往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床電極絲振動研究及抑制措施

程 明

(成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校,四川成都611730)

往復(fù)走絲電火花線切割加工技術(shù)作為較成熟的加工工藝,已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。如何提高往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的加工精度,以滿足模具和特形零件加工的高要求,越來越被業(yè)內(nèi)同行們所重視。在往復(fù)走絲電火花線切割加工時,由于貯絲筒及導(dǎo)輪的徑向跳動和軸向竄動,必然會引起電極絲的振動。近年來,通過對加工工藝規(guī)律的研究,大家已普遍認(rèn)識到除了機(jī)床設(shè)備、控制器精度、脈沖電源及工作液的性能外,電極絲振動狀態(tài)也是影響線切割加工穩(wěn)定性和工藝指標(biāo)的重要因素之一。因此,要保證加工質(zhì)量,就要限制電極絲的振動。為了解決這個問題,首先需從理論層面研究電極絲振動模態(tài),然后針對振動產(chǎn)生的原因提出改善和抑制措施[1]。

1 電極絲的振動分析

提高往復(fù)走絲電火花線切割加工質(zhì)量的關(guān)鍵問題之一是抑制電極絲的振動,提高其動態(tài)穩(wěn)定性。但由于柔細(xì)的電極絲高速運(yùn)行,加工時還伴有冷卻液的沖擊等因素,使電極絲振動的測量和控制都極其困難。電極絲的振動是一種復(fù)雜的組合型振動,它既有接近固有頻率的高頻振動,也有低頻振動。其振動的主要機(jī)械源是導(dǎo)輪的軸向竄動和徑向跳動,貯絲筒的徑向跳動、反向沖擊及線架的振動,電極絲受熱后延伸率不均引起的抖動,電極絲受高速運(yùn)絲的拋離效應(yīng)引起的導(dǎo)輪切點(diǎn)的變化,工作液噴射壓力不穩(wěn)定對電極絲產(chǎn)生的擾動等。對電極絲來說,其固有頻率和振動模態(tài)不僅同初始條件和邊界條件有關(guān),也與電極絲的張力和軸向運(yùn)動速度有關(guān)[2]。

對導(dǎo)輪間電極絲微元受力分析所得的電極絲振動的固有頻率 fn為:

式中:n為振頻階數(shù);l為上下導(dǎo)輪跨距;T為電極絲張力;ρ為電極絲線密度[1]。

該公式表明對于線密度 ρ、導(dǎo)輪跨距 l和張力T一定的絲,其自由振動時的頻率不只一個,而是包括當(dāng) n=1、2、3、……的 f1、f2、f3、……等多個頻率,n=1的頻率稱為基頻,n=2、3……等的頻率稱為第一、第二、……諧頻。通過調(diào)節(jié)電極絲張力和上下導(dǎo)輪間電極絲的跨度,可改變電極絲的固有頻率[3]。

2 上下導(dǎo)輪間電極絲的模態(tài)振型

利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究往復(fù)走絲電火花線切割加工的性能,建立加工工藝模型尤為重要。本文從分析影響電極絲振動的因素入手,利用ANSYS軟件模擬電極絲振動,建立模型、網(wǎng)格劃分、施加載荷及約束,并進(jìn)行求解,得出各階模態(tài)振型,從而為抑制電極絲的振動提供理論依據(jù)。

設(shè)上下導(dǎo)輪間的電極絲跨度 l=0.13 m,張力T=9.8 N,用三維梁單元BEAM4模擬電極絲,得到電極絲的各階模態(tài)振型[1],見圖1～圖3。

從圖中可看出,隨著電極絲模態(tài)振型的階數(shù)增加即頻率加大,振動幅值減小,振幅區(qū)間變窄,振型曲線變緩?；l較其他諧頻強(qiáng)得多,因此它決定了電極絲的固有頻率,而對應(yīng)一階模態(tài)振型的低頻振動主要來自于導(dǎo)輪、貯絲筒和線架等外部激勵。對線切割加工質(zhì)量影響較大的是電極絲低頻大振幅橫向振動,增大電極絲張力和加工區(qū)阻尼、減小導(dǎo)輪跨距,都可提高電極絲的固有頻率,避開導(dǎo)輪、貯絲筒、線架的頻率,防止出現(xiàn)共振,以減少電極絲橫向振幅。

3 穩(wěn)定電極絲空間形態(tài)及減小振幅的措施

根據(jù)分析可知,要抑制電極絲的振動主要針對低頻振動振源,減少來自于導(dǎo)輪、貯絲筒和線架等外部激勵。結(jié)合本單位研發(fā)實(shí)際,本文從新型恒張力機(jī)構(gòu)和限幅器兩方面進(jìn)行介紹。

3.1 新型恒張力機(jī)構(gòu)

