薄，以保證螺母在徑向收縮時帶有彈性。圓錐底部處的外圓柱面上有螺紋，用帶有錐孔的調整螺母與之配合，使螺母三爪徑向壓向或離開絲杠，消除螺母的徑向和軸向間隙。

圖1-8　徑向絲杠副間隙的結構

④ 齒輪副　步進電動機與絲杠間的傳動通常采用齒輪副來實現。由于齒側間隙、軸和軸承之間的間隙及傳動鏈中的彈性變形的影響，當步進電動機主軸上的主動齒輪改變轉動方向時，會出現傳動空程。為了減少和消除齒輪傳動空程，應當采取以下措施：

a.采用盡量少的齒輪減速級數，力求從結構上減少齒輪傳動精度的誤差。

b.采用齒輪副中心距可調整結構，通過改變步進電機的固定位置來實現。

c.將被動齒輪或介輪沿軸向剖分為雙輪的形式。裝配時應保證兩輪齒廓分別與主動輪齒廓的兩側面接觸，當步進電動機變換旋轉方向時，絲杠能迅速得到相應反應。

步進電動機的安裝位置有兩種：一種是置于托板的一側端部；另一種是固定在可移動托板的下面，齒輪傳動副也固定在托板下面的相應位置上。步進電動機的固定位置對托板的結構方式有著很大的影響。

（2）儲絲走絲機構

高速走絲機構主要用來帶動電極絲按一定線速度移動，并將電極絲整齊地排在儲絲筒上。

① 對高速走絲機構的要求

a.高速走絲機構的儲絲筒轉動時，還要進行相應的軸向移動，以保證電極絲在儲絲筒上整齊排繞。

b.儲絲筒的徑向跳動和軸向竄動量要小。

c.儲絲筒能正反向旋轉，電極絲的走絲速度在7～10m/s內無級或有級可調，或恒速運轉。

d.走絲機構最好與床身相互絕緣。

e.傳動齒輪副、絲杠副應具備潤滑措施。

② 高速走絲機構的結構及特點　高速走絲機構由儲絲筒組合件、上下托板、齒輪副、絲杠副、換向裝置和絕緣件等部分組成。

儲絲筒組合件主要結構如圖1-9所示，儲絲筒1由電動機2通過簡單型彈性圓柱銷聯軸器3帶動，以1450r/min的轉速正反向轉動。儲絲筒另一端通過三對齒輪減速后帶動絲杠4。儲絲筒、電動機、齒輪都安裝在兩個支架5及6上。支架及絲杠則安裝在托板7上，螺母9裝在底座8上，托板在底座上來回移動。螺母具有消除間隙的副螺母及彈簧，齒輪及絲杠螺距的搭配使滾筒每旋轉一周托板移動0.20mm。所以，該儲筒適用于f0.19mm以下的鉬絲。

圖1-9　儲絲筒組合件

1—儲絲筒；2—電動機；3—聯軸器；4—絲杠；5,6—支架；7—托板；8—底座；9—螺母

儲絲筒運轉時應平穩，無不正常振動。滾筒外圓振擺應小于0.03mm，反向間隙應小于0.05mm，軸向竄動應徹底消除。

高頻電源的負端通過炭刷送到儲絲筒軸的尾部，然后傳到鉬絲上。炭刷應保持良好接觸，防止機油或其他臟物進入接觸區。

儲絲筒本身作高速正反向轉動，電動機、滾筒及絲杠的軸承應定期拆洗并加潤滑脂，換油期限可根據使用情況具體決定。其余中間軸、齒輪、燕尾導軌及絲杠、螺母等每班應注潤滑油一次。隨機附有搖手把一只，可插入滾筒尾部的齒輪槽中搖動儲絲筒，以便繞絲。

a.儲絲筒旋轉組合件　儲絲筒旋轉組合件主要由儲絲筒、聯軸器和軸承座組成。

·儲絲筒。儲絲筒是電極絲穩定移動和整齊排繞的關鍵部件之一，一般用45鋼制造。為減小轉動慣量，筒壁應盡量薄，按機床規格不同，選用范圍為1.5～5mm。為進一步降低轉動慣量，也可選用鋁鎂合金材料制造。儲絲筒壁厚要均勻，工作表面要有較好的表面粗糙度，一般Ra為0.8μm。為保證絲筒組合件動態平衡，應嚴格控制內孔、外圓對支承部分的同軸度。

