CN108746903A - 非贯穿式弯曲线切割加工装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有线切割加工以直线的形式进行贯穿式切割、无法实现诸如“U”字形等半封闭结构的切割加工问题，提出一种非贯穿式弯曲线切割加工的解决方案。涉及的装置包括机床主轴、运动控制系统、电源及放电检测系统、工作液循环供给系统、第一导杆、第二导杆以及导杆间距调节机构等。本发明所述的装置和方法可将工件毛坯材料以块状、非贯穿地、整体式切割移除，特别适用于极端制造背景下，大型构件以及难加工材料在粗加工阶段的高效、低成本的材料去除。

Description

非贯穿式弯曲线切割加工装置和方法

技术领域

本发明涉及一种非贯穿式弯曲线切割加工装置和方法，属于材料加工技术领域。

背景技术

线切割加工是基于放电等离子体瞬间气化蚀除工件材料而实现的高效切割技术。自上世纪60年代发展到现阶段，线切割加工技术无论是在切割效率、切割表面质量，还是在切割装备和切割控制理论上都取得了长足的进步。现有线切割加工技术的主要特征是切割丝在上、下导轮之间以直线的形式进行切割运动，如，切割丝平行于Z轴进行常规的切割加工，或者切割丝与Z轴呈小角度并结合U/V轴的进给实现上下异型面的切割加工等，所能实现的均为上下贯穿式切割加工。

在极端制造背景下，工业领域应用到越来越多的大型化结构件，这些结构件体积大、待去除的材料体积比例高，并且其毛坯往往由高温合金、钛合金、金属基复合材料等难加工材料制成。在粗加工阶段，这类结构件一般首先采用刀具切削方式将绝大部分毛坯材料去除，为后续半精加工或精加工提供准备。由于刀具切削的原理是通过刀具和工件之间的相对运动将工件材料以连续的切屑形式剥离工件，因而大型构件及难切削材料在大余量切削要求下，采用刀具切削的加工方式往往效率低，刀具损耗严重，加工成本高昂，加工耗时长，部分大型结构件加工耗时甚至可达数月。

充分考虑到线切割加工技术的优异切割性能和大型化结构件的大余量材料去除需求，如果能在结构件的粗加工阶段引入线切割加工，尽可能地将所需去除的工件毛坯材料以块状、非贯穿式的整体切割移除（单次移除后形成类似“U”字形的半封闭特征），将极大地提高加工效率，降低加工成本。然而，现有线切割加工的直线式切割方式受结构所限，所有厚度方向的材料均受切，因此往往仅适用于毛坯件下料以及开放平面或上下贯穿结构的切割加工。目前为止，尚无法用现有线切割加工技术实现诸如“U”字形的型腔等半封闭结构的切割加工。

本发明针对现有线切割加工无法技术实现诸如“U”字形的型腔等半封闭结构的切割加工问题，提出一种非贯穿式弯曲线切割加工的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以实现诸如“U”字形等半封闭型腔结构的切割加工的非贯穿式弯曲线切割加工装置。本发明还提供一种非贯穿式弯曲线切割加工方法，该法特别适用于极端制造背景下，大型构件以及难加工材料在粗加工阶段的高效、低成本的材料移除。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：非贯穿式弯曲线切割加工装置，包括与运动控制系统通讯连接的机床主轴，所述机床主轴与导杆间距调节机构相连，第一导杆和第二导杆分别安装于所述导杆间距调节机构的左端和右端，所述第一导杆的上端和下端分别安装有第一导轮和第三导轮，所述第二导杆的上端和下端分别安装有第二导轮和第四导轮，切割丝依次绕过所述第一导轮、第三导轮、第四导轮和第二导轮形成弯曲的半封闭结构，张力传感器检测所述切割丝的张力值并通过放丝机构控制所述切割丝的收放速度，切割加工过程中工作液循环供给系统提供工作液并将工作液输运至所述第三导轮和第四导轮之间的放电切割区域，工件以及所述切割丝分别与电源及放电检测系统的正、负极相连，所述电源及放电检测系统与运动控制系统之间实时通讯连接。

所述切割丝可将所述工件上的材料从XY平面或与XY平面呈小于90°的方向上切割。

所述第一导杆和第二导杆的长度可根据切割要求分别作调整；当所述第一导杆和第二导杆长度相同时，切割丝在XY平面上切割；当所述第一导杆和第二导杆长度不同时，切割丝在与XY平面呈小于90°的方向上切割。

所述第一导杆和第二导杆通过所述导杆间距调节机构调节两者之间的间距，所述第一导杆和第二导杆分别连接于两个连接件上或者共同连接于同一个连接件上，所述连接件与驱动电机相连。

