賈 婧 王利利 張海川 李林喜

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練教學(xué)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

電火花線切割加工精度高，可以加工各種高硬度、高脆性等難加工材料[1]，且比較容易加工一些比較復(fù)雜的零件，在制造業(yè)方面得到了廣泛應(yīng)用，特別是在模具加工及制造方面[2]。高走絲電火花線切割機(jī)床的使用成本較低、性價(jià)比高[3]，但對(duì)零件的加工精度稍差，為提高高走絲線切割機(jī)床對(duì)零件的加工精度，該文對(duì)其電極絲張力的控制進(jìn)行研究。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電極絲張力的控制，該項(xiàng)目對(duì)教學(xué)部現(xiàn)有DK7740型高走絲線切割機(jī)床進(jìn)行研究。該文首先對(duì)影響電極絲張力變化的因素進(jìn)行分析，得出其主要影響因素。根據(jù)電極絲張力的變化規(guī)律，分析現(xiàn)有的張力控制裝置，采取控制策略以滿足恒張力的控制要求。

1 電極絲張力變化影響因素分析

加工過(guò)程中，影響線切割加工零件質(zhì)量的因素較多，這些因素均會(huì)導(dǎo)致零件在切割后的加工精度和表面質(zhì)量降低，其中最為明顯的就是電極絲張力的變化及電極絲張力的不恒定[4-5]。影響電極絲張力變化產(chǎn)生的因素主要有2個(gè)方面：可控因素和不可控因素，一般來(lái)說(shuō)，電極絲的預(yù)緊力、電極絲在加工過(guò)程中造成的磨損、貯絲筒的運(yùn)動(dòng)在加工過(guò)程中比較容易控住，均屬于可控因素。有一些因素在加工過(guò)程中是不容易控制的，而且分析難度較大，例如由脈沖電源產(chǎn)生的電磁力干擾；導(dǎo)輪及貯絲筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的徑向跳動(dòng)；各類零部件在加工及安裝過(guò)程中產(chǎn)生的精度誤差的影響等，后續(xù)的研究過(guò)程中會(huì)進(jìn)一步研究，文中不做詳細(xì)分析。電極絲的預(yù)緊力、電極絲在加工過(guò)程中造成的磨損、貯絲筒的運(yùn)動(dòng)，這些因素對(duì)電極絲產(chǎn)生的具體影響，可以利用張力傳感器進(jìn)行分析，采取必要措施，降低張力值波動(dòng)帶來(lái)的不利影響。

1.1 預(yù)緊力變化的影響

高走絲電火花線切割機(jī)床貯絲筒做雙向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其加工示意圖如圖1所示，電極絲的纏繞質(zhì)量完全取決于人的技能水平和經(jīng)驗(yàn)。電極絲纏繞的松緊程度和均勻程度沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。目前為止，電極絲的初始張緊力對(duì)工件加工質(zhì)量的影響是無(wú)法測(cè)量的，而且也是不恒定的。

圖1 高速走絲機(jī)床加工示意圖

為此，項(xiàng)目在進(jìn)行過(guò)程中做了大量的實(shí)驗(yàn)， 線切割加工過(guò)程中，電極絲在張緊力的作用下會(huì)發(fā)生變形，變形量的大小會(huì)直接影響到切割零件的加工質(zhì)量。項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)在相同絲跨長(zhǎng)度和運(yùn)絲速度下，預(yù)緊力To從5N逐漸增加至10N時(shí)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)研究，預(yù)緊力控制在10N時(shí)，在Y軸方向的偏移量較小，此時(shí)電極絲不容易斷裂，可以非常有效地提高零件的切割質(zhì)量。

1.2 電極絲磨損的影響

在線切割加工零件的過(guò)程中，隨著加工時(shí)間的延長(zhǎng)，電極絲逐漸會(huì)有磨損，直徑減小，使絲架上電極絲的長(zhǎng)度會(huì)變得更長(zhǎng)，從而導(dǎo)致電極絲的張緊程度下降。由于該過(guò)程電極絲形成了一定的伸長(zhǎng)量，因此，在計(jì)算張力值的變化量時(shí)，可通過(guò)電極絲的伸長(zhǎng)量與張力的相互關(guān)系進(jìn)行換算。試驗(yàn)所用的機(jī)床，貯絲筒直徑D為160mm。電極絲磨損前后直徑變化如圖2所示，其中D為貯絲筒直徑、d為電極絲直徑、d1為磨損前電極絲直徑、d2為磨損前電極絲直徑。