走絲速度高時,輸入走絲系統(tǒng)的能量也大,電極絲的振動幅值增大,機(jī)床電極絲張力不穩(wěn)定直接影響著振動幅值及其與導(dǎo)輪的偏移量,對加工精度和加工穩(wěn)定性有很大影響。因此,選用可靠合理的高速走絲恒張力裝置,能有效提高線切割加工精度和穩(wěn)定性。

目前多數(shù)采用的是在線架上安裝導(dǎo)軌重力式恒張力機(jī)構(gòu),這對加工區(qū)電極絲張力有一定的穩(wěn)定作用,但存在三點(diǎn)弊端:其一,給電極絲施加初張力的配重機(jī)構(gòu)增加了導(dǎo)輪數(shù)量,且使局部電極絲發(fā)生較大塑性變形,造成加工區(qū)電極絲張力的波動;其二,電極絲運(yùn)絲路徑往返迂回,高速運(yùn)行的電極絲疲勞應(yīng)力加大,縮短了電極絲壽命,也增加了電極絲縱向振動;其三,由于線架結(jié)構(gòu)限制,導(dǎo)軌重力式恒張力機(jī)構(gòu)行程較短,須常停機(jī)緊絲。

圖4 新型恒張力機(jī)構(gòu)簡圖

新型恒張力機(jī)構(gòu)見圖4。貯絲筒部件底部裝有直線滾動導(dǎo)軌,導(dǎo)軌安裝面與水平面傾斜成一個角度β,貯絲筒部件重力G沿安裝面分解的P用來保持電極絲的恒定張力T。直線導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)小,靈敏度高,可保證張力的恒定。為保證貯絲筒運(yùn)行的平穩(wěn),對直線導(dǎo)軌應(yīng)施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力,綜合分析重力分力、摩擦力、預(yù)緊力3個因素,通過實(shí)驗(yàn)可得出傾斜角與張力的對應(yīng)數(shù)據(jù),見表1。加工中可根據(jù)電極絲直徑大小和不同加工要求,調(diào)整導(dǎo)軌與水平面的傾斜角來獲得不同的張力。新型恒張力機(jī)構(gòu)在電極絲反向造成松緊邊的形成點(diǎn)上平衡張力變化,用時短,效果好[4]。

表1 傾斜角與張力的對應(yīng)數(shù)據(jù)

3.2 浮動式限幅器

在往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床上采用結(jié)構(gòu)合理的電極絲導(dǎo)向裝置,可消除電極絲與導(dǎo)輪間的偏移量,有效隔離導(dǎo)輪、貯絲筒對電極絲的激勵作用,穩(wěn)定電極絲空間形態(tài),提高工件加工精度和穩(wěn)定性。目前采用的限位器主要有兩種結(jié)構(gòu):一種是三點(diǎn)式,即120°均分3個寶石接觸電極絲,另一種是一塊V型寶石和一根圓寶石,位置相對、上下相錯接觸電極絲。這兩種結(jié)構(gòu)的主要問題就是調(diào)整困難:其一,要把限位器調(diào)整到上下導(dǎo)輪定位的電極絲位置而不干擾上下導(dǎo)輪的定位,是非常困難的;其二,如調(diào)整不準(zhǔn),電極絲與限位器產(chǎn)生摩擦,在限位器上磨出絲痕,會影響限位精度,限位器對電極絲的磨損也很大,縮短了電極絲的壽命。

圖5 浮動式電極絲限位器

經(jīng)過多年的實(shí)踐,設(shè)計(jì)了一種新型浮動式電極絲限位器,見圖5。限位器與閥板2合在一起,分別安裝在上臂的上導(dǎo)輪下部和下臂的下導(dǎo)輪上部。轉(zhuǎn)動偏心軸5至圖示位置后壓縮彈簧9,可取下浮動盤4,在浮動盤上的寶石孔內(nèi)穿上絲后,放入圖示位置,啟動貯絲筒,電極絲運(yùn)行,90°轉(zhuǎn)動偏心軸5,彈簧9壓下滑板6,使其壓牢浮動盤4,浮動盤4上的寶石孔在上下導(dǎo)輪定位的電極絲位置上對電極絲進(jìn)行限位。可看出,浮動式限位器有兩點(diǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)限位器:其一,浮動式結(jié)構(gòu)穿絲方便,自動定位;其二,采用全封閉的孔限位,限位效果好[5]。

在往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床上采用浮動式限位器進(jìn)行多次切割,取得了較好的效果。加工40 mm厚的Cr12鋼,加工速度為36 mm2/min,表面粗糙度值為 Ra 1.6 μ m,加工精度達(dá)到 9 μ m。

4 結(jié)束語

本文通過對往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床電極絲振動模態(tài)的分析,得出低頻振動是影響電極絲振幅的主要因素。針對低頻振動對加工的影響,提出兩項(xiàng)抑制振動的措施。實(shí)踐證明,通過這兩項(xiàng)針對性的措施,加工區(qū)電極絲振幅得到了有效抑制,加工工件的精度和表面質(zhì)量得到了較明顯的改善。

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