高速走丝线切割机电极丝系统刚度对加工的影响和对策

第２９卷第３期　２０１１年６月　轻工机械　ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈ／ｎｅｒｙ　Ｖ０１．２９　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２Ｏ１１　［安装・使用・改进］　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ。ｉｓｓｎ．１００５－２８９５．２０１１．０３．０２５　高速走丝线切割机电极丝系统　刚度对加工的影响和对策　张晓云　ｔ　（１．轻＿ｒ－：ｌｋ自动化研究所，浙江杭州３１００１５；　２．杭州轻通博科自动化技术有限公司，浙江杭州３１００１５）　摘要：介绍了通过增加电火花线切割机电极丝系统刚度的方法降低电极丝振动的几种途径，提出了增设快速反应的气　压式电极丝恒张力机构和双贮丝筒结构的阻尼负载脉宽调制闭环控制系统两种具体方法，并作了设计说明。前者以线　架结构的改进为基础，在线架上增设恒张力机构以稳定电极丝张力；后者以双贮丝筒结构的电气控制方式改进为特点，　以贮丝筒电磁阻尼的大小控制电极丝张力。２种方法均使运行中电极丝的张力保持恒定，减少振动，从而提高了电火花　线切割机的加工质量。图６参１Ｏ　关键词：金属加工；电火花线切割机；恒张力机构；可调线架；闭环控制；电极丝系统刚度　文献标志码：Ａ　文章编号：１００５－２８９５（２０１１）０３－０１０１－０４　中图分类号：ＴＰ２７４　Ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　Ｗｉｒｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｔｉｆｎｅｓｓ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ　Ｗｉｒｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　Ｍａｃｈｉｎｅ　ｏｎ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ．ｖｕｎ　，　（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｄｅ　ｏｆ　ｇｈｔ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００１５，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｑｉｎｇｔｏｎｇ＆Ｂｏｋｅ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００１５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｏｆ　ＥＤ　ｗｉｒｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｂｙ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｗｉｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｗｏ　ｗａｙｓ：ａｄｄｉｎｇ　ｑｕｉｃｋ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｉｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｙｐｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｒ　ＰＷＭ　ｃｌｏｓｅｄ—ｃｙｃｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｔｗｏ　ｗｉｒｅ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｔｕｂｅｓ　ｆｏｒ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｔｏ　ｗｉｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ．　Ｔｈｅ　ｆｏｒｍｅｒ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｗｉｒｅ　ｆｒａｍｅ，ａｄｄｉｎｇ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅ　ｌａｔｔｅｒ　ｉｓ　ｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｗｉｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｂｙ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｏｍａｇｎｅｔｒｉｃ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｏｆ　ｗｉｒｅ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｔｕｂｅｓ．Ｂｏｔｈ　ｗａｙｓ　ｃａｎ　ｋｅｅｐ　ａ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｗｉｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｏ—ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｍａｃｈｉｎｅ．［Ｃｈ，６　ｉｆｇ．１０　ｒｅｆ．］　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ＥＤ　ｗｉｒｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｗｉｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　ｇｕｉｄｅ　ｆｒａｍｅ；ｃｌｏｓｅｄ—　ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　０引言　一。