HS-WEDM中鉬絲振動(dòng)及抑制方法研究

賈婧 王利利 張海川 李林喜

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究項(xiàng)目（X201625）。

作者簡(jiǎn)介：賈婧（1987-），女，講師，主要研究方向：難加工材料加工理論與技術(shù);王利利（1974-），女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：機(jī)器人技術(shù)（通訊作者）。

摘 要：HS-WEDM中鉬絲振動(dòng)現(xiàn)象在實(shí)際加工過(guò)程中較為常見(jiàn)，振動(dòng)的存在會(huì)影響工件的加工質(zhì)量，使鉬絲受到?jīng)_擊甚至造成斷絲等嚴(yán)重后果，本文通過(guò)在工程訓(xùn)練教學(xué)部日常實(shí)訓(xùn)加工中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象及積累的經(jīng)驗(yàn)，研究了HS-WEDM中鉬絲振動(dòng)產(chǎn)生的原因，分析了在火花放電加工時(shí)實(shí)際參與加工的鉬絲受力情況，認(rèn)為阻尼力不可忽視，并得出相應(yīng)鉬絲振動(dòng)方程，最后總結(jié)出抑制鉬絲振動(dòng)、防止斷絲的辦法。

關(guān)鍵詞：高速走絲;鉬絲;振動(dòng);抑制方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.11.088

0 引言

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，高速走絲電火花線切割機(jī)床（HS-WEDM）已逐漸成為制造業(yè)中重要的加工方法。電極絲振動(dòng)對(duì)加工的影響很大，會(huì)引起加工誤差，使加工過(guò)程不穩(wěn)定甚至造成斷絲等嚴(yán)重后果，因此研究電極絲振動(dòng)及抑制振動(dòng)的方法對(duì)保證機(jī)床正常加工具有重要意義。

本研究以?xún)?nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練教學(xué)部機(jī)械制造實(shí)習(xí)教學(xué)中心的兩臺(tái)DK7740快走絲機(jī)床為研究平臺(tái)，以鉬絲作為工作電極，研究HS-WEDM中鉬絲振動(dòng)產(chǎn)生的原因，對(duì)電火花放電加工時(shí)的鉬絲進(jìn)行受力分析，得出放電加工時(shí)鉬絲振動(dòng)方程，最后找到抑制電極絲振動(dòng)進(jìn)而防止斷絲問(wèn)題的辦法，并在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中予以改進(jìn)和優(yōu)化，推進(jìn)教學(xué)工作有序開(kāi)展。

1 鉬絲振動(dòng)產(chǎn)生的原因

鉬絲在機(jī)床上快速運(yùn)轉(zhuǎn)及電火花放電期間產(chǎn)生的振動(dòng)是由多種原因共同影響而促成的，是各種高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)共同作用導(dǎo)致電極絲發(fā)生橫向振動(dòng)（垂直于電極絲方向）、縱向（平行于電極絲方向）振動(dòng)，在實(shí)際加工中主要研究橫向振動(dòng)，因?yàn)樗鼘?duì)鉬絲及機(jī)床的影響更大，鉬絲振動(dòng)產(chǎn)生的原因主要包括以下幾方面。

1.1 作用在鉬絲上的力

根據(jù)電火花線切割原理可知，火花放電加工過(guò)程涵蓋了機(jī)械能、動(dòng)能、熱能、電能、磁能等，多種能量相互轉(zhuǎn)換、傳遞與作用，因此實(shí)際參與加工的鉬絲上所受的力也很復(fù)雜，不同的力以不同的方向、不同的形式作用在鉬絲上，對(duì)鉬絲產(chǎn)生不同的振動(dòng)頻率，多種振動(dòng)發(fā)生共振即導(dǎo)致鉬絲產(chǎn)生橫向振動(dòng)。

1.2 貯絲筒及鉬絲磨損

隨著電火花放電加工的持續(xù)進(jìn)行，貯絲筒及高速運(yùn)轉(zhuǎn)的鉬絲會(huì)發(fā)生磨損，表現(xiàn)為貯絲筒和鉬絲的直徑變小。理論上認(rèn)為鉬絲在循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)中總長(zhǎng)度不變，而貯絲筒直徑變短導(dǎo)致纏繞在貯絲筒上的鉬絲長(zhǎng)度變短，那么在上下導(dǎo)輪之間的實(shí)際加工的鉬絲的長(zhǎng)度則變長(zhǎng)、變松弛，加劇鉬絲振動(dòng)。同理，鉬絲受到磨損后鉬絲的直徑也變小了，上下導(dǎo)輪之前的鉬絲張緊力變小，引起鉬絲振動(dòng)。

