往復(fù)走絲電火花線切割機床電極絲恒張力裝置性能研究

丁成才，黃曉華，邱明波，李偉

（1.泰州市江洲數(shù)控機床制造有限公司，江蘇泰州225300；2.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094；3.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京210016）

往復(fù)走絲電火花線切割機床俗稱“快走絲”機床，在我國已發(fā)展了多年。該類機床在世界范圍內(nèi)的生產(chǎn)主要集中于我國，因此針對快走絲技術(shù)的研究也幾乎集中在國內(nèi)。近十多年來，發(fā)展了在快走絲機床上應(yīng)用單向走絲電火花線切割（俗稱“慢走絲”）機床的多次切割工藝的改進(jìn)機型，俗稱“中走絲”機床。該機型提高了切割工件表面的粗糙度和精度，但與慢走絲機床之間仍有較大差別。就電極絲的工作方式來說，不論“快走絲”還是“中走絲”都屬于往復(fù)走絲線切割機床。

快走絲機床與慢走絲機床在電極絲材料、工作方式和運絲結(jié)構(gòu)等方面存在區(qū)別，快走絲相比于慢走絲在電極絲的恒張力控制上的難度更高，但在實際生產(chǎn)和使用中，快走絲機床的電極絲恒張力控制反而相對簡單。劉志東[1]介紹了往復(fù)走絲線切割機床恒張力機構(gòu)，指出目前普遍采用的是重錘張緊機構(gòu)，包括單邊張緊機構(gòu)和雙邊張緊機構(gòu)。張志勇[2]對國內(nèi)往復(fù)走絲線切割機床恒張力控制的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出目前往復(fù)走絲線切割機床的恒張力控制機構(gòu)普遍采用簡單的重力式和彈簧式機械結(jié)構(gòu)，電氣控制方案則是由壓力傳感器來采集、計算電極絲的張緊力，以PMAC卡作為運動控制器，以伺服電機的正反轉(zhuǎn)帶動調(diào)節(jié)桿的運動，從而實現(xiàn)張緊力的隨動實時響應(yīng)；但由于控制器PMAC卡的成本過高，其應(yīng)用于廉價的往復(fù)走絲線切割機床仍有一定的局限性。劉志龍[3]將目前已有的張緊機構(gòu)大致分為機械式（如彈簧式、重錘式、復(fù)合機械式）、電磁式（如磁粉離合器、磁粉制動器）及機電式（如伺服電機滑道式、可逆電機滾導(dǎo)式）等類型。王笑[4]總結(jié)的恒張力機構(gòu)包括機械重錘式恒張力機構(gòu)、雙邊緊絲裝置、雙貯絲筒恒張力控制裝置。

快走絲機床通常較少標(biāo)配恒張力裝置，而在中走絲機床發(fā)展中，恒張力裝置幾乎成為其標(biāo)配。本文就往復(fù)走絲線切割機床中常見的3種恒張力裝置進(jìn)行了對比研究，并得出了一些結(jié)論。

1 常見的電極絲恒張力裝置

1.1 重錘式恒張力裝置

如圖1所示，重錘式恒張力裝置通常僅對上線架后方的鉬絲進(jìn)行張力控制。該裝置通過重錘的重力拉動張絲導(dǎo)輪，實現(xiàn)對鉬絲的張緊，使電極絲保持相對恒定的張力，其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜。

圖1 重錘式恒張力裝置結(jié)構(gòu)示意及實物圖

1.2 彈簧式恒張力裝置

如圖2所示，彈簧式恒張力裝置通常為單個裝置，可在上線架和下線架的后方進(jìn)行安裝，實現(xiàn)鉬絲張力的雙向控制。該裝置通過彈簧的彈力實現(xiàn)對鉬絲的張力控制，因為彈簧的彈力隨著彈簧的伸縮行程變化，彈簧裝置不能算作恒張力控制，只是防止和減少鉬絲在運絲過程中出現(xiàn)松弛。

圖2 彈簧式恒張力裝置結(jié)構(gòu)示意及實物圖

1.3 磁粉離合器制動恒張力裝置

如圖3所示，磁粉離合器制動恒張力裝置簡稱“磁粉式裝置”，是為實現(xiàn)張力恒定、雙向控制和可調(diào)的目的而開發(fā)的一種新型恒張力控制裝置。該裝置通過磁粉離合器輸出恒定的拉力來拉動張絲支架，再通過張絲支架上、下2個張絲導(dǎo)輪實現(xiàn)對鉬絲的雙向張力控制。

磁粉離合器根據(jù)電磁原理并利用磁粉傳遞轉(zhuǎn)矩，其最重要、最基本的特性是靜特性和滑差特性。靜特性是指磁粉離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩與激磁電流之間存在線性關(guān)系，若改變激磁電流數(shù)值，可對傳遞轉(zhuǎn)矩進(jìn)行線性調(diào)節(jié)；滑差特性是指當(dāng)激磁電流保持不變時，磁粉離合器所傳達(dá)的轉(zhuǎn)矩不受傳動件與從動件之間差速（滑差轉(zhuǎn)速）的影響，即靜力矩與動力矩?zé)o差別[5]?；谝陨咸匦?，磁粉離合器可將張力電機輸出的扭矩平穩(wěn)地傳遞到張絲架上，從而實現(xiàn)對鉬絲的張力控制。

