往復走絲電火花線切割機床電極絲振動研究及抑制措施

程 明

(成都電子機械高等專科學校,四川成都611730)

往復走絲電火花線切割加工技術作為較成熟的加工工藝,已被廣泛應用于生產實際中。如何提高往復走絲電火花線切割機床的加工精度,以滿足模具和特形零件加工的高要求,越來越被業內同行們所重視。在往復走絲電火花線切割加工時,由于貯絲筒及導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,通過對加工工藝規律的研究,大家已普遍認識到除了機床設備、控制器精度、脈沖電源及工作液的性能外,電極絲振動狀態也是影響線切割加工穩定性和工藝指標的重要因素之一。因此,要保證加工質量,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,然后針對振動產生的原因提出改善和抑制措施[1]。

1 電極絲的振動分析

提高往復走絲電火花線切割加工質量的關鍵問題之一是抑制電極絲的振動,提高其動態穩定性。但由于柔細的電極絲高速運行,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。其振動的主要機械源是導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,電極絲受高速運絲的拋離效應引起的導輪切點的變化,工作液噴射壓力不穩定對電極絲產生的擾動等。對電極絲來說,其固有頻率和振動模態不僅同初始條件和邊界條件有關,也與電極絲的張力和軸向運動速度有關[2]。

對導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;l為上下導輪跨距;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 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。通過調節電極絲張力和上下導輪間電極絲的跨度,可改變電極絲的固有頻率[3]。

2 上下導輪間電極絲的模態振型

利用計算機仿真技術研究往復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、網格劃分、施加載荷及約束,并進行求解,得出各階模態振型,從而為抑制電極絲的振動提供理論依據。

設上下導輪間的電極絲跨度 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振型[1],見圖1～圖3。

從圖中可看出,隨著電極絲模態振型的階數增加即頻率加大,振動幅值減小,振幅區間變窄,振型曲線變緩。基頻較其他諧頻強得多,因此它決定了電極絲的固有頻率,而對應一階模態振型的低頻振動主要來自于導輪、貯絲筒和線架等外部激勵。對線切割加工質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阻尼、減小導輪跨距,都可提高電極絲的固有頻率,避開導輪、貯絲筒、線架的頻率,防止出現共振,以減少電極絲橫向振幅。

3 穩定電極絲空間形態及減小振幅的措施

根據分析可知,要抑制電極絲的振動主要針對低頻振動振源,減少來自于導輪、貯絲筒和線架等外部激勵。結合本單位研發實際,本文從新型恒張力機構和限幅器兩方面進行介紹。

3.1 新型恒張力機構

走絲速度高時,輸入走絲系統的能量也大,電極絲的振動幅值增大,機床電極絲張力不穩定直接影響著振動幅值及其與導輪的偏移量,對加工精度和加工穩定性有很大影響。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定性。

目前多數采用的是在線架上安裝導軌重力式恒張力機構,這對加工區電極絲張力有一定的穩定作用,但存在三點弊端:其一,給電極絲施加初張力的配重機構增加了導輪數量,且使局部電極絲發生較大塑性變形,造成加工區電極絲張力的波動;其二,電極絲運絲路徑往返迂回,高速運行的電極絲疲勞應力加大,縮短了電極絲壽命,也增加了電極絲縱向振動;其三,由于線架結構限制,導軌重力式恒張力機構行程較短,須常停機緊絲。

圖4 新型恒張力機構簡圖

新型恒張力機構見圖4。貯絲筒部件底部裝有直線滾動導軌,導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。直線導軌的摩擦系數小,靈敏度高,可保證張力的恒定。為保證貯絲筒運行的平穩,對直線導軌應施加適當的預緊力,綜合分析重力分力、摩擦力、預緊力3個因素,通過實驗可得出傾斜角與張力的對應數據,見表1。加工中可根據電極絲直徑大小和不同加工要求,調整導軌與水平面的傾斜角來獲得不同的張力。新型恒張力機構在電極絲反向造成松緊邊的形成點上平衡張力變化,用時短,效果好[4]。

表1 傾斜角與張力的對應數據

3.2 浮動式限幅器

在往復走絲電火花線切割機床上采用結構合理的電極絲導向裝置,可消除電極絲與導輪間的偏移量,有效隔離導輪、貯絲筒對電極絲的激勵作用,穩定電極絲空間形態,提高工件加工精度和穩定性。目前采用的限位器主要有兩種結構:一種是三點式,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。這兩種結構的主要問題就是調整困難:其一,要把限位器調整到上下導輪定位的電極絲位置而不干擾上下導輪的定位,是非常困難的;其二,如調整不準,電極絲與限位器產生摩擦,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

經過多年的實踐,設計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輪下部和下臂的下導輪上部。轉動偏心軸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穿上絲后,放入圖示位置,啟動貯絲筒,電極絲運行,90°轉動偏心軸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輪定位的電極絲位置上對電極絲進行限位。可看出,浮動式限位器有兩點優于傳統限位器:其一,浮動式結構穿絲方便,自動定位;其二,采用全封閉的孔限位,限位效果好[5]。

在往復走絲電火花線切割機床上采用浮動式限位器進行多次切割,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,加工精度達到 9 μ m。

4 結束語

本文通過對往復走絲電火花線切割機床電極絲振動模態的分析,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,提出兩項抑制振動的措施。實踐證明,通過這兩項針對性的措施,加工區電極絲振幅得到了有效抑制,加工工件的精度和表面質量得到了較明顯的改善。

[1]陳云信,吳福明,鄧成文.基于ANSYS的電極絲振動現象研究[J].電加工與模具,2006(4):26-28.

[2]梁璐,張明柱.提高電火花線切割加工精度和穩定性的研究[J].科技資訊,2006(15):100-101.

[3]馮冉,蔡長韜.線切割機床電極絲振動及其有限元分析[J].機床與液壓,2010,38(23):127-130.

[4]曹鳳.精密高速走絲電火花線切割機研究與開發[J].四川大學學報(工程科學版),2003,35(6):86-90.

[5]盧登星,陳傳偉.浮動式電極絲限位器[J].電加工與模具,2001(6):54.