圖2 電極絲磨損前后變化

計(jì)算在貯絲筒上的纏繞電極絲長(zhǎng)度時(shí)，橫跨在絲架上及導(dǎo)輪間的長(zhǎng)度對(duì)此影響不大，可以忽略不計(jì)，計(jì)算公式如式（1），其中n為纏繞在貯絲筒上的圈數(shù)，在多次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，取某次實(shí)驗(yàn)，貯絲筒的有效行程為150mm，鉬絲直徑為0.18mm，電極絲在貯絲筒上纏繞的圈數(shù)為n=150/0.18=833。

電極絲未被磨損時(shí)，其貯絲筒上纏繞絲的長(zhǎng)度如下。

電極絲在加工過(guò)程中使用一段時(shí)間后，假設(shè)均勻磨損，d為磨損后的直徑變化量，此時(shí)，貯絲筒上纏繞絲的長(zhǎng)度如下。

由 （2）式和 （3）式可以得到電極絲磨損后電極絲的伸長(zhǎng)量如下。

根據(jù)使用者的經(jīng)驗(yàn)，電極絲在使用一段時(shí)間后磨損變化值d不大于0.01mm，如果電極絲的磨損量超過(guò)0.01mm時(shí)，電極絲易斷絲。公式（4）計(jì)算如下。

ΔL=nπΔd=833×3.14 × 0.01=26.2mm

通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)計(jì)算可得，電極絲在磨損后，伸長(zhǎng)量較大，電極絲的張力值非常容易變化。此時(shí)，如果不對(duì)電極絲進(jìn)行重新緊絲，或者采取其他的控制方式，由于電極絲伸長(zhǎng)量較大，線切割在切割過(guò)程松弛的電極絲發(fā)生抖動(dòng)，絲振加劇，就會(huì)對(duì)切割零件的表面質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響，而且極易引起電極絲的斷裂。

由于電極絲的彈性變形導(dǎo)致電極絲張力下降，變形量L值越大，電極絲張力值下降得越厲害，表示如下。

式中：T—電極絲張力的變化值；K—為電極絲的彈力系數(shù)，K取1500N/m； 負(fù)號(hào)表示所產(chǎn)生的張力值為下降值，與形變方向相反。

在極限條件下，按公式（5）可知彈力變化值T=-39.3N。而預(yù)緊力T0=10N，如果按磨損當(dāng)量計(jì)算張力的變化值，磨損后電極絲將變得毫無(wú)張緊力可言。

通過(guò)上述分析可得：高走絲線切割加工過(guò)程中，電極絲做雙向往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電極絲重復(fù)利用，導(dǎo)致電極絲磨損，電極絲張力下降，由于電極絲張力的變化，加工的穩(wěn)定性降低，對(duì)切割零件的質(zhì)量影響很大，使加工精度和表面粗糙度降低。

1.3 貯絲筒的運(yùn)動(dòng)的影響

高走絲電火花線切割機(jī)床貯絲筒為雙向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，電極絲在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要換向，即在短時(shí)間內(nèi)由正向變?yōu)榉聪騕6-7]，即便在換向后為非加工狀態(tài)，但是由于速度在換向的一瞬間發(fā)生變化，產(chǎn)生了一定的慣性力，導(dǎo)致電極絲的振幅發(fā)生了變化，電極絲的張力發(fā)生了明顯的波動(dòng)。假設(shè)電極絲運(yùn)絲速度為v，換向時(shí)所產(chǎn)生的加速度為

取換向過(guò)程中變化的一小部分長(zhǎng)度為dL，其質(zhì)量為dm=ρdL，ρ為電極絲的密度，則電極絲在換向時(shí)，所受張力值變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，取不同的電極絲運(yùn)絲速度值v，取相同的換向過(guò)程中電極絲的長(zhǎng)度，電極絲直徑不變?yōu)?.18mm，密度ρ為2.6×10-3kg/m，取不同的換向時(shí)間Δt。代入公式（7）進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。加工過(guò)程中，貯絲筒在換向時(shí)，不同的速度，對(duì)電極絲的張力造成不同程度的影響：（1）當(dāng)電極絲的運(yùn)絲速度較慢時(shí)，電極絲的變換時(shí)間較長(zhǎng)，換向比較平穩(wěn)，對(duì)電極絲張力的影響較小；（2）當(dāng)電極絲的運(yùn)絲速度較快時(shí)，電極絲的變換時(shí)間較短，換向比較快，電極絲的振幅較大，電極絲走絲平穩(wěn)性差，對(duì)電極絲張力的影響很大。

