高走絲電火花線切割電極絲張力變化影響因素分析

賈 婧 王利利 張海川 李林喜

（1.內蒙古工業大學航空學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學工程訓練教學部，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

電火花線切割加工精度高，可以加工各種高硬度、高脆性等難加工材料[1]，且比較容易加工一些比較復雜的零件，在制造業方面得到了廣泛應用，特別是在模具加工及制造方面[2]。高走絲電火花線切割機床的使用成本較低、性價比高[3]，但對零件的加工精度稍差，為提高高走絲線切割機床對零件的加工精度，該文對其電極絲張力的控制進行研究。

為實現對電極絲張力的控制，該項目對教學部現有DK7740型高走絲線切割機床進行研究。該文首先對影響電極絲張力變化的因素進行分析，得出其主要影響因素。根據電極絲張力的變化規律，分析現有的張力控制裝置，采取控制策略以滿足恒張力的控制要求。

1 電極絲張力變化影響因素分析

加工過程中，影響線切割加工零件質量的因素較多，這些因素均會導致零件在切割后的加工精度和表面質量降低，其中最為明顯的就是電極絲張力的變化及電極絲張力的不恒定[4-5]。影響電極絲張力變化產生的因素主要有2個方面：可控因素和不可控因素，一般來說，電極絲的預緊力、電極絲在加工過程中造成的磨損、貯絲筒的運動在加工過程中比較容易控住，均屬于可控因素。有一些因素在加工過程中是不容易控制的，而且分析難度較大，例如由脈沖電源產生的電磁力干擾；導輪及貯絲筒高速旋轉時產生的徑向跳動；各類零部件在加工及安裝過程中產生的精度誤差的影響等，后續的研究過程中會進一步研究，文中不做詳細分析。電極絲的預緊力、電極絲在加工過程中造成的磨損、貯絲筒的運動，這些因素對電極絲產生的具體影響，可以利用張力傳感器進行分析，采取必要措施，降低張力值波動帶來的不利影響。

1.1 預緊力變化的影響

高走絲電火花線切割機床貯絲筒做雙向往復運動，其加工示意圖如圖1所示，電極絲的纏繞質量完全取決于人的技能水平和經驗。電極絲纏繞的松緊程度和均勻程度沒有明確的標準規定。目前為止，電極絲的初始張緊力對工件加工質量的影響是無法測量的，而且也是不恒定的。

圖1 高速走絲機床加工示意圖

為此，項目在進行過程中做了大量的實驗， 線切割加工過程中，電極絲在張緊力的作用下會發生變形，變形量的大小會直接影響到切割零件的加工質量。項目在實驗過程中，對在相同絲跨長度和運絲速度下，預緊力To從5N逐漸增加至10N時，經過多次試驗研究，預緊力控制在10N時，在Y軸方向的偏移量較小，此時電極絲不容易斷裂，可以非常有效地提高零件的切割質量。

1.2 電極絲磨損的影響

在線切割加工零件的過程中，隨著加工時間的延長，電極絲逐漸會有磨損，直徑減小，使絲架上電極絲的長度會變得更長，從而導致電極絲的張緊程度下降。由于該過程電極絲形成了一定的伸長量，因此，在計算張力值的變化量時，可通過電極絲的伸長量與張力的相互關系進行換算。試驗所用的機床，貯絲筒直徑D為160mm。電極絲磨損前后直徑變化如圖2所示，其中D為貯絲筒直徑、d為電極絲直徑、d1為磨損前電極絲直徑、d2為磨損前電極絲直徑。

圖2 電極絲磨損前后變化

計算在貯絲筒上的纏繞電極絲長度時，橫跨在絲架上及導輪間的長度對此影響不大，可以忽略不計，計算公式如式（1），其中n為纏繞在貯絲筒上的圈數，在多次實驗過程中，取某次實驗，貯絲筒的有效行程為150mm，鉬絲直徑為0.18mm，電極絲在貯絲筒上纏繞的圈數為n=150/0.18=833。

電極絲未被磨損時，其貯絲筒上纏繞絲的長度如下。

電極絲在加工過程中使用一段時間后，假設均勻磨損，d為磨損后的直徑變化量，此時，貯絲筒上纏繞絲的長度如下。

由 （2）式和 （3）式可以得到電極絲磨損后電極絲的伸長量如下。

根據使用者的經驗，電極絲在使用一段時間后磨損變化值d不大于0.01mm，如果電極絲的磨損量超過0.01mm時，電極絲易斷絲。公式（4）計算如下。

ΔL=nπΔd=833×3.14 × 0.01=26.2mm

通過上述的實驗計算可得，電極絲在磨損后，伸長量較大，電極絲的張力值非常容易變化。此時，如果不對電極絲進行重新緊絲，或者采取其他的控制方式，由于電極絲伸長量較大，線切割在切割過程松弛的電極絲發生抖動，絲振加劇，就會對切割零件的表面質量造成嚴重的影響，而且極易引起電極絲的斷裂。

