电火花线切割循环单向走丝机构的设计

余辉庆，俄家齐，郑君民，赵万生

（1.上海交通大学机械与动力工程学院/机械系统与振动国家重点实验室，上海200240；2.中国科学院上海技术物理研究所，上海200083）

电火花线切割循环单向走丝机构的设计

余辉庆1，俄家齐2，郑君民1，赵万生1

（1.上海交通大学机械与动力工程学院/机械系统与振动国家重点实验室，上海200240；2.中国科学院上海技术物理研究所，上海200083）

针对电火花线切割传统走丝方式存在的优缺点，提出了一种新型无限循环单向走丝方式。基于空间螺旋线形成机理，设计了由6根导丝杆组成的走丝机构，采用导丝杆轴套和空间交错轴布局的方案，构建了新型走丝机构三维模型，并加工、装配得到机构原型样机。提出了双平面导丝方案，实现了电极丝双平面运动。并对电极丝运动过程中可能存在的打滑问题进行了建模分析，提出了防止打滑的技术措施。

电火花线切割加工；循环单向走丝机构；电极丝打滑

电火花线切割加工是以移动的细金属丝作为电极，借助脉冲电源及现代数控技术等实现工件的电火花放电切割加工，被广泛应用于难加工材料、模具制造、成形刀具及精密零部件加工等领域［1］。然而，电火花线切割技术发展至今，一直采用传统的单向走丝和往复走丝两类走丝方式，针对其优、缺点，俄家齐提出了一种新型走丝方式——循环单向走丝［2］。在该方式中，整个电极丝是一个首尾相接的封闭环，并沿一个方向作无限循环运动。该方式综合了单向走丝与往复走丝的优点，并力图避免它们的缺点。首先，它是单向走丝，不仅具有单向走丝的所有优点，走丝速度也比单向走丝快得多，且放电间隙冷却快，电极丝损耗小，同时具有往复走丝切割大厚度工件的能力；其次，它是无限循环走丝，电极丝可循环使用，且走丝速度无级可调，具备单向走丝线切割加工所固有的电极丝张力控制精确、无切割条纹及加工精度高等技术优势。此外，由于不需换向，时间利用率较高。因此，总体加工效率、加工精度和表面质量等方面具有明显的技术优势。

本文基于上述循环单向走丝原理，设计并实现了轴辊式循环单向走丝机构，并对电极丝运行过程中可能出现的打滑问题进行了建模分析，提出了防止打滑的措施。

1　空间螺旋线形成机理

如图1a所示，设空间线段AA1与Z轴夹角为α，点A（H，0，0）与点A1（x0，y0，z0）距Z轴的距离均为H，将AA1绕Z轴旋转一周，得到的曲面方程为：

由式（2）可知，该曲面即为单叶双曲面。

图1　空间螺旋线形成机理

联立式（3）、式（4），计算得X˙CMTXT=0，这也验证了螺旋线在C点位置的切线与BB1垂直。

2　走丝机构简化方案设计

通过分析空间螺旋线形成机理，以线段AA1作为起始，每绕Z轴旋转60°取一个线段，依次作为导丝杆1～6的母线（图2），该线段的两端点均布在半径为H=R+r（R为导丝杆轴线两端点分布的圆半径，r为导丝杆半径）的圆上，则导丝杆与滚筒轴线的夹角为：

图2　走丝机构简化方案

各个导丝杆长度均一致，在其上开有相同的间距为P的三角形环槽，用作导丝和带动电极丝的运动；且在导丝杆1～6的轴线方向上，后一个导丝杆的环槽起始位置相对于前一个均右移P/6的距离。

取L为导丝杆长度，结合式（5）～式（7）可解出偏心距d及夹角α。

图3　导丝杆轴套的设计

在本文的实际应用中，导丝杆需安装在轴承上，因此在确定d和α后，设计了12个完全相同的轴套（r取值为轴承外径，L为轴承宽度），其空间安装、布局也完全一致。

为满足6根导丝杆同步转动，可用一个主动齿轮带动6个从动齿轮实现，主动齿轮与滚筒轴线重合，从动齿轮与导丝杆轴线重合。齿轮传动属于空间交错轴传动，由于夹角α不大，故采用旋向相反的斜齿轮传动。设主动齿轮为左旋，齿数为Z1，螺旋角为β1；从动齿轮为右旋，齿数为Z2，螺旋角为β2，两齿轮法面模数为mn，中心距为R，则：

3　走丝机构具体方案设计与实现

考虑到机构整体尺寸受机床机架的约束及定位、精度、刚强度的要求，取R1=80 mm、r=15 mm、L= 135.5 mm、P=0.5 mm，因此，设计的导丝杆轴套参数为：α=0.048°、d=0.0568 mm、R=80 mm，斜齿轮参数为：mn=2 mm、Z1=60、β1=0、Z2=20、β2=0.048°。