所述第一导杆和第二导杆可通过螺母连接于同一丝杠上，所述丝杠与所述驱动电机相连，所述驱动电机的控制器与运动控制系统通讯连接；或者所述第一导杆通过第一螺母连接于第一丝杠上，所述第一丝杠与第一驱动电机相连，所述第一驱动电机的控制器与运动控制系统通讯连接；所述第二导杆通过第二螺母连接于第二丝杠上，所述第二丝杠与第二驱动电机相连，所述第二驱动电机的控制器与运动控制系统通讯连接。

非贯穿式弯曲线切割加工方法，当所述工件上不存在所述第一导杆和第二导杆在切割进给过程中所需的运动空间时，预先加工出工艺槽，供所述第一导杆和第二导杆伸入。

当所述第一导杆和第二导杆在工件外侧运动时，无需事先加工工艺槽，通过切割丝在+Y方向和+Z方向的运动，实现材料的整块切除；

当切割轨迹为曲线，且所述第一导杆和第二导杆无运动空间时，此时需事先加工工艺槽，加工时，切割丝先沿-Z方向进给切割，接着沿+Y方向切割进给，最后沿+Z方向切割进给，在+Y方向切割进给时，所述导杆间距调节机构同时调节所述第一导杆和第二导杆之间的距离；

当所述第一导杆和第二导杆沿+Y方向切割进给时的轨迹分别为直线和曲线时，在切割进给过程中，分别调节所述第一导杆和第二导杆在切割运动过程中在X方向的位置；

当待加工的所述工件为具有螺旋特征的回转体时，切割前，分别沿着螺旋线铣削加工出工艺槽，切割时，所述第一导杆和第二导杆在预设位置保持不动，所述工件旋转的同时加入X向的进给运动；或者工件保持旋转运动，所述第一导杆和第二导杆沿-X方向进行进给运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，提供一种非贯穿式弯曲线切割加工装置及方法，解决了现有线切割加工无法技术实现诸如“U”字形的型腔等半封闭结构的切割加工问题。本发明所述的装置和方法特别适用于极端制造背景下，大型构件以及难加工材料在粗加工阶段的高效、低成本的材料移除需求。

本发明进一步拓宽了线切割加工技术的工艺能力，极有可能颠覆现有大型构建及难加工材料的粗加工策略；同时，极有可能为先进制造技术提供新的研究方向。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中一种切割加工方法的结构示意图；

图3为本发明中一种切割加工方法的结构示意图；

图4为本发明中一种切割加工方法的结构示意图；

图5为本发明中一种切割加工方法的结构示意图；

图中：1机床主轴，2运动控制系统，3导杆间距调节机构，4张力传感器， 5切割丝，6第一导轮，7第二导轮，8工件，9第一导杆，10第二导杆，11第三导轮，12第四导轮，13电源及放电检测系统，14工作液循环供给系统，15放丝机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，非贯穿式弯曲线切割加工装置，包括机床主轴1， 运动控制系统2，电源及放电检测系统13，工作液循环供给系统14，切割丝5，张力传感器4，还包括第一导杆9，第二导杆10，第一导轮6，第二导轮7，第三导轮11，第四导轮12和导杆间距调节机构3；

所述的第一导杆9和第二导杆10分别安装于导杆间距调节机构3的左端和右端，并可通过导杆间距调节机构3调节两者之间的间距，导杆间距调节机构3的具体结构为：第一导杆9和第二导杆10分别连接于两个连接件上或者共同连接于同一个连接件上，所述连接件与驱动电机相连，所述驱动电机的控制器与运动控制系统2通讯连接；优选地，第一导杆9和第二导杆10可通过螺母连接于同一丝杠上，丝杠与驱动电机相连；或者第一导杆9通过第一螺母连接于第一丝杠上，第一丝杠与第一驱动电机相连，所述第一驱动电机的控制器与运动控制系统2通讯连接；第二导杆10通过第二螺母连接于第二丝杠上，所述第二丝杠与第二驱动电机相连，所述第二驱动电机的控制器与运动控制系统2通讯连接；

导杆间距调节机构3安装于机床主轴1上，可在机床主轴1的带动下运动；

所述的第一导轮6和第三导轮11分别安装于第一导杆9的上端和下端，第二导轮7和第四导轮12分别安装于第二导杆10的上端和下端，切割丝5分别绕过第一导轮6、第三导轮11、第四导轮12和第二导轮7而形成弯曲的半封闭结构；切割丝5对工件8形成的放电切割区域为第三导轮11和第四导轮12之间，可将工件8上的材料从XY平面或与XY平面呈小于90°的方向上切割；