儲絲筒與主軸裝配后的徑向跳動量不大于0.01mm。一般裝配后，以軸的兩端為中心孔定位，重磨儲絲筒外圓與軸承配合的軸徑。

·聯軸器。走絲機構中運動組合件的電動機軸與儲絲筒中心軸，一般不采用整體的長軸，而是利用聯軸器將二者連在一起。由于儲絲筒運行時頻繁換向，聯軸器瞬間受到正反剪切力很大，因此多用彈性聯軸器和摩擦錐式聯軸器。

彈性聯軸器：彈性聯軸器結構簡單，慣性力矩小，換向較平穩，無金屬撞擊聲，可減小對儲絲筒中心軸的沖擊。彈性材料采用橡膠、塑料或皮革。這種聯軸器的優點是允許電動機軸與儲絲筒軸稍有不同心和不平行（如最大不同心允許為0.2～0.5mm，最大不平行為1°），缺點是由它連接的兩根軸在傳遞扭矩時會有相對轉動。

摩擦錐式聯軸器：摩擦錐式聯軸器可帶動轉動慣量較大的大、中型機床儲絲筒旋轉組合件。此種聯軸器可傳遞較大的轉矩，同時在傳動負荷超載時，摩擦面之間的滑動還可起到過載保護作用。因為錐形摩擦面會對電動機和儲絲筒產生軸向力，所以在電機主軸的滾動支承中，應選用向心止推軸承和單列圓錐滾子軸承。另外，還要正確選用彈簧規格。彈力過小，摩擦面打滑，使傳動不穩定或摩擦面過熱燒傷；彈力過大，會增大軸向力，影響中心軸的正常轉動。

b.上下托板　走絲機構的上下托板多采用下面兩種滑動導軌。

·燕尾型導軌。這種導軌結構緊湊，調整方便。旋轉調整桿帶動塞鐵，可改變導軌副的配合間隙。但該結構制造和檢驗比較復雜，剛性較差，傳動中摩擦損失也較大。

·三角、矩形組合式導軌。圖1-10為三角、矩形組合式導軌結構。導軌的配合間隙由螺釘和墊片組成的調整環來調節。

圖1-10　三角、矩形組合式導軌結構

由于儲絲筒走絲機構的上托板一邊裝有運絲電動機，儲絲筒軸向兩邊負荷差較大。為保證上托板能平穩地往復移動，應把下托板設計得較長以使走絲機構工作時，上托板部分可始終不滑出下托板，從而保持托板的剛度、機構的穩定性及運動精度。

c.齒輪副與絲杠副　走絲機構上托板的傳動鏈是由2～3級減速齒輪副和1級絲杠副組成的。它使儲絲筒在轉動的同時，作相應的軸向位移，保證電極絲整齊地排繞在儲絲筒上。在大、中型線切割機床中，走絲機構常常通過配換齒輪改變儲絲筒的排絲筒的排絲距離，以適應排繞不同直徑電極絲的要求。絲杠副一般采用軸向調節法來消除螺紋配合間隙。為防止走絲電動機換向裝置失靈，導致絲杠副和齒輪副損壞，在齒輪副中，可選用尼龍齒輪代替部分金屬齒輪。這不但可在電動機換向裝置失靈時，由于尼龍齒輪先損壞，保護絲杠副與走絲電動機，還可減少振動和噪聲。

d.絕緣、潤滑方式

·走絲機構的絕緣一般采用絕緣墊圈和絕緣墊塊，方法簡單易行。在一些機床中，也有用絕緣材料制成連接儲絲筒和軸的定位板實現儲絲筒與床身絕緣的。這種方法的缺點是，儲絲筒組合件裝卸時精度易改變。

·潤滑方式有人工潤滑和自動潤滑兩種。人工潤滑是操作者用油壺和油槍周期地向相應運動副加油的潤滑方式；自動潤滑為采用燈芯潤滑、油池潤滑或油泵供油的集中潤滑系統。采取潤滑措施，能減少齒輪副、絲杠副、導軌副和滾動軸承等運動件的磨損，保持傳動精度；同時能減少摩擦面之間的摩擦阻力及其引起的能量損失。此外，還有潤滑接觸面和防銹的作用。

