電火花線切割循環(huán)單向走絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

余輝慶，俄家齊，鄭君民，趙萬生

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院/機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083）

電火花線切割循環(huán)單向走絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

余輝慶1，俄家齊2，鄭君民1，趙萬生1

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院/機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083）

針對(duì)電火花線切割傳統(tǒng)走絲方式存在的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jī)理，設(shè)計(jì)了由6根導(dǎo)絲桿組成的走絲機(jī)構(gòu)，采用導(dǎo)絲桿軸套和空間交錯(cuò)軸布局的方案，構(gòu)建了新型走絲機(jī)構(gòu)三維模型，并加工、裝配得到機(jī)構(gòu)原型樣機(jī)。提出了雙平面導(dǎo)絲方案，實(shí)現(xiàn)了電極絲雙平面運(yùn)動(dòng)。并對(duì)電極絲運(yùn)動(dòng)過程中可能存在的打滑問題進(jìn)行了建模分析，提出了防止打滑的技術(shù)措施。

電火花線切割加工；循環(huán)單向走絲機(jī)構(gòu)；電極絲打滑

電火花線切割加工是以移動(dòng)的細(xì)金屬絲作為電極，借助脈沖電源及現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)等實(shí)現(xiàn)工件的電火花放電切割加工，被廣泛應(yīng)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(lǐng)域［1］。然而，電火花線切割技術(shù)發(fā)展至今，一直采用傳統(tǒng)的單向走絲和往復(fù)走絲兩類走絲方式，針對(duì)其優(yōu)、缺點(diǎn)，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(gè)電極絲是一個(gè)首尾相接的封閉環(huán)，并沿一個(gè)方向作無限循環(huán)運(yùn)動(dòng)。該方式綜合了單向走絲與往復(fù)走絲的優(yōu)點(diǎn)，并力圖避免它們的缺點(diǎn)。首先，它是單向走絲，不僅具有單向走絲的所有優(yōu)點(diǎn)，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(shí)具有往復(fù)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(jí)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(shù)優(yōu)勢(shì)。此外，由于不需換向，時(shí)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(shù)優(yōu)勢(shì)。

本文基于上述循環(huán)單向走絲原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了軸輥式循環(huán)單向走絲機(jī)構(gòu)，并對(duì)電極絲運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的打滑問題進(jìn)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(jī)理

如圖1a所示，設(shè)空間線段AA1與Z軸夾角為α，點(diǎn)A（H，0，0）與點(diǎn)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(jī)理

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

2　走絲機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化方案設(shè)計(jì)

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

圖2　走絲機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化方案

各個(gè)導(dǎo)絲桿長(zhǎng)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(dǎo)絲和帶動(dòng)電極絲的運(yùn)動(dòng)；且在導(dǎo)絲桿1～6的軸線方向上，后一個(gè)導(dǎo)絲桿的環(huán)槽起始位置相對(duì)于前一個(gè)均右移P/6的距離。

取L為導(dǎo)絲桿長(zhǎng)度，結(jié)合式（5）～式（7）可解出偏心距d及夾角α。

圖3　導(dǎo)絲桿軸套的設(shè)計(jì)

在本文的實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)絲桿需安裝在軸承上，因此在確定d和α后，設(shè)計(jì)了12個(gè)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(dǎo)絲桿同步轉(zhuǎn)動(dòng)，可用一個(gè)主動(dòng)齒輪帶動(dòng)6個(gè)從動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)，主動(dòng)齒輪與滾筒軸線重合，從動(dòng)齒輪與導(dǎo)絲桿軸線重合。齒輪傳動(dòng)屬于空間交錯(cuò)軸傳動(dòng)，由于夾角α不大，故采用旋向相反的斜齒輪傳動(dòng)。設(shè)主動(dòng)齒輪為左旋，齒數(shù)為Z1，螺旋角為β1；從動(dòng)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(jī)構(gòu)具體方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