由于電極絲的彈性變形導致電極絲張力下降，變形量L值越大，電極絲張力值下降得越厲害，表示如下。

式中：T—電極絲張力的變化值；K—為電極絲的彈力系數，K取1500N/m； 負號表示所產生的張力值為下降值，與形變方向相反。

在極限條件下，按公式（5）可知彈力變化值T=-39.3N。而預緊力T0=10N，如果按磨損當量計算張力的變化值，磨損后電極絲將變得毫無張緊力可言。

通過上述分析可得：高走絲線切割加工過程中，電極絲做雙向往復運動時，電極絲重復利用，導致電極絲磨損，電極絲張力下降，由于電極絲張力的變化，加工的穩定性降低，對切割零件的質量影響很大，使加工精度和表面粗糙度降低。

1.3 貯絲筒的運動的影響

高走絲電火花線切割機床貯絲筒為雙向往復運動，電極絲在運動過程中需要換向，即在短時間內由正向變為反向[6-7]，即便在換向后為非加工狀態，但是由于速度在換向的一瞬間發生變化，產生了一定的慣性力，導致電極絲的振幅發生了變化，電極絲的張力發生了明顯的波動。假設電極絲運絲速度為v，換向時所產生的加速度為

取換向過程中變化的一小部分長度為dL，其質量為dm=ρdL，ρ為電極絲的密度，則電極絲在換向時，所受張力值變化的數學表達式如下。

實驗過程中，取不同的電極絲運絲速度值v，取相同的換向過程中電極絲的長度，電極絲直徑不變為0.18mm，密度ρ為2.6×10-3kg/m，取不同的換向時間Δt。代入公式（7）進行多次實驗。加工過程中，貯絲筒在換向時，不同的速度，對電極絲的張力造成不同程度的影響：（1）當電極絲的運絲速度較慢時，電極絲的變換時間較長，換向比較平穩，對電極絲張力的影響較小；（2）當電極絲的運絲速度較快時，電極絲的變換時間較短，換向比較快，電極絲的振幅較大，電極絲走絲平穩性差，對電極絲張力的影響很大。

2 電極絲張力值分析

2.1 張力傳感器

針對上述分析情況，該實驗采用張力傳感器采集電極絲的張力值，張力傳感器是一種將物理信號轉換成可丈量信號的輸出裝置[8-9]。根據張力傳感器在外力的作用下產生彈性變形的原理，粘貼在外表上的電阻應變片也隨之變形，相應的丈量電路將電阻轉換成電壓或電流信號，從而完成外部信號的轉換過程。張力傳感器的原理是在稱重傳感器的根底上，應用2個張力傳送部件來傳送力，力傳感器的內部構造固定在壓電板中心區域的壓電板墊片的一側，壓電基片位于壓電板墊片另一側邊緣，并靠近壓電板。實驗過程中，通過多種傳感器實驗、比對，選擇了三滑輪張力傳感器，如圖3所示，它是一種最常用的高精度線材帶材張力測量傳感器，由于它前端安裝了3個導輪，所以稱為三滑輪張力傳感器。

圖3 三滑輪張力傳感器

2.2 張力值采集

將張力傳感器外加搭建到走絲回路中，通過液晶屏對張力值進行觀察。試驗給定初始預緊力T0=10N 時，電極絲張力值分別采集t1、t2、t33個不同時間段的數值，t1、t2、t3分別為加工時間較短的數值、50工時后的數值、150工時后的數值。將t1、t2、t3采集到的數值進行比對，如圖 4 所示，從電壓波形圖可以看出，傳感器輸出脈沖信號受到了干擾，用于分析張力值的變化情況十分不利，因此對這些電壓信號進行后續處理。

圖4 電壓波形圖

2.3 張力值分析

由于傳感器輸出脈沖信號受到了干擾，需要對傳感器檢測到的電壓信號進行的濾波處理，通過多次試驗最終選取中值濾波法，這種方法可以有效地消除偶然出現的脈沖干擾信號，降低采樣值的誤差。經過濾波處理后，得到如圖5所示的電壓波形圖。

圖5 絲速11m/s時不同時段張力值變化情況

在實驗過程中，選取了最理想的數據，絲速取為11 m/s，初始預緊力為10N，得t1、t2、t3時間段電壓平均值分別約為3.41V、2.93V、1.35V，可見，當加工時間較長時，張力值下降，電極絲磨損顯著。因此，線切割加工在切割零件的過程中，為了降低張力值波動對零件加工質量的影響，必須要對電極絲的張力采取必要的控制措施或者進行相應的調節。

3 結論

該文詳細分析了電極絲張力變化的影響因素：電極絲預緊力、電極絲磨損和貯絲筒運動。通過分析，明確了各因素對電極絲張力的具體影響作用；再利用三滑輪張力傳感器對實驗得出的張力值進行進一步檢測、分析，對分析結果進行合理地處理，最終得出張力值的變化規律——電極絲絲速越快、電極絲磨損越大，對電極絲張力值的影響越大。在該項目后續的研究過程中，考慮設計一套恒張力控制機構，進行張力實時監測、調節，解決在加工過程中的張力變化問題，提高機床的加工速度和表面質量。