2 電極絲張力的檢測

電極絲張力檢測裝置由三導(dǎo)輪張力傳感器、信號數(shù)字變送器、RS232轉(zhuǎn)換接口和上位機軟件組成。該裝置可測量的張力精度最高為0.1 N。上位機軟件可采集、存儲、導(dǎo)出采集張力的時間和張力值，并可存儲和導(dǎo)出張力隨時間變化的曲線。張力采集的頻率為每秒采集3次。

圖3 磁粉式恒張力裝置結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4所示，在運絲啟動前，將鉬絲穿過三導(dǎo)輪張力傳感器的3個導(dǎo)輪，使中間的張力傳感器導(dǎo)輪受到鉬絲的壓迫，從而使張力傳感器感受到鉬絲的張力，并將張力信號傳輸?shù)叫盘枖?shù)字變送器；信號數(shù)字變送器將接收的張力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡笏椭罵S232轉(zhuǎn)換接口；RS232轉(zhuǎn)換接口將信號傳送至電腦，由上位機軟件對該信號進(jìn)行采集、存儲并生成張力隨時間變化的曲線。

圖4 電極絲張力檢測現(xiàn)場

3 單周期張力變化規(guī)律

對3種張絲方式的張力只進(jìn)行一個運絲往復(fù)周期檢測，分別考查張絲裝置在工作及不工作狀態(tài)下的張力變化，結(jié)果見圖5～圖7，并得出以下結(jié)論：

（1）在短時間的單周期內(nèi)，重錘式和磁粉式恒張力裝置基本沒有對鉬絲的張力周期變化規(guī)律產(chǎn)生影響；而彈簧式恒張力裝置則產(chǎn)生了明顯的影響，不僅顯著減小了鉬絲張力周期內(nèi)的波動幅度，還提升了鉬絲的張力。

（2）重錘式恒張力裝置在運絲換向處對鉬絲的張力極值具有一定的限制作用。以中間的張力峰值為對比對象，在未工作狀態(tài)下的張力為18.99 N，在工作狀態(tài)下的張力為18.45 N。重錘式恒張力裝置將換向張力峰值降低了0.54 N。

（3）磁粉式恒張力裝置在運絲換向處對鉬絲的張力極值同樣具有限制作用。以中間的張力峰值為對比對象，在未工作狀態(tài)下的張力為17.37 N，在工作狀態(tài)下的張力為16.52 N。磁粉式恒張力裝置將張力峰值降低了0.85 N。

圖5 重錘式恒張力裝置單周期張力變化曲線

圖6 彈簧式恒張力裝置單周期張力變化曲線

圖7 磁粉式恒張力裝置單周期張力變化曲線

4 多周期張力變化規(guī)律

為消除單個周期的隨機性影響，進(jìn)一步研究了多周期內(nèi)的張力變化規(guī)律。分別對3種恒張力裝置進(jìn)行了3個及以上往復(fù)周期的對比。

4.1 重錘式恒張力裝置

圖8是重錘式恒張力裝置在多往復(fù)周期內(nèi)的不同工作狀態(tài)下的張力變化對比?？梢姡瑥埥z在中間行程產(chǎn)生的效果不明顯，但仍對張力變化起到一定的作用，具體為：在張絲裝置工作時，運絲換向處的張力峰值比不工作時下降約1 N，且張力峰值底部曲線開口有所減小，由不工作時的7 s減小為工作時的2.7 s。這意味著，張絲裝置工作時的張力能更快地恢復(fù)至穩(wěn)定張力狀態(tài)。

圖8 重錘式恒張力裝置多周期張力變化曲線

4.2 彈簧式恒張力裝置

如圖9所示，在彈簧式恒張力裝置多往復(fù)周期內(nèi)，張絲裝置工作時的周期張力波動明顯比不工作時表現(xiàn)得更平穩(wěn)。就中間行程對比來看，張絲裝置工作時的張力波動范圍在12.97～13.9 N，波動幅度為0.93 N；而張絲裝置不工作時的張力波動范圍在10.87～13.04 N，波動幅度為2.17 N。同時，彈簧式恒張力裝置對換向的高張力一端的張力極值有降低作用，對低張力一端的張力極值有提高作用。總體來看，該裝置對鉬絲的張力極值起到了較好的控制作用。

圖9 彈簧式恒張力裝置多周期張力變化曲線

4.3 磁粉式恒張力裝置

如圖10所示，在磁粉式恒張力裝置多往復(fù)周期內(nèi)，張絲裝置工作時的周期張力波動與不工作時的波動明顯不同。但就中間行程對比來看，張絲裝置工作時的張力波動與不工作時的波動基本無差別。同時，磁粉式恒張力裝置對換向的高張力一端的張力極值有降低作用，將峰值降低了約1 N；對低張力一端的張力極值有提高和穩(wěn)定作用，尤其對換向前后的張力極小值起到了消除作用?？傮w來看，該裝置對鉬絲的張力極值起到了較好的控制作用，特別對張力極小值起到了良好的平穩(wěn)化。