（3）絲架、導輪部件的結構

絲架與走絲機構組成了電極絲的運動系統。絲架的主要功用是在電極絲按給定線速度運動時，對電極絲起支撐作用，并隨電極絲工作部分與工作臺平面保持一定的幾何角度。

對絲架的要求是：

·具有足夠的剛度和強度。在電極絲運動（特別是高速走絲）時不應出現振動和變形。

·絲架的導輪有較高的運動精度，徑向偏擺和軸向竄動不超過5μm。

·導輪與絲架本體、絲架與床身之間有良好的絕緣性能。

·導輪運動組合件有密封措施，可防止帶有大量放電產物和雜質的工作液進入導輪軸承。

·絲架不但能保證電極絲垂直于工作臺平面，在具有錐度切割功能的機床上，還具備能使電極絲按給定要求保持與工作臺平面呈一定角度的功能。

絲架按功能可分為固定式、升降式和偏移式三種類型。按結構可分為懸臂式和龍門式兩種類型。

① 絲架本體結構　目前，中、小型線切割機床的絲架本體常采用單柱支撐、雙臂懸梁式結構。由于支撐電極絲的導輪位于懸臂的端部，同時電極絲保持一定張力，因此應加強絲架本體的剛度和強度，可使絲架的上下懸臂在電極絲運動時不至振動和變形。

為了進一步提高剛度和強度，在上下懸臂間增加加強筋的結構。大型線切割機床的絲架本體有的采用龍門結構。這時，工作臺托板只沿一個坐標方向運動，另一個坐標方向的運動通過架在橫梁上的絲架托板來實現。

此外，針對不同厚度的工件，還可采用絲臂張開高度可調的分離式結構（圖1-11）。活動上臂在導軌上滑動，上下移動的距離由絲杠副調節。松開固定螺釘時，旋轉絲杠帶動固定于上臂體的絲母，使上臂移動。調整完畢后，擰緊固定螺釘，上臂位置便固定下來；為了適應絲架絲臂張開高度的變化，在絲架上下部分應增設副導輪（圖1-12）。

圖1-12　可移動絲臂走絲示意圖

② 導輪部件結構

a.對導輪運動組合件的要求

·導輪V形槽面應有較高的精度。V形槽底的圓弧半徑必須小于選用的電極絲半徑，保證電極絲在導輪槽內運動時不產生軸向移動。

·在滿足一定強度要求下，應盡量減輕導輪質量，以減少電極絲換向時電極絲與導輪間的滑動摩擦。導輪槽工作面應有足夠的硬度，以提高其耐磨性。

·導輪裝配后轉動應輕便靈活，盡量減少軸向竄動和徑向跳動。

·進行有效的密封，以保證軸承的正常工作條件。

b.導輪運動組合件的結構　導輪運動組合件結構主要有三種；懸臂支承結構、雙支承結構和雙軸尖支承結構。

懸臂支承結構簡單，上絲方便。但因懸臂支承，張緊的電極絲運動的穩定性較差，難于維持較高的運動精度，同時也影響導輪和軸承的使用壽命。

雙支承結構為導輪居中，兩端用軸承支承，結構較復雜，上絲較麻煩。但此結構的運動穩定性較好，剛度較高，不易發生變形及跳動。

雙軸尖支承結構。導輪兩端加工成30°的錐形軸尖，硬度在60HRC以上。軸承由紅寶石或錫磷古銅制成。該結構易于保證導輪運動組合件的同軸度，導輪軸向竄動和徑向跳動量可控制在較小的范圍內。缺點是軸尖運動副摩擦力大，易于發熱和磨損。為補償軸尖運動副的磨損，利用彈簧的作用力使運動副良好接觸。

此外，導輪支承有的還采用滑動支承結構。

c.導輪的材料　為了保證導輪軸徑與導向槽的同軸度，一般采用整體結構。導輪要求用硬度高、耐磨性好的材料制成（如GCr15、W18Cr4V），也可選用硬質合金或陶瓷材料制造導輪的鑲件來增強導輪V形工作面的耐磨性和耐蝕性。

d.導輪組合件的裝配　導輪組合件裝配的關鍵是消除滾動軸承中的間隙，避免滾動體與套環工作表面在負荷作用下產生彈性變形，以及由此引起的軸向竄動和徑向跳動。因此，常用對軸承施加預負荷的方法來解決。通常是在兩個支承軸承的外環間放置一定厚度的定位環來獲得軸承的預負荷。預加負荷必須適當選擇，若軸承受預加負荷過大，在運轉時會產生急劇磨損。同時，軸承必須消洗得很潔凈，并在顯微鏡下檢查滾道內是否有金屬粉末、碳化物等。軸承經清洗、干燥后，填以高速潤滑脂，起潤滑和密封作用。