1.3 鉬絲頻繁換向

高速走絲電火花線切割的一個(gè)重要特點(diǎn)是電極絲往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，電極絲換向動(dòng)作是停止原來(lái)運(yùn)動(dòng)方向并立即向反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，頻繁換向會(huì)對(duì)電極絲產(chǎn)生慣性力，加劇電極絲振動(dòng)。

1.4 電極絲的塑性變形

工程訓(xùn)練教學(xué)中心實(shí)訓(xùn)時(shí)主要采用的電極絲為鉬絲，在實(shí)際研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)新安裝的鉬絲在使用初期很容易發(fā)生塑性變形，似電極絲長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致上下導(dǎo)輪之間的電極絲所受到的張力減小從而產(chǎn)生振動(dòng)，所以使用新絲時(shí)往往會(huì)適量增加電極絲的預(yù)緊力。

2 高速走絲火花放電加工時(shí)鉬絲受力分析

2.1 鉬絲的張力

鉬絲受到的張力存在于整個(gè)過(guò)程，在加工前需對(duì)鉬絲進(jìn)行張緊，使鉬絲承受一個(gè)初始張力，所以鉬絲在空轉(zhuǎn)時(shí)自身受到張力的作用勻速運(yùn)動(dòng)，形成的振動(dòng)為自由振動(dòng)。加工時(shí)由于走絲系統(tǒng)沒(méi)有恒張緊裝置，緊絲位置、電極絲彈塑性變形、電極絲損耗、貯絲筒換向沖擊等都會(huì)影響張力的變化，所以鉬絲的張力并不穩(wěn)定，并呈周期性變化趨勢(shì)（由于加工過(guò)程中的脈沖放電呈周期性），此時(shí)形成的振動(dòng)為強(qiáng)迫振動(dòng)。

2.2 鉬絲的放電力、磁場(chǎng)力等其他作用力

在實(shí)際電火花放電加工中作用在鉬絲上的力很復(fù)雜，主要包括工件對(duì)鉬絲的壓力，工件和鉬絲之間靜電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力、磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)力，放電爆炸力，氣泡爆炸力，鉬絲換向的沖擊力和慣性力，乳化液產(chǎn)生的阻尼力等。因此，在電火花放電加工時(shí)對(duì)鉬絲進(jìn)行受力分析，如圖1所示。xy平面為垂直于電極絲方向（即橫向），yz平面為平行于電極絲方向（即縱向）。在xy平面受到的作用力主要是放電力、電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力、阻尼力、慣性力等，yz平面（縱向）受到的作用力主要為電極絲預(yù)緊、貯絲筒換向等引起的張力。

3 高速走絲電火花放電加工時(shí)鉬絲振動(dòng)方程

為明確HS-WEDM中電火花放電加工過(guò)程中鉬絲振動(dòng)情況，建立鉬絲振動(dòng)方程。根據(jù)電火花線切割原理可知影響工件加工區(qū)域的鉬絲位置在上下導(dǎo)輪之間，這部分電極絲的振動(dòng)情況和加工質(zhì)量直接相關(guān)。所以對(duì)機(jī)床上的鉬絲系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略纏繞在貯絲筒及連接貯絲筒、導(dǎo)向輪之間的鉬絲振動(dòng)，只將實(shí)際參與加工的上下導(dǎo)輪之間的鉬絲段作為研究對(duì)象，，假定該段電極絲方向不變，建立放電加工時(shí)兩個(gè)導(dǎo)輪之間鉬絲系統(tǒng)振動(dòng)簡(jiǎn)化圖，如圖2所示。圖中，F(xiàn)（x，t）是火花放電過(guò)程中產(chǎn)生的放電力（包括靜電力、電磁力、放電爆炸力和氣泡爆炸力等），R（x，t）是乳化液作用鉬絲上產(chǎn)生的阻尼力，x1（t）、x2（t）分別是兩個(gè)導(dǎo)輪的徑向跳動(dòng)，x3（t）、x4（t）是線架上產(chǎn)生的振動(dòng)，電極絲張力為T(mén)，線密度為ρ。

