余輝慶，俄家齊，鄭君民，趙萬生

（1.上海交通大學機械與動力工程學院/機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240；2.中國科學院上海技術物理研究所，上海200083）

電火花線切割循環(huán)單向走絲機構(gòu)的設計

余輝慶1，俄家齊2，鄭君民1，趙萬生1

（1.上海交通大學機械與動力工程學院/機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240；2.中國科學院上海技術物理研究所，上海200083）

針對電火花線切割傳統(tǒng)走絲方式存在的優(yōu)缺點，提出了一種新型無限循環(huán)單向走絲方式。基于空間螺旋線形成機理，設計了由6根導絲桿組成的走絲機構(gòu)，采用導絲桿軸套和空間交錯軸布局的方案，構(gòu)建了新型走絲機構(gòu)三維模型，并加工、裝配得到機構(gòu)原型樣機。提出了雙平面導絲方案，實現(xiàn)了電極絲雙平面運動。并對電極絲運動過程中可能存在的打滑問題進行了建模分析，提出了防止打滑的技術措施。

電火花線切割加工；循環(huán)單向走絲機構(gòu)；電極絲打滑

電火花線切割加工是以移動的細金屬絲作為電極，借助脈沖電源及現(xiàn)代數(shù)控技術等實現(xiàn)工件的電火花放電切割加工，被廣泛應用于難加工材料、模具制造、成形刀具及精密零部件加工等領域［1］。然而，電火花線切割技術發(fā)展至今，一直采用傳統(tǒng)的單向走絲和往復走絲兩類走絲方式，針對其優(yōu)、缺點，俄家齊提出了一種新型走絲方式——循環(huán)單向走絲［2］。在該方式中，整個電極絲是一個首尾相接的封閉環(huán)，并沿一個方向作無限循環(huán)運動。該方式綜合了單向走絲與往復走絲的優(yōu)點，并力圖避免它們的缺點。首先，它是單向走絲，不僅具有單向走絲的所有優(yōu)點，走絲速度也比單向走絲快得多，且放電間隙冷卻快，電極絲損耗小，同時具有往復走絲切割大厚度工件的能力；其次，它是無限循環(huán)走絲，電極絲可循環(huán)使用，且走絲速度無級可調(diào)，具備單向走絲線切割加工所固有的電極絲張力控制精確、無切割條紋及加工精度高等技術優(yōu)勢。此外，由于不需換向，時間利用率較高。因此，總體加工效率、加工精度和表面質(zhì)量等方面具有明顯的技術優(yōu)勢。

本文基于上述循環(huán)單向走絲原理，設計并實現(xiàn)了軸輥式循環(huán)單向走絲機構(gòu)，并對電極絲運行過程中可能出現(xiàn)的打滑問題進行了建模分析，提出了防止打滑的措施。

1　空間螺旋線形成機理

如圖1a所示，設空間線段AA1與Z軸夾角為α，點A（H，0，0）與點A1（x0，y0，z0）距Z軸的距離均為H，將AA1繞Z軸旋轉(zhuǎn)一周，得到的曲面方程為：

由式（2）可知，該曲面即為單葉雙曲面。

圖1　空間螺旋線形成機理

聯(lián)立式（3）、式（4），計算得X˙CMTXT=0，這也驗證了螺旋線在C點位置的切線與BB1垂直。

2　走絲機構(gòu)簡化方案設計

通過分析空間螺旋線形成機理，以線段AA1作為起始，每繞Z軸旋轉(zhuǎn)60°取一個線段，依次作為導絲桿1～6的母線（圖2），該線段的兩端點均布在半徑為H=R+r（R為導絲桿軸線兩端點分布的圓半徑，r為導絲桿半徑）的圓上，則導絲桿與滾筒軸線的夾角為：

圖2　走絲機構(gòu)簡化方案

各個導絲桿長度均一致，在其上開有相同的間距為P的三角形環(huán)槽，用作導絲和帶動電極絲的運動；且在導絲桿1～6的軸線方向上，后一個導絲桿的環(huán)槽起始位置相對于前一個均右移P/6的距離。