所述的导杆距调节机构3在调节第一导杆9和第二导杆10之间的距离时，可结合张力传感器4检测的张力值并通过放丝机构15控制切割丝5的收放速度，防止断丝。

所述的第一导杆9和第二导杆10的长度可根据切割要求分别作调整，当第一导杆9和第二导杆10长度相同时，切割丝5在XY平面上切割。当第一导杆9和第二导杆10长度不同时，切割丝5在与XY平面呈小于90°的方向上切割。

切割加工过程中工作液循环供给系统14提供工作液并将工作液输运至第三导轮11和第四导轮12之间的放电切割区域。

切割过程中所需的脉冲电源和放电状态检测由电源及放电检测系统13提供，电源及放电检测系统13可与运动控制系统2之间实时通信，防止切割短路。

工作液循环供给系统14提供工作液并将工作液输运至所述第三导轮11和第四导轮12之间的放电切割区域，可通过如下两种方式实现：1，工件8浸没在工作液循环供给系统14中，确保放电切割区域完全在工作液之中；2，工作液循环供给系统14设置泵和导管等，通过导管将有压力的工作液加载到第一导杆9和第二导杆10上，并通过在第一导杆9和第二导杆10内部开孔，将工作液引至放电切割区域后喷出，从而达到冲液和排屑效果。

非贯穿式弯曲线切割加工方法，当工件8上不存在第一导杆9和第二导杆10在切割进给过程中所需的运动空间时，预先加工出工艺槽，供第一导杆9和第二导杆10伸入，工艺槽可通过其它加工方式先加工出，其他加工方式包括铣削等。

与现有技术相比，本实施例解决了现有线切割加工无法技术实现诸如“U”字形的型腔等半封闭结构的切割加工问题。本实施例所述的装置和方法特别适用于极端制造背景下，大型构件以及难加工材料在粗加工阶段的高效、低成本的材料去除需求。

本实施例的非贯穿式弯曲线切割加工装置和方法的核心思路在于通过线切割方式在毛坯的粗加工阶段以“U”字形将大块连续的材料进行整体式切除，从而降低加工成本，节省加工时间。首先，设置两个导杆，即第一导杆9和第二导杆10，分别在两个导杆上安装导向轮，即第一导轮6、第三导轮11、第二导轮7和第四导轮12，切割丝5通过上述4个导轮形成上开口的结构，同时在第三导轮11和第四导轮12形成点P1到P2之间为有效放电切割线，而P1到P2之间的切割丝5为非工作。当切割丝5的 P1到P2区域在电源及放电检测系统13工作后，与工件8之间放电并沿着进给方向切割工件8。由于切割过程中产生大量的蚀除物，因此设置工作液循环供给系统14及时对蚀除物进行排除。进一步地，为有效获知放电状态，电源及放电检测系统13同时采集放电参数，并与运动控制系统2通信，实时调节进给速率并预防短路。

当切割面为与XY平面呈一定角度的斜面时，可通过调节第一导杆9和第二导杆10的长度，形成倾斜的切割平面；为适应不同尺寸的工件进行切割加工，第一导杆9和第二导杆10之间的距离可通过导杆间距调节机构3进行调节。在调节过程中，涉及到切割丝的收放，因此设置有张力传感器4检测，用于实时检测张力值并通过放丝机构15控制切割丝5的收放速度防止断丝。

为实现半封闭切割，需在切割加工开始前，如果工件8上不存在第一导杆9和第二导杆10在切割进给过程中所需的运动空间时，可通过其它加工方式（如铣削）先加工出工艺槽，供导杆伸入。

图2~图5进一步说明了不同应用场合下的非贯穿式弯曲线切割方法。

如图2所示，在该切割场合下，第一导杆9和第二导杆10可在工件外侧运动，因此无需事先加工工艺槽，可通过切割丝5在+Y方向和+Z方向的运动，实现材料的整块切除。

如图3所示，在该切割场合下，切割轨迹为曲线，且第一导杆9和第二导杆10无运动空间，因此需事先加工工艺槽，加工时，切割丝5先沿-Z方向进给切割，接着沿+Y方向切割进给，最后沿+Z方向切割进给，在+Y方向切割进给时，导杆间距调节机构3同时调节第一导杆9和第二导杆10之间的距离。

如图4所示，在该切割场合下，第一导杆9和第二导杆10沿+Y方向切割进给时的轨迹分别为直线和曲线，导杆间距调节机构3需独立、分别调节第一导杆9和第二导杆10在切割运动过程中在X方向的位置。

如图5所示，在该切割场合下，待加工的工件8为具有螺旋特征的回转体，切割前，分别沿着螺旋线加工出工艺槽；切割时，第一导杆9和第二导杆10在合适的位置保持不动，而工件8旋转的同时加入X向的进给运动；或者，工件8保持旋转运动，第一导杆9和第二导杆10沿-X方向进行进给运动。

