高走丝电火花线切割电极丝张力变化影响因素分析

贾 婧 王利利 张海川 李林喜

（1.内蒙古工业大学航空学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学工程训练教学部，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

电火花线切割加工精度高，可以加工各种高硬度、高脆性等难加工材料[1]，且比较容易加工一些比较复杂的零件，在制造业方面得到了广泛应用，特别是在模具加工及制造方面[2]。高走丝电火花线切割机床的使用成本较低、性价比高[3]，但对零件的加工精度稍差，为提高高走丝线切割机床对零件的加工精度，该文对其电极丝张力的控制进行研究。

为实现对电极丝张力的控制，该项目对教学部现有DK7740型高走丝线切割机床进行研究。该文首先对影响电极丝张力变化的因素进行分析，得出其主要影响因素。根据电极丝张力的变化规律，分析现有的张力控制装置，采取控制策略以满足恒张力的控制要求。

1 电极丝张力变化影响因素分析

加工过程中，影响线切割加工零件质量的因素较多，这些因素均会导致零件在切割后的加工精度和表面质量降低，其中最为明显的就是电极丝张力的变化及电极丝张力的不恒定[4-5]。影响电极丝张力变化产生的因素主要有2个方面：可控因素和不可控因素，一般来说，电极丝的预紧力、电极丝在加工过程中造成的磨损、贮丝筒的运动在加工过程中比较容易控住，均属于可控因素。有一些因素在加工过程中是不容易控制的，而且分析难度较大，例如由脉冲电源产生的电磁力干扰；导轮及贮丝筒高速旋转时产生的径向跳动；各类零部件在加工及安装过程中产生的精度误差的影响等，后续的研究过程中会进一步研究，文中不做详细分析。电极丝的预紧力、电极丝在加工过程中造成的磨损、贮丝筒的运动，这些因素对电极丝产生的具体影响，可以利用张力传感器进行分析，采取必要措施，降低张力值波动带来的不利影响。

1.1 预紧力变化的影响

高走丝电火花线切割机床贮丝筒做双向往复运动，其加工示意图如图1所示，电极丝的缠绕质量完全取决于人的技能水平和经验。电极丝缠绕的松紧程度和均匀程度没有明确的标准规定。目前为止，电极丝的初始张紧力对工件加工质量的影响是无法测量的，而且也是不恒定的。

图1 高速走丝机床加工示意图

为此，项目在进行过程中做了大量的实验， 线切割加工过程中，电极丝在张紧力的作用下会发生变形，变形量的大小会直接影响到切割零件的加工质量。项目在实验过程中，对在相同丝跨长度和运丝速度下，预紧力To从5N逐渐增加至10N时，经过多次试验研究，预紧力控制在10N时，在Y轴方向的偏移量较小，此时电极丝不容易断裂，可以非常有效地提高零件的切割质量。

1.2 电极丝磨损的影响

在线切割加工零件的过程中，随着加工时间的延长，电极丝逐渐会有磨损，直径减小，使丝架上电极丝的长度会变得更长，从而导致电极丝的张紧程度下降。由于该过程电极丝形成了一定的伸长量，因此，在计算张力值的变化量时，可通过电极丝的伸长量与张力的相互关系进行换算。试验所用的机床，贮丝筒直径D为160mm。电极丝磨损前后直径变化如图2所示，其中D为贮丝筒直径、d为电极丝直径、d1为磨损前电极丝直径、d2为磨损前电极丝直径。

图2 电极丝磨损前后变化

计算在贮丝筒上的缠绕电极丝长度时，横跨在丝架上及导轮间的长度对此影响不大，可以忽略不计，计算公式如式（1），其中n为缠绕在贮丝筒上的圈数，在多次实验过程中，取某次实验，贮丝筒的有效行程为150mm，钼丝直径为0.18mm，电极丝在贮丝筒上缠绕的圈数为n=150/0.18=833。

电极丝未被磨损时，其贮丝筒上缠绕丝的长度如下。

电极丝在加工过程中使用一段时间后，假设均匀磨损，d为磨损后的直径变化量，此时，贮丝筒上缠绕丝的长度如下。

由 （2）式和 （3）式可以得到电极丝磨损后电极丝的伸长量如下。

根据使用者的经验，电极丝在使用一段时间后磨损变化值d不大于0.01mm，如果电极丝的磨损量超过0.01mm时，电极丝易断丝。公式（4）计算如下。

ΔL=nπΔd=833×3.14 × 0.01=26.2mm

通过上述的实验计算可得，电极丝在磨损后，伸长量较大，电极丝的张力值非常容易变化。此时，如果不对电极丝进行重新紧丝，或者采取其他的控制方式，由于电极丝伸长量较大，线切割在切割过程松弛的电极丝发生抖动，丝振加剧，就会对切割零件的表面质量造成严重的影响，而且极易引起电极丝的断裂。

