目前，小模數(shù)齒輪廣泛應(yīng)用在微電機(jī)的減速機(jī)構(gòu)中，一般采用滾齒或者插齒的加工方法。在多品種小批量生產(chǎn)或者新品試制時(shí)，定制加工刀具和制作專(zhuān)用工裝既延長(zhǎng)生產(chǎn)周期又將提高生產(chǎn)成本。而 傳統(tǒng)的滾齒或者插齒加工方法無(wú)法快速響應(yīng)，采用電火花線切割加工方法可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝的不足。
電火花線切割加工柔性好，工藝準(zhǔn)備時(shí)間短，一般情況下不受齒輪模數(shù)、壓力角、齒數(shù)的限制，通過(guò)程序改動(dòng)可直接加工齒輪。然而，電火花線切割機(jī)有不同的種類(lèi)和加工方式，如何選擇合適的機(jī)床種類(lèi)和加工方式來(lái)滿(mǎn)足多品種小批量小模數(shù)齒輪制造在質(zhì)量、效率和成本上的要求，便成為了工藝設(shè)計(jì)人員需要研究解決的問(wèn)題。
一、不同種類(lèi)電火花線切割機(jī)的對(duì)比
電火花線切割機(jī)的分類(lèi)：電火花線切割機(jī)分為三類(lèi)：快走絲電火花線切割機(jī)、慢走絲電火花線切割機(jī)和中走絲電火線切割機(jī)。
快走絲電火花線切割機(jī)又被稱(chēng)作高速往復(fù)走絲線切割機(jī)，一般選用鉬絲作為電極絲。電極絲以8～10m /s 的速度經(jīng)過(guò)工件并進(jìn)行放電腐蝕，因速度較快容易在工件表面形成條紋，工件表面質(zhì)量較低。同時(shí)，電極絲采用往復(fù)走絲的方式，且設(shè)備沒(méi)有恒定張力控制的措施，故切割時(shí)電極絲會(huì)發(fā)生停頓、抖動(dòng)和斷絲，影響工件的加工精度，加工質(zhì)量嚴(yán)重降低。
慢走絲電火花線切割機(jī)又被稱(chēng)作低速單向走絲線切割機(jī)，一般選用銅絲作為電極絲。電極絲以 0. 2 m /s 的速度進(jìn)行單向連續(xù)放電腐蝕，因電極絲速度較低且不重復(fù)使用，且設(shè)備有恒張力控制的措施，故加工平穩(wěn)、抖動(dòng)較小、均勻，加工精度高，工件表面質(zhì)量接近于磨削的水準(zhǔn)。但由于機(jī)床采用無(wú)電阻防電解電源、全閉環(huán)伺服控制、精密機(jī)械結(jié)構(gòu)，其價(jià)格比較高，因此相較于快走絲線切割機(jī)，使用成本較高。
中走絲電火花線切割機(jī)是將慢走絲線切割機(jī)的切割工藝融入到快走絲線切割機(jī)中，從而達(dá)到多次切割和無(wú)條紋切割要求，一般選用鉬絲作為電極絲。中走絲兼顧了慢走絲和快走絲二者在切割工件時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，即在多次切割過(guò)程中，第一次采用快走絲的高速進(jìn)行粗切割，第二次及后面幾次采用慢走絲的低速進(jìn)行精修與精磨，這樣加工精度和表面質(zhì)量可得到一定程度的提升，加工質(zhì)量比快走絲高、但比慢走絲低。
電火花線切割機(jī)主要性能和加工成本的對(duì)比：電火花線切割機(jī)的性能主要體現(xiàn)在加工精度、表面粗糙度、最大切割面積速度、切割方式等方面，表 1 詳細(xì)地列舉了現(xiàn)階段不同種類(lèi)電火花線切割機(jī)的主要性能參數(shù)。
電火花線切割機(jī)的加工成本主要由機(jī)床的價(jià)格、耗材的損耗、使用時(shí)長(zhǎng)等方面構(gòu)成，表 2 列舉了某單位不同種類(lèi)電火花線切割機(jī)的加工成本。
通過(guò)對(duì)不同種類(lèi)電火花線切割機(jī)主要性能和加工成本的對(duì)比，同時(shí)結(jié)合多品種小批量小模數(shù)齒輪制造時(shí)在質(zhì)量、效率和成本上的要求，我們分析得知：
(1) 慢走絲電火花線切割機(jī)的加工精度和表面質(zhì)量最高，但加工成本也最高，故加工經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。在小模數(shù)齒輪加工應(yīng)用中，要綜合考慮工藝的經(jīng)濟(jì)性，即在滿(mǎn)足加工質(zhì)量的前提下盡可能選用加工成本低的工藝設(shè)備，所以慢走絲電火花線切割機(jī)不是最優(yōu)選擇。