2 電極絲張力值分析

2.1 張力傳感器

針對(duì)上述分析情況，該實(shí)驗(yàn)采用張力傳感器采集電極絲的張力值，張力傳感器是一種將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成可丈量信號(hào)的輸出裝置[8-9]。根據(jù)張力傳感器在外力的作用下產(chǎn)生彈性變形的原理，粘貼在外表上的電阻應(yīng)變片也隨之變形，相應(yīng)的丈量電路將電阻轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，從而完成外部信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。張力傳感器的原理是在稱重傳感器的根底上，應(yīng)用2個(gè)張力傳送部件來(lái)傳送力，力傳感器的內(nèi)部構(gòu)造固定在壓電板中心區(qū)域的壓電板墊片的一側(cè)，壓電基片位于壓電板墊片另一側(cè)邊緣，并靠近壓電板。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)多種傳感器實(shí)驗(yàn)、比對(duì)，選擇了三滑輪張力傳感器，如圖3所示，它是一種最常用的高精度線材帶材張力測(cè)量傳感器，由于它前端安裝了3個(gè)導(dǎo)輪，所以稱為三滑輪張力傳感器。

圖3 三滑輪張力傳感器

2.2 張力值采集

將張力傳感器外加搭建到走絲回路中，通過(guò)液晶屏對(duì)張力值進(jìn)行觀察。試驗(yàn)給定初始預(yù)緊力T0=10N 時(shí)，電極絲張力值分別采集t1、t2、t33個(gè)不同時(shí)間段的數(shù)值，t1、t2、t3分別為加工時(shí)間較短的數(shù)值、50工時(shí)后的數(shù)值、150工時(shí)后的數(shù)值。將t1、t2、t3采集到的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，如圖 4 所示，從電壓波形圖可以看出，傳感器輸出脈沖信號(hào)受到了干擾，用于分析張力值的變化情況十分不利，因此對(duì)這些電壓信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。

圖4 電壓波形圖

2.3 張力值分析

由于傳感器輸出脈沖信號(hào)受到了干擾，需要對(duì)傳感器檢測(cè)到的電壓信號(hào)進(jìn)行的濾波處理，通過(guò)多次試驗(yàn)最終選取中值濾波法，這種方法可以有效地消除偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號(hào)，降低采樣值的誤差。經(jīng)過(guò)濾波處理后，得到如圖5所示的電壓波形圖。

圖5 絲速11m/s時(shí)不同時(shí)段張力值變化情況

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選取了最理想的數(shù)據(jù)，絲速取為11 m/s，初始預(yù)緊力為10N，得t1、t2、t3時(shí)間段電壓平均值分別約為3.41V、2.93V、1.35V，可見(jiàn)，當(dāng)加工時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，張力值下降，電極絲磨損顯著。因此，線切割加工在切割零件的過(guò)程中，為了降低張力值波動(dòng)對(duì)零件加工質(zhì)量的影響，必須要對(duì)電極絲的張力采取必要的控制措施或者進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論

該文詳細(xì)分析了電極絲張力變化的影響因素：電極絲預(yù)緊力、電極絲磨損和貯絲筒運(yùn)動(dòng)。通過(guò)分析，明確了各因素對(duì)電極絲張力的具體影響作用；再利用三滑輪張力傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)得出的張力值進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)、分析，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行合理地處理，最終得出張力值的變化規(guī)律——電極絲絲速越快、電極絲磨損越大，對(duì)電極絲張力值的影響越大。在該項(xiàng)目后續(xù)的研究過(guò)程中，考慮設(shè)計(jì)一套恒張力控制機(jī)構(gòu)，進(jìn)行張力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)，解決在加工過(guò)程中的張力變化問(wèn)題，提高機(jī)床的加工速度和表面質(zhì)量。