圖10 磁粉式恒張力裝置多周期張力變化曲線

5 磁粉式張力裝置特性實驗

5.1 張力裝置特性對比

綜合以上3種恒張力裝置的張力控制效果，對比其張力變化情況可知，3種裝置對運絲換向處的張力峰值均有降低作用。但重錘式裝置對穩(wěn)定張力偏低的松絲換向端的張力基本無效，彈簧式裝置對無張力情況下的張力曲線改變效果最明顯，但改變后得到的張力曲線極不平滑。因此，根據(jù)表1所示的綜合對比結(jié)果，認(rèn)為磁粉式裝置的恒張力效果最佳，且其在張力的設(shè)定、調(diào)節(jié)方面比重錘式、彈簧式均更便捷。

表1 三種恒張力裝置的張力控制對比

5.2 磁粉式恒張力裝置的張力穩(wěn)定條件

當(dāng)運絲電機的運行頻率為50 Hz時，對磁粉離合器施加220 mA的工作電流，需運行150個往復(fù)運絲行程以上才能達(dá)到鉬絲張力的穩(wěn)定。主要以二個參數(shù)作為判定依據(jù)：一是單位周期內(nèi)張力變化波動區(qū)間；二是單位周期內(nèi)張力變化的方差。如圖11、圖12所示，在150個往復(fù)運絲行程之后，單位周期內(nèi)的張力變化區(qū)間穩(wěn)定在0.6～0.8 N，方差小于0.04。

5.3 張力擾動的變化規(guī)律

鉬絲張力受到擾動后，會在施加擾動處產(chǎn)生一個張力的波動。隨著多次運絲往復(fù)運動，該擾動會逐漸消失。擾動主要來自二個方面：一是檢測前，在鉬絲停止的位置安裝張力檢測裝置時，張力檢測導(dǎo)輪對鉬絲起到了一定的張緊作用，從而導(dǎo)致該位置的鉬絲張力產(chǎn)生了一個峰值；二是在絲速變化時，鉬絲所在位置會產(chǎn)生一個張力峰值。實驗發(fā)現(xiàn)，在不同的運絲電機頻率下，擾動消失所需的運絲往復(fù)次數(shù)不同，如表2所示，頻率越高，所需的往復(fù)次數(shù)越多。

圖11 磁粉式恒張力裝置的張力穩(wěn)定條件

圖12 磁粉式恒張力裝置的張力方差變化

圖13 磁粉式恒張力裝置張力加大后的張力周期變化

圖14 磁粉式恒張力裝置張力加大后的張力方差變化

表2 不同電機頻率下電極絲擾動消失所需運絲往復(fù)次數(shù)

5.4 大張力下磁粉式恒張力裝置的穩(wěn)定特性

在初始張力穩(wěn)定后，調(diào)整磁粉離合器的工作電流至300 mA，需運行40個往復(fù)運絲行程以上才能達(dá)到鉬絲張力的穩(wěn)定。如圖13、圖14所示，在40個往復(fù)運絲行程后，單位周期內(nèi)的張力變化區(qū)間穩(wěn)定在0.5～0.7 N，方差小于0.04。

6 結(jié)論

（1）綜合對比了3種恒張力裝置得出，重錘式的張力恒定效果最不明顯，彈簧式的張力恒定效果最明顯，磁粉式對張力的恒定起效慢，但具有張力調(diào)節(jié)更方便、快捷的優(yōu)點。

（2）運絲換向瞬間的鉬絲張力比中間行程的張力要大很多，且在絲速變化時鉬絲所在位置會產(chǎn)生一個鉬絲張力峰值。由此可見，鉬絲不能受到擾動，否則擾動張力會使鉬絲產(chǎn)生波動。

（3）張力擾動需經(jīng)過多個運絲往復(fù)周期后才能消失。對于“中走絲”線切割機床來說，如果絲速變化引起的張力擾動對多次修刀切割產(chǎn)生影響，那么就需對張力擾動進(jìn)行控制。

（4）對重錘式裝置和彈簧式裝置在張力調(diào)整之后的張力控制效果還有待研究。

（5）不同的鉬絲張力是否會影響實際切割時的工件精度及其表面粗糙度，對此還有待研究。

[1] 劉志東.特種加工[M].2版.北京：北京大學(xué)出版社，2017.

[2] 張志勇.往復(fù)走絲電火花線切割機床電極絲恒張力控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[3] 劉志龍.往復(fù)走絲線切割機床張緊系統(tǒng)的研究[D].成都：西華大學(xué)，2010.

[4] 王笑.往復(fù)走絲線切割機床電極絲的振動分析[D].成都：西華大學(xué)，2009.

[5] 劉建建，陳祝平.磁粉離合器及其應(yīng)用[J].機電技術(shù)，2010（4）：63-65.