取L為導絲桿長度，結(jié)合式（5）～式（7）可解出偏心距d及夾角α。

圖3　導絲桿軸套的設計

在本文的實際應用中，導絲桿需安裝在軸承上，因此在確定d和α后，設計了12個完全相同的軸套（r取值為軸承外徑，L為軸承寬度），其空間安裝、布局也完全一致。

為滿足6根導絲桿同步轉(zhuǎn)動，可用一個主動齒輪帶動6個從動齒輪實現(xiàn)，主動齒輪與滾筒軸線重合，從動齒輪與導絲桿軸線重合。齒輪傳動屬于空間交錯軸傳動，由于夾角α不大，故采用旋向相反的斜齒輪傳動。設主動齒輪為左旋，齒數(shù)為Z1，螺旋角為β1；從動齒輪為右旋，齒數(shù)為Z2，螺旋角為β2，兩齒輪法面模數(shù)為mn，中心距為R，則：

3　走絲機構(gòu)具體方案設計與實現(xiàn)

考慮到機構(gòu)整體尺寸受機床機架的約束及定位、精度、剛強度的要求，取R1=80 mm、r=15 mm、L= 135.5 mm、P=0.5 mm，因此，設計的導絲桿軸套參數(shù)為：α=0.048°、d=0.0568 mm、R=80 mm，斜齒輪參數(shù)為：mn=2 mm、Z1=60、β1=0、Z2=20、β2=0.048°。

設計的循環(huán)單向走絲機構(gòu)三維模型見圖4，運動過程分為上絲和工作走絲兩部分。上絲時，將齒式離合器9左移，使貯絲筒8、導絲桿7與所有齒輪作為一個整體，隨主軸3同步轉(zhuǎn)動；將套筒離合器12上的螺栓10擰進去，使主軸3能帶動帶輪13同步轉(zhuǎn)動，依靠絲桿螺母副實現(xiàn)貯絲筒的軸向移動，從而實現(xiàn)上絲功能。為實現(xiàn)該功能，導絲桿的環(huán)槽間距P應滿足：

式中：Z3、Z4為主、從動帶輪齒數(shù)；P絲為絲桿螺母副的螺距。

圖4　循環(huán)單向走絲機構(gòu)三維模型

工作走絲時，將齒式離合器9右移，并擰出螺栓10，使貯絲筒8、套筒離合器12均與主軸3脫離；用螺栓14固定貯絲筒8，防止其轉(zhuǎn)動；此時，只有主軸3帶動主動齒輪5，進而帶動從動齒輪6和6根導絲桿7同步轉(zhuǎn)動，依靠導絲桿7的自轉(zhuǎn)及其上的環(huán)槽起到對絲的帶動和導向作用，從而實現(xiàn)無限循環(huán)單向走絲。走絲機構(gòu)原型樣機見圖5。

圖5　循環(huán)單向走絲機構(gòu)原型樣機

4　雙平面導絲方案設計

在循環(huán)單向走絲機構(gòu)中，電極絲需從貯絲筒的一端固定位置進入，再從另一端固定位置出來，故需設計雙平面導絲機構(gòu)，實現(xiàn)電極絲在雙平面上的張緊與運動。因此，可利用空間上3個互相垂直交錯的導輪實現(xiàn)，其原理見圖6a。對于導輪1、2、3，前（后）一個導輪的中垂面均為后（前）一個導輪的切面。通過這3個導輪，能將電極絲從位置A導向到位置B。根據(jù)該導絲機構(gòu)的三維模型（圖6b）可看出，導輪架Ⅲ可沿平面Ⅱ法向移動，從而實現(xiàn)貯絲筒上繞絲寬度L的有級調(diào)節(jié)。經(jīng)加工裝配得到的導絲機構(gòu)實體見圖7。