③ 電極絲保持器　保持器主要是對電極絲往復運動起限位作用，以提高位置精度。當保持器用于保證電極絲順序排繞時，一般置于上、下絲臂靠近儲絲筒的一端（圖1-13），使上、下保持器左右相對偏移。保持器的定位圓柱面應從相應中心位置對稱地左右調節，使電極絲走向與導輪V形槽夾角盡量小，有利于導輪的正常使用。圖1-14的V形寶石架用于保持電極絲運動的位置精度時，不應對電極絲產生較大的壓力。圓柱式保持器可以用硬質合金和紅寶石、藍寶石制成。目前使用的有圓弧形、V形、#形等方式。

圖1-13　硬質合金保持器

　1—儲絲筒；2—鉬絲；3—硬質合金塊

圖1-14　V形寶石架

1—保持器架；2—V形寶石保持器

（4）工作液系統

在電火花線切割加工過程中，需要穩定地供給有一定絕緣性能的工作介質——工作液，以冷卻電極絲和工件，排除電蝕產物等，這樣才能保證放電持續進行。一般線切割機床的工作液系統包括：工作液箱、工作液泵、流量控制閥、進液管、回液管及過濾網罩等，如圖1-15所示。

圖1-15　線切割機床工作液系統

1—過濾網；2—回液管；3—工作臺；4—下絲臂進液管；5—上絲臂進液管；6—流量控制閥；7—進液管；8—工作液泵；9—工作液箱

工作液過濾裝置：工作液的質量及清潔程度在某種意義上對線切割工作起著很大的作用，如圖1-16所示，用過的工作液經管道流到漏斗5，再經過磁鋼2、泡沫塑料3、紗布1流入水池中。這時基本上已將電腐蝕物過濾掉，再流經二塊隔墻4、銅網布6、磁鋼2，工作液得到過濾復原。此種過濾裝置不需要特殊設備，方法簡單，可靠實用，設備費用低。

圖1-16　工作液過濾網

1—紗布；2—磁鋼；3—泡沫塑料；4—隔墻；5—漏斗；6—銅網布；7—工作液泵

此外，必須注意水箱內不能涂漆，要鍍鋅處理。工作液的黏度要小一些，否則泡沫塑料會堵塞，水泵的進水口要裝銅絲網。

坐標工作臺的回水系統裝有射流吸水裝置，如圖1-17所示。在進水管中裝一個分流，流進回水管，使回水管具有一定的流速，造成負壓，臺面的工作液在大氣壓下暢通流入管而不外溢。

1.1.3.2　脈沖電源

電火花線切割脈沖電源又稱高頻電源，是電火花線切割機床的重要組成部分，主要由主振電路、脈寬調節電路、間隔調節電路、功率放大電路和整流電源5部分組成，如圖1-18所示。

圖1-18　線切割脈沖電源組成示意圖

為了滿足電火花線切割加工條件和加工工藝要求，電火花線切割機床所采用的脈沖電源應滿足以下要求：

① 脈沖電源的峰值電流不能太大，一般控制在10～25A，且易于調節。

② 脈沖寬度能夠調窄，實際加工時脈沖寬度控制在0.5～0.64μs。

③ 脈沖重復頻率能夠調高，一般控制在5～500kHz。

④ 脈沖電源應具有對電極絲損耗小的性能，這也是衡量脈沖電源好壞的重要參數之一。正常情況下，電極絲切割10000mm²面積后，其損耗小于0.001mm。

⑤ 脈沖電源能輸出單向脈沖。

⑥ 脈沖電源輸出的脈沖波形在前沿和后沿應陡些。

⑦ 脈沖參數能在較寬的范圍內調節。

1.1.3.3　控制器

電火花線切割控制器是電火花線切割機床的重要組成部分，它控制著X、Y方向工作臺的運動及錐度切割裝置的U、V坐標的移動，并合成工作切割軌跡，目前大部分控制器都已經實現數字控制或微機控制。