设计的循环单向走丝机构三维模型见图4，运动过程分为上丝和工作走丝两部分。上丝时，将齿式离合器9左移，使贮丝筒8、导丝杆7与所有齿轮作为一个整体，随主轴3同步转动；将套筒离合器12上的螺栓10拧进去，使主轴3能带动带轮13同步转动，依靠丝杆螺母副实现贮丝筒的轴向移动，从而实现上丝功能。为实现该功能，导丝杆的环槽间距P应满足：

式中：Z3、Z4为主、从动带轮齿数；P丝为丝杆螺母副的螺距。

图4　循环单向走丝机构三维模型

工作走丝时，将齿式离合器9右移，并拧出螺栓10，使贮丝筒8、套筒离合器12均与主轴3脱离；用螺栓14固定贮丝筒8，防止其转动；此时，只有主轴3带动主动齿轮5，进而带动从动齿轮6和6根导丝杆7同步转动，依靠导丝杆7的自转及其上的环槽起到对丝的带动和导向作用，从而实现无限循环单向走丝。走丝机构原型样机见图5。

图5　循环单向走丝机构原型样机

4　双平面导丝方案设计

在循环单向走丝机构中，电极丝需从贮丝筒的一端固定位置进入，再从另一端固定位置出来，故需设计双平面导丝机构，实现电极丝在双平面上的张紧与运动。因此，可利用空间上3个互相垂直交错的导轮实现，其原理见图6a。对于导轮1、2、3，前（后）一个导轮的中垂面均为后（前）一个导轮的切面。通过这3个导轮，能将电极丝从位置A导向到位置B。根据该导丝机构的三维模型（图6b）可看出，导轮架Ⅲ可沿平面Ⅱ法向移动，从而实现贮丝筒上绕丝宽度L的有级调节。经加工装配得到的导丝机构实体见图7。

5　走丝过程中的防打滑措施

由于电极丝与导丝杆之间依靠摩擦力传递运动，因此可能会出现打滑现象，故建立多节点挠性体摩擦传动模型（图8）。

图6　双平面导丝方案

图7　导丝机构实体

图8　多节点挠性体摩擦传动模型

设m为导丝杆数量，k为电极丝在导丝杆上缠绕的完整圈数，Fi为各段电极丝的张力，Ft，i为各段电极丝传递的有效摩擦力（即有效拉力），取n=（k+1/ 2）m+2，则：

由式（10）可得电极丝实际总有效拉力为：

对于各个导丝杆两端的电极丝，运用挠性体摩擦的欧拉公式得：

式中：e为自然对数的底；f为电极丝与导丝杆工作面间的摩擦系数。

由式（12）可得：

设F0为电极丝的初拉力（张紧力），由于电极丝材料基本符合虎克定律，并认为电极丝工作时总长不变，所以其紧边张力的增加量（F1-F0）应等于松边张力的减少量（F0-Fn），由此可得：

结合式（11）、式（13）和式（14）可得电极丝的最大有效拉力为：

设导丝杆输入功率为P，电极丝运动速度为v，则实际运动过程中的电极丝有效拉力为Ft=P/v，引入防滑安全系数K=Ftmax/Ft，则电极丝在导丝杆上运动不打滑的条件为K≥1.25。

综上所述，提高电极丝防滑能力可采取以下措施：增大电极丝初拉力F0；增大电极丝缠绕圈数k；减少导丝杆数量m；增大电极丝与导丝杆工作面间的摩擦系数f；在输入功率P一定时，增大电极丝运动速度v。由式（15）可知，m对最大有效拉力的影响远比k小，且当m过小时，对贮存的电极丝总长度有很大影响，故取导丝杆数量m=6。

6　结语

循环单向走丝是电火花线切割加工技术中的全新走丝模式，兼具单向走丝与往复走丝的优点，且能有效避免各自的缺点。然而，要将其应用于实际生产，还需解决许多难题，如：走丝机构的设计、加工、装配精度问题；为构成封闭环状而产生的电极丝焊接的质量、强度、韧性问题；为防止打滑而产生的电极丝精密恒张力控制问题；电极丝运动过程中的磨损问题。

［1］ 刘晋春，赵家齐，赵万生.特种加工［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［2］ 俄家齐.电火花线切割走丝系统的创新研究［J］.金属加工（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

国家科技重大专项（2014ZX04001061）；上海交通大学燃气轮机研究院科研课题基金（AF0200088/015）

余辉庆，男，1990年生，硕士研究生。