但由于其迄今为止的一些结构缺陷，在进一步提　随着新材料、新工艺的发展，高速走丝电火花线切　割机床因其结构简单、操作方便、购置及使用成本低等　升加工精度和改善表面粗糙度方面受到了一定的制　约，原因之一就是电火花切割加工过程中的电极丝振　动。若能在加工过程中保持电极丝运行平稳，减小振　动，则其加工精度和表面质量必将得到进一步提高，从　而使设备得到更为广泛的应用。　优点，在各类中低档模具制造和特殊零件加工中正受　到越来越广泛的欢迎。目前国内存量已达２０多万　台…，成为我国数控机床中应用最为广泛的机种之　收稿日期：２０１１－０３－３０；修回日期：２０１１　４—１３　作者简介：张晓云（１９５１），男，安徽寿县人，工程师，主任工程师职务，主要从事机电一体化产品及工艺设计，现为中国电子学会　生产技术分会电加工专业委员会委员。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｉｌ　１０８＠１６３．ｃｏｍ　・１０２・　轻工杌械Ｌｉｇｈｔ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　２０１１年第３期　１　加工区电极丝系统刚度对振动的影晌　加工区的电极丝通常由位于线架端部的上、下导　轮作支承，静态时为一简支梁式的振动系统［２］，系统　刚度：ｋ＝Ｆ／６　；（其中Ｆ为施加力，　为电极丝施加一　厂　定力后的位移）。振幅：Ａ＝／　＋　；（式中：初位移　０　／－．　２－。＝～　，初速度　。＝０）；固有频率：６０＝、，０／｝；（其中ｇ　．ｓ　为重力加速度）由于　与系统刚度后成反比，所以提　高系统刚度可以减小振幅，同时可以提高系统的固有　频率　Ｊ。加工区电极丝振动振幅的减小能使切割过　程中电极丝与工件间不易发生短路，有利于切割的平　稳进行；系统固有频率的提高则使加工区电极丝不易　与大部分外界低频激振力发生共振，从而提高了加工　的稳定性。　２通过减小线架上下导轮间距离的方式提高系统刚度　在同等电极丝张力条件下，上下导轮间距越小，电　极丝系统刚度就越高，加工时越不容易发生振动，即便　振动起来振幅也不会很大，这一点对于薄片零件加工　具有特别重要的意义。薄件因其加工区较短，工件对　电极丝振动的阻尼作用不大，若不使上下导轮尽量靠　近，加工时电极丝振动将十分明显。这一方面使得加　工时电流忽大忽小，甚至发生短路造成断丝故障；另一　方面振动会使工件表面粗糙度大增，并产生明显的切　割条纹＿４　Ｊ，严重时将造成工件报废。　根据被加工件厚度的不同调节上下导轮之间距离，　采用可调线架　是最简单易行的方法。通常的可调线　架下导轮位置固定，上导轮则随工件厚度的不同而上下　调节。这样由于导轮间电极丝大部分处于电火花加工　区内，工件对其振动的阻尼作用较大，所以减振效果明　显，切割质量也随之提高。该法因此而被广泛采用。　采用可调线架虽然简单易行，但却有其局限性。　对具有锥度切割功能的线切割机，随意调节导轮间距　会使锥度计算变得十分复杂，从而无法保证预定加工　表面的切割精度，因此一般仅用于普通垂直切割的机　床，对具有锥度切割功能的机床，若采用可调线架则宜　采用分级可调的方案（见图１）。如最大开度为２５０　ｍｍ的线架，在５０　ｍｍ，１２０　ｍｍ，２５０　ｍｍ　３个位置实现　开度可调，然后根据机床具体的４轴联动结构建立３　种锥度切割数学模型。实际使用时根据工件厚度选择　合适的线架开度档位和相应的锥度切割计算控制模　式。这种线架开度分级可调的方法也有利于后导轮的　布置。　图１　分档可调式线架　Ｆｉｇｕｒｅ　１　Ｓｔｅｐ—ｔｙｐｅ　ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　ｇｕｉｄｅ　ｆｌａｍｅ　３通过提高和稳定电极丝张力的方式提高系统刚度　提高电极丝系统刚度的另一个途径是提高和稳定　运行中的电极丝张力　Ｊ。目前主要有２种方法：一种是　增设张丝机构，利用专设的电极丝张紧装置使工作中的　电极丝保持恒定的张力；另一种是采用双贮丝筒结构，　上、下２个贮丝筒一收一放，交替运行，通过调节放丝筒　的放丝阻力来达到张紧电极丝并保持张力恒定的目的。　３．１增设张丝机构　普通线架一般不含张丝机构，为增加电极丝系统　的动态刚度，可在线架后部增设一套张丝机构，其中较　为常见的是重锤式张紧结构　Ｊ，依靠重力张紧电极丝　（见图２）。此种方法能在一定程度上保持电极丝张力　的恒定，但也存在一些缺点。其一，由于重锤机构处于　上下导轮中的一侧，导轮分布不对称，故贮丝筒正、反　转时，放电加工区电极丝张力并不一致，容易出现切割　条纹；其二，重锤有较大的惯性，其调节速度跟不上运　行中电极丝张力的变化。在换向时更因其重力惯性作　用而使电极丝张力大增，以致拉断电极丝。　图２重力式张丝机构　Ｆｉｇｕｒｅ　２　Ｇｒａｖｉｔｙ　ｔｙｐｅ　ｗｉｒｅ　ｔｅｎｓｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　若采用对称分布的气压式张紧结构，可望在上述　［安装・使用－改进］　张晓云高速走丝线切割机电极丝系统刚度对加工的影响和对策　缺点方面有所改进（见图３）。图中上下活动的导轮组　件采用轻质材料制作，同时为简化绝缘结构选用宝石　或陶瓷导轮，以此降低运动组件的惯性。气囊置于滑　动护套内，上大下小的护套结构既可平衡重力引起的　上下张力不一致，也可防止液滴进入气囊室内。气压　０．１　ＭＰａ已经足够，通过调压阀可根据不同电极丝直　径调整气压大小，从而获得适当的电极丝张力　Ｊ。气　压随运动中电极丝张紧力变化的反应速度要比重锤快　得多，因此可以得到较为恒定的电极丝张力。此外由　于气压力方向可以随意确定，张紧机构的设计安放位　置也比重锤式自由，对称布局的张紧轮组件使贮丝筒　正、反转时，放电加工区电极丝的张力能够基本一致。　净季　动上贮丝筒转动实现卷丝，此时下电机断　ｌ　／　Ｉ　相制动同器。通的差过阻一控尼制转与矩放，使电极丝得到预定的　丝筒同轴配置　ｌ的磁粉　Ｉ　二　一　！兰兰　－－＿—＿＿＼　二　１１兰璺奎兰ｒ　一　＼　一　兰　竺竺兰广一＼　二ｌＩ　　２￣Ａ篓篓　……／Ｄ　妻　要　登　笔雹竺　凳鲁～ｎ　¨　：，流、　譬一Ｄ／　Ａ．　电。ｔ流ｃｏｎ　ｓｔａｎ的ｔｃｌ目ｏｓｅ的－ｃ。ｙｃ采ｌｅ　控制模　，　。。　Ｈ　；／　ｏ＂　１ｌ－ｖ￣ｌ：ｌ　），ｌａａ掣　雯　晏签　篓　雾　曼　苎　苎　妻要望　：　草　控制　嚣ａ／苎篓　夏　妻　皇　苎　篓＝　！时，开关管ｖ２～－￣，露　矗　。　ｅ…Ｎ　“最　蒿　孬　：增　开关管ｗ截孟ｌ，Ｖ　１　截械璺　：　的组件悬伸量所产生的振动都使仉　。－ｂｉｔ　时　　止，　作：失　菇　磊　￣　～ｆ—Ｎ　Ｍ　２＃一ｋＴ。　设　实际上断电后的直流电机在被拖动的条件下相　登。．……～　…一…　一　，电‘　。　，“　。　动下高频率间歇　羞