由于电极丝的弹性变形导致电极丝张力下降，变形量L值越大，电极丝张力值下降得越厉害，表示如下。

式中：T—电极丝张力的变化值；K—为电极丝的弹力系数，K取1500N/m； 负号表示所产生的张力值为下降值，与形变方向相反。

在极限条件下，按公式（5）可知弹力变化值T=-39.3N。而预紧力T0=10N，如果按磨损当量计算张力的变化值，磨损后电极丝将变得毫无张紧力可言。

通过上述分析可得：高走丝线切割加工过程中，电极丝做双向往复运动时，电极丝重复利用，导致电极丝磨损，电极丝张力下降，由于电极丝张力的变化，加工的稳定性降低，对切割零件的质量影响很大，使加工精度和表面粗糙度降低。

1.3 贮丝筒的运动的影响

高走丝电火花线切割机床贮丝筒为双向往复运动，电极丝在运动过程中需要换向，即在短时间内由正向变为反向[6-7]，即便在换向后为非加工状态，但是由于速度在换向的一瞬间发生变化，产生了一定的惯性力，导致电极丝的振幅发生了变化，电极丝的张力发生了明显的波动。假设电极丝运丝速度为v，换向时所产生的加速度为

取换向过程中变化的一小部分长度为dL，其质量为dm=ρdL，ρ为电极丝的密度，则电极丝在换向时，所受张力值变化的数学表达式如下。

实验过程中，取不同的电极丝运丝速度值v，取相同的换向过程中电极丝的长度，电极丝直径不变为0.18mm，密度ρ为2.6×10-3kg/m，取不同的换向时间Δt。代入公式（7）进行多次实验。加工过程中，贮丝筒在换向时，不同的速度，对电极丝的张力造成不同程度的影响：（1）当电极丝的运丝速度较慢时，电极丝的变换时间较长，换向比较平稳，对电极丝张力的影响较小；（2）当电极丝的运丝速度较快时，电极丝的变换时间较短，换向比较快，电极丝的振幅较大，电极丝走丝平稳性差，对电极丝张力的影响很大。

2 电极丝张力值分析

2.1 张力传感器

针对上述分析情况，该实验采用张力传感器采集电极丝的张力值，张力传感器是一种将物理信号转换成可丈量信号的输出装置[8-9]。根据张力传感器在外力的作用下产生弹性变形的原理，粘贴在外表上的电阻应变片也随之变形，相应的丈量电路将电阻转换成电压或电流信号，从而完成外部信号的转换过程。张力传感器的原理是在称重传感器的根底上，应用2个张力传送部件来传送力，力传感器的内部构造固定在压电板中心区域的压电板垫片的一侧，压电基片位于压电板垫片另一侧边缘，并靠近压电板。实验过程中，通过多种传感器实验、比对，选择了三滑轮张力传感器，如图3所示，它是一种最常用的高精度线材带材张力测量传感器，由于它前端安装了3个导轮，所以称为三滑轮张力传感器。

图3 三滑轮张力传感器

2.2 张力值采集

将张力传感器外加搭建到走丝回路中，通过液晶屏对张力值进行观察。试验给定初始预紧力T0=10N 时，电极丝张力值分别采集t1、t2、t33个不同时间段的数值，t1、t2、t3分别为加工时间较短的数值、50工时后的数值、150工时后的数值。将t1、t2、t3采集到的数值进行比对，如图 4 所示，从电压波形图可以看出，传感器输出脉冲信号受到了干扰，用于分析张力值的变化情况十分不利，因此对这些电压信号进行后续处理。

图4 电压波形图

2.3 张力值分析

由于传感器输出脉冲信号受到了干扰，需要对传感器检测到的电压信号进行的滤波处理，通过多次试验最终选取中值滤波法，这种方法可以有效地消除偶然出现的脉冲干扰信号，降低采样值的误差。经过滤波处理后，得到如图5所示的电压波形图。

图5 丝速11m/s时不同时段张力值变化情况

在实验过程中，选取了最理想的数据，丝速取为11 m/s，初始预紧力为10N，得t1、t2、t3时间段电压平均值分别约为3.41V、2.93V、1.35V，可见，当加工时间较长时，张力值下降，电极丝磨损显著。因此，线切割加工在切割零件的过程中，为了降低张力值波动对零件加工质量的影响，必须要对电极丝的张力采取必要的控制措施或者进行相应的调节。

3 结论

该文详细分析了电极丝张力变化的影响因素：电极丝预紧力、电极丝磨损和贮丝筒运动。通过分析，明确了各因素对电极丝张力的具体影响作用；再利用三滑轮张力传感器对实验得出的张力值进行进一步检测、分析，对分析结果进行合理地处理，最终得出张力值的变化规律——电极丝丝速越快、电极丝磨损越大，对电极丝张力值的影响越大。在该项目后续的研究过程中，考虑设计一套恒张力控制机构，进行张力实时监测、调节，解决在加工过程中的张力变化问题，提高机床的加工速度和表面质量。