(2) 快走絲電火花線切割機(jī)雖然加工成本最低，但是加工質(zhì)量也最差，無(wú)法滿(mǎn)足小模數(shù)齒輪精度和表面粗糙度的要求，不適合用于小模數(shù)齒輪的制造。
(3) 中走絲電火花線切割機(jī)的加工質(zhì)量與慢走絲相似，加工成本與快走絲相近，較好地彌補(bǔ)了在小模數(shù)齒輪加工中慢走絲成本高、快走絲質(zhì)量差的缺陷，適用于多品種小批量小模數(shù)齒輪的生產(chǎn)。
(4) 電火花線切割機(jī)的加工效率主要由平均切割面積速度來(lái)決定，快走絲的加工效率最高，其次是中走絲，最后是慢走絲。
綜上所述，在多品種小批量小模數(shù)齒輪加工中選用中走絲電火花線切割機(jī)最合適，該機(jī)床能滿(mǎn)足齒輪制造時(shí)在質(zhì)量、效率和成本上的要求。
二、電火花線切割加工方式的對(duì)比
電火花線切割的加工方式分為兩種：?jiǎn)未吻懈詈投啻吻懈睿渲卸啻吻懈畹募庸し绞絻H在中走絲、慢走絲電火花線切割機(jī)中可以實(shí)現(xiàn)。
單次切割的加工方式是指利用電極絲對(duì)表面進(jìn)行一次切割。單次切割過(guò)程中，采用大的脈沖能量以獲得較高的加工速度，加工質(zhì)量較低。
多次切割的方式是指利用電極絲對(duì)表面先后進(jìn)行兩次或兩次以上的切割。第一次切割時(shí)為高速走絲切割，類(lèi)似于快走絲切割，并留有精割余量;第二次及后續(xù)多次切割時(shí)為低速走絲切割，采用同一切割軌跡程序，通過(guò)逐漸縮小補(bǔ)償量的方法進(jìn)行切割加工。隨著切割次數(shù)的增多，補(bǔ)償量應(yīng)逐級(jí)減小，直至最后一次切割時(shí)，補(bǔ)償量應(yīng)接近零。多次切割過(guò)程中，第一次切割主要進(jìn)行高速粗割，第二次及后續(xù)切割主要進(jìn)行低速精割，最后一次切割主要進(jìn)行超低速修光，以獲得理想的加工精度和表面質(zhì)量，加工質(zhì)量較高。
為了更直觀地比較兩種加工方式在加工質(zhì)量上的差異，我們選用厚 40 mm 的 Cr12 正八棱柱( 對(duì)邊距 28 mm) 作為樣件，用中走絲電火花線切割機(jī)進(jìn)行單次切割和多次切割實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示。
采用多次切割時(shí)，工件的加工質(zhì)量得到了明顯提高，而且切割次數(shù)越多，加工質(zhì)量越高。但是過(guò)多的切割次數(shù)，會(huì)降低加工效率，提高加工成本。基于工藝經(jīng)濟(jì)性的原則，我們要嚴(yán)格控制切割次數(shù)，在滿(mǎn)足加工質(zhì)量的同時(shí)盡可能地提高加工效率、降低加工成本。
綜上所述，在多品種小批量小模數(shù)齒輪加工中選用多次切割的加工方式最合適，能滿(mǎn)足小模數(shù)齒輪制造時(shí)在質(zhì)量、效率和成本上的要求。
三、小模數(shù)齒輪加工實(shí)例
在某型號(hào)小模數(shù)齒輪加工時(shí)，我們分別采用中走絲電火花線切割機(jī)和快走絲電火花線切割機(jī)進(jìn)行加工質(zhì)量的對(duì)比，中走絲電火花線切割機(jī)在加工時(shí)采用多次切割的加工方式;而快走絲電火花線切割機(jī)在加工時(shí)采用單次切割的加工方式，加工效果如圖 1 所示。
圖1 快走絲與中走絲加工件放大圖
通過(guò)加工實(shí)物對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)中走絲加工的齒輪質(zhì)量明顯優(yōu)于快走絲，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文對(duì)比結(jié)果的正確性。
四、結(jié) 語(yǔ)
中走絲電火花線切割機(jī)的加工質(zhì)量與慢走絲相似，加工成本與快走絲相近，較好地彌補(bǔ)了慢走絲成本高、快走絲質(zhì)量差的缺陷。
多次切割的加工方式相比于單次切割可以獲得更好的加工質(zhì)量，而且切割次數(shù)越多，加工質(zhì)量越好。但是過(guò)多的切割次數(shù)，會(huì)降低加工效率，提高加工成本。基于工藝經(jīng)濟(jì)性的原則，我們要嚴(yán)格控制切割次數(shù)，在滿(mǎn)足加工質(zhì)量的同時(shí)盡可能地提高加工效率、降低加工成本。
在多品種小批量小模數(shù)齒輪加工中選用中走絲線切割機(jī)和多次切割的加工方式最合適，它能滿(mǎn)足齒輪制造時(shí)在質(zhì)量、效率和成本上的要求。