5　走絲過程中的防打滑措施

由于電極絲與導絲桿之間依靠摩擦力傳遞運動，因此可能會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，故建立多節(jié)點撓性體摩擦傳動模型（圖8）。

圖6　雙平面導絲方案

圖7　導絲機構(gòu)實體

圖8　多節(jié)點撓性體摩擦傳動模型

設m為導絲桿數(shù)量，k為電極絲在導絲桿上纏繞的完整圈數(shù)，F(xiàn)i為各段電極絲的張力，F(xiàn)t，i為各段電極絲傳遞的有效摩擦力（即有效拉力），取n=（k+1/ 2）m+2，則：

由式（10）可得電極絲實際總有效拉力為：

對于各個導絲桿兩端的電極絲，運用撓性體摩擦的歐拉公式得：

式中：e為自然對數(shù)的底；f為電極絲與導絲桿工作面間的摩擦系數(shù)。

由式（12）可得：

設F0為電極絲的初拉力（張緊力），由于電極絲材料基本符合虎克定律，并認為電極絲工作時總長不變，所以其緊邊張力的增加量（F1-F0）應等于松邊張力的減少量（F0-Fn），由此可得：

結(jié)合式（11）、式（13）和式（14）可得電極絲的最大有效拉力為：

設導絲桿輸入功率為P，電極絲運動速度為v，則實際運動過程中的電極絲有效拉力為Ft=P/v，引入防滑安全系數(shù)K=Ftmax/Ft，則電極絲在導絲桿上運動不打滑的條件為K≥1.25。

綜上所述，提高電極絲防滑能力可采取以下措施：增大電極絲初拉力F0；增大電極絲纏繞圈數(shù)k；減少導絲桿數(shù)量m；增大電極絲與導絲桿工作面間的摩擦系數(shù)f；在輸入功率P一定時，增大電極絲運動速度v。由式（15）可知，m對最大有效拉力的影響遠比k小，且當m過小時，對貯存的電極絲總長度有很大影響，故取導絲桿數(shù)量m=6。

6　結(jié)語

循環(huán)單向走絲是電火花線切割加工技術中的全新走絲模式，兼具單向走絲與往復走絲的優(yōu)點，且能有效避免各自的缺點。然而，要將其應用于實際生產(chǎn)，還需解決許多難題，如：走絲機構(gòu)的設計、加工、裝配精度問題；為構(gòu)成封閉環(huán)狀而產(chǎn)生的電極絲焊接的質(zhì)量、強度、韌性問題；為防止打滑而產(chǎn)生的電極絲精密恒張力控制問題；電極絲運動過程中的磨損問題。

［1］ 劉晉春，趙家齊，趙萬生.特種加工［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 俄家齊.電火花線切割走絲系統(tǒng)的創(chuàng)新研究［J］.金屬加工（冷加工），2014（8）：24-26.

Design of Circulated Unidirectional Wire-traveling Mechanism for WEDM

Yu Huiqing1，E Jiaqi2，Zheng Junmin1，Zhao Wansheng1
（1.School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University/State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Institute of Technical Physics of Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200083，China）

Based on the analysis of advantages and disadvantages of the traditional reciprocating wire traveling mode for WEDM，a new wire traveling mode called circulated unidirectional traveling device is devised.On the basis of the formation principal of spatial helix，the circulated unidirectional traveling wire winding mechanism which consists of six guiding rods is designed.The guiding rods are aligned in a tilt angle which are implemented with specially designed shaft sleeves.The 3D model of the wire winding mechanism is created and its prototype is made.To realize wire biplane motion，the biplane wire guiding scheme is proposed.The possible wire slipping during running is modeled and analyzed，the measures of preventing the wire slipping is proposed as well.

WEDM；circulated unidirectional wire-traveling mechanism；wire slipping

TG661

A

1009－279X（2015）04－0052-04

2015-04-21

國家科技重大專項（2014ZX04001061）；上海交通大學燃氣輪機研究院科研課題基金（AF0200088/015）

余輝慶，男，1990年生，碩士研究生。