考慮到機(jī)構(gòu)整體尺寸受機(jī)床機(jī)架的約束及定位、精度、剛強(qiáng)度的要求，取R1=80 mm、r=15 mm、L= 135.5 mm、P=0.5 mm，因此，設(shè)計(jì)的導(dǎo)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(shè)計(jì)的循環(huán)單向走絲機(jī)構(gòu)三維模型見圖4，運(yùn)動(dòng)過程分為上絲和工作走絲兩部分。上絲時(shí)，將齒式離合器9左移，使貯絲筒8、導(dǎo)絲桿7與所有齒輪作為一個(gè)整體，隨主軸3同步轉(zhuǎn)動(dòng)；將套筒離合器12上的螺栓10擰進(jìn)去，使主軸3能帶動(dòng)帶輪13同步轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠絲桿螺母副實(shí)現(xiàn)貯絲筒的軸向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上絲功能。為實(shí)現(xiàn)該功能，導(dǎo)絲桿的環(huán)槽間距P應(yīng)滿足：

式中：Z3、Z4為主、從動(dòng)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(jī)構(gòu)三維模型

工作走絲時(shí)，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(dòng)；此時(shí)，只有主軸3帶動(dòng)主動(dòng)齒輪5，進(jìn)而帶動(dòng)從動(dòng)齒輪6和6根導(dǎo)絲桿7同步轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠導(dǎo)絲桿7的自轉(zhuǎn)及其上的環(huán)槽起到對(duì)絲的帶動(dòng)和導(dǎo)向作用，從而實(shí)現(xiàn)無限循環(huán)單向走絲。走絲機(jī)構(gòu)原型樣機(jī)見圖5。

圖5　循環(huán)單向走絲機(jī)構(gòu)原型樣機(jī)

4　雙平面導(dǎo)絲方案設(shè)計(jì)

在循環(huán)單向走絲機(jī)構(gòu)中，電極絲需從貯絲筒的一端固定位置進(jìn)入，再從另一端固定位置出來，故需設(shè)計(jì)雙平面導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電極絲在雙平面上的張緊與運(yùn)動(dòng)。因此，可利用空間上3個(gè)互相垂直交錯(cuò)的導(dǎo)輪實(shí)現(xiàn)，其原理見圖6a。對(duì)于導(dǎo)輪1、2、3，前（后）一個(gè)導(dǎo)輪的中垂面均為后（前）一個(gè)導(dǎo)輪的切面。通過這3個(gè)導(dǎo)輪，能將電極絲從位置A導(dǎo)向到位置B。根據(jù)該導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)的三維模型（圖6b）可看出，導(dǎo)輪架Ⅲ可沿平面Ⅱ法向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)貯絲筒上繞絲寬度L的有級(jí)調(diào)節(jié)。經(jīng)加工裝配得到的導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)實(shí)體見圖7。

5　走絲過程中的防打滑措施

由于電極絲與導(dǎo)絲桿之間依靠摩擦力傳遞運(yùn)動(dòng)，因此可能會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，故建立多節(jié)點(diǎn)撓性體摩擦傳動(dòng)模型（圖8）。

圖6　雙平面導(dǎo)絲方案

圖7　導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)實(shí)體

圖8　多節(jié)點(diǎn)撓性體摩擦傳動(dòng)模型

設(shè)m為導(dǎo)絲桿數(shù)量，k為電極絲在導(dǎo)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(shí)際總有效拉力為：

對(duì)于各個(gè)導(dǎo)絲桿兩端的電極絲，運(yùn)用撓性體摩擦的歐拉公式得：

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

由式（12）可得：

設(shè)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(rèn)為電極絲工作時(shí)總長(zhǎng)不變，所以其緊邊張力的增加量（F1-F0）應(yīng)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(shè)導(dǎo)絲桿輸入功率為P，電極絲運(yùn)動(dòng)速度為v，則實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(dǎo)絲桿上運(yùn)動(dòng)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(dǎo)絲桿數(shù)量m；增大電極絲與導(dǎo)絲桿工作面間的摩擦系數(shù)f；在輸入功率P一定時(shí)，增大電極絲運(yùn)動(dòng)速度v。由式（15）可知，m對(duì)最大有效拉力的影響遠(yuǎn)比k小，且當(dāng)m過小時(shí)，對(duì)貯存的電極絲總長(zhǎng)度有很大影響，故取導(dǎo)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(shù)中的全新走絲模式，兼具單向走絲與往復(fù)走絲的優(yōu)點(diǎn)，且能有效避免各自的缺點(diǎn)。然而，要將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，還需解決許多難題，如：走絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、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(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(jī)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(guó)家科技重大專項(xiàng)（2014ZX04001061）；上海交通大學(xué)燃?xì)廨啓C(jī)研究院科研課題基金（AF0200088/015）

余輝慶，男，1990年生，碩士研究生。