导杆间距调节机构3可以设计成一组不同旋向的螺旋结构，将驱动电机的旋转运动转化为第一导杆9和第二导杆10之间的相对运动，但是两者的运动是同步的。这种方式可胜任图2、图3及图1的切割场合。

导杆间距调节机构3也可以设计成两组独立的螺旋结构，通过各自的驱动电机独立控制其在X方向的位置，这种方式可胜任图4所示的切割场合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.非贯穿式弯曲线切割加工装置，其特征在于：包括与运动控制系统（2）通讯连接的机床主轴（1），所述机床主轴（1）与导杆间距调节机构（3）相连，第一导杆（9）和第二导杆（10）分别安装于所述导杆间距调节机构（3）的左端和右端，所述第一导杆（9）的上端和下端分别安装有第一导轮（6）和第三导轮（11），所述第二导杆（10）的上端和下端分别安装有第二导轮（7）和第四导轮（12），切割丝（5）依次绕过所述第一导轮（6）、第三导轮（11）、第四导轮（12）和第二导轮（7）形成弯曲的半封闭结构，张力传感器（4）检测所述切割丝（5）的张力值并通过放丝机构（15）控制所述切割丝（5）的收放速度，切割加工过程中工作液循环供给系统（14）提供工作液并将工作液输运至所述第三导轮（11）和第四导轮（12）之间的放电切割区域，工件（8）以及所述切割丝（5）分别与电源及放电检测系统（13）的正、负极相连，所述电源及放电检测系统（13）与运动控制系统（2）之间实时通讯连接。

2.根据权利要求1所述的非贯穿式弯曲线切割加工装置，其特征在于：所述切割丝（5）可将所述工件（8）上的材料从XY平面或与XY平面呈小于90°的方向上切割。

3.根据权利要求1或2所述的非贯穿式弯曲线切割加工装置，其特征在于：所述第一导杆（9）和第二导杆（10）的长度可根据切割要求分别作调整；当所述第一导杆（9）和第二导杆（10）长度相同时，切割丝（5）在XY平面上切割；当所述第一导杆（9）和第二导杆（10）长度不同时，切割丝（5）在与XY平面呈小于90°的方向上切割。

4.根据权利要求1所述的非贯穿式弯曲线切割加工装置，其特征在于：所述第一导杆（9）和第二导杆（10）通过所述导杆间距调节机构（3）调节两者之间的间距，所述第一导杆（9）和第二导杆（10）分别连接于两个连接件上或者共同连接于同一个连接件上，所述连接件与驱动电机相连。

5.根据权利要求4所述的非贯穿式弯曲线切割加工装置，其特征在于：所述第一导杆（9）和第二导杆（10）可通过螺母连接于同一丝杠上，所述丝杠与所述驱动电机相连，所述驱动电机的控制器与运动控制系统（2）通讯连接；或者所述第一导杆（9）通过第一螺母连接于第一丝杠上，所述第一丝杠与第一驱动电机相连，所述第一驱动电机的控制器与运动控制系统（2）通讯连接；所述第二导杆（10）通过第二螺母连接于第二丝杠上，所述第二丝杠与第二驱动电机相连，所述第二驱动电机的控制器与运动控制系统（2）通讯连接。

6.根据权利要求1~5任一项所述的非贯穿式弯曲线切割加工装置的加工方法，其特征在于：当所述工件（8）上不存在所述第一导杆（9）和第二导杆（10）在切割进给过程中所需的运动空间时，预先加工出工艺槽，供所述第一导杆（9）和第二导杆（10）伸入。

7.根据权利要求6所述的非贯穿式弯曲线切割加工方法，其特征在于：当所述第一导杆（9）和第二导杆（10）在工件外侧运动时，无需事先加工工艺槽，通过切割丝（5）在+Y方向和+Z方向的运动，实现材料的整块切除；

当切割轨迹为曲线，且所述第一导杆（9）和第二导杆（10）无运动空间时，此时需事先加工工艺槽，加工时，切割丝（5）先沿-Z方向进给切割，接着沿+Y方向切割进给，最后沿+Z方向切割进给，在+Y方向切割进给时，所述导杆间距调节机构（3）同时调节所述第一导杆（9）和第二导杆（10）之间的距离；

当所述第一导杆（9）和第二导杆（10）沿+Y方向切割进给时的轨迹分别为直线和曲线时，在切割进给过程中，分别调节所述第一导杆（9）和第二导杆（10）在切割运动过程中在X方向的位置；

当待加工的所述工件（8）为具有螺旋特征的回转体时，切割前，分别沿着螺旋线铣削加工出工艺槽，切割时，所述第一导杆（9）和第二导杆（10）在预设位置保持不动，所述工件（8）旋转的同时加入X向的进给运动；或者工件（8）保持旋转运动，所述第一导杆（9）和第二导杆（10）沿-X方向进行进给运动。