圖3是電火花放電加工中鉬絲的微元受力圖，即放電加工中隨機(jī)選取一段長(zhǎng)度為dx的鉬絲，該段鉬絲受到的慣性力是：

把鉬絲所受的各個(gè)力投影到y(tǒng)軸上

式（3）是鉬絲的一般振動(dòng)方程，等式右邊T2yx2表示鉬絲受到軸向張緊力導(dǎo)致的彎曲變形。在實(shí)際電火花放電加工中乳化液的阻尼力R（x，t）不可忽視，因此將阻尼力導(dǎo)致的阻尼橫向振動(dòng)考慮其中，建立包含阻尼振動(dòng)的鉬絲振動(dòng)方程：

其中，ρ2yx2為鉬絲慣性力，T（t）2yx2為鉬絲受到張力后產(chǎn)生的彎曲變形，u2yx為乳化液的阻尼力。

4 抑制鉬絲振動(dòng)的方法

抑制鉬絲振動(dòng)實(shí)際是想辦法調(diào)整振動(dòng)的大小至允許范圍內(nèi)，或者降低振動(dòng)的危害從而避免發(fā)生斷絲現(xiàn)象，抑制鉬絲振動(dòng)的方法包括以下方面。

4.1 鉬絲振動(dòng)被動(dòng)抑制法

被動(dòng)抑制法主要是通過(guò)實(shí)操人員的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知，通過(guò)分析影響鉬絲振動(dòng)的因素，調(diào)整影響程度從而實(shí)現(xiàn)抑制振動(dòng)的目的。

（1）提高鉬絲的固有頻率，主要通過(guò)適當(dāng)增加電極絲張力、減少上下導(dǎo)輪的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)。張力和電極絲的固有振動(dòng)頻率成正比，和振動(dòng)幅度成反比，因此在實(shí)際加工中可以適當(dāng)增加電極絲張力或減少導(dǎo)輪距離，提高鉬絲固有頻率，降低鉬絲振動(dòng)浮動(dòng)，防止電極絲系統(tǒng)中其他部位產(chǎn)生共振。

（2）限制電極絲的振幅，可以在固定工作鉬絲的兩個(gè)導(dǎo)輪之間安裝限幅器，抑制鉬絲振動(dòng)的幅度，防止幅度過(guò)大導(dǎo)致斷絲等后果。

（3）保持加工時(shí)的張力恒定，如設(shè)計(jì)電極絲恒張力控制裝置，確保振動(dòng)幅度不會(huì)忽大忽小而導(dǎo)致振動(dòng)紊亂。

（4）確保工作液正常使用，通過(guò)對(duì)電極絲受力及振動(dòng)方程的研究，發(fā)現(xiàn)阻尼對(duì)電極絲振動(dòng)有很大影響，在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中常用的工作液為乳化液，該液體有一定粘稠度且成流動(dòng)狀，在電火花放電加工過(guò)程中，足夠的乳化液噴射到電極絲上，不僅起到潤(rùn)滑、冷卻的作用，還使電極絲受到液體的阻礙，起到阻尼消振的作用。

（5）提高機(jī)床絲架、導(dǎo)輪、貯絲筒的靜剛度，保證鉬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

（6）附加超聲振動(dòng)系統(tǒng)，將超聲波轉(zhuǎn)換為高頻的機(jī)械振動(dòng)后再作用到電極絲上，提高加工穩(wěn)定性。

4.2 鉬絲振動(dòng)主動(dòng)抑制法

鉬絲振動(dòng)主動(dòng)抑制即利用傳感器等器件采集信號(hào)，將信號(hào)反饋至控制器，控制器收到信號(hào)后和預(yù)定控制進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際的加工狀況進(jìn)行張力的調(diào)整，之后作動(dòng)器對(duì)電極絲做出動(dòng)作，抑制鉬絲振動(dòng)。主動(dòng)抑制法排除了人為因素，主要是通過(guò)控制系統(tǒng)分析反饋信號(hào)并實(shí)時(shí)調(diào)整動(dòng)作來(lái)抑制振動(dòng)。

5 結(jié)論

本文研究了HS-WEDM中鉬絲振動(dòng)產(chǎn)生的原因，并分析了在火花放電加工時(shí)實(shí)際參與加工的鉬絲受力情況，認(rèn)為阻尼力不可忽視，建立了包含阻尼力的高速走絲電火花放點(diǎn)加工時(shí)鉬絲的振動(dòng)方程，最后總結(jié)歸納了被動(dòng)抑制鉬絲振動(dòng)的方法和主動(dòng)抑制鉬絲振動(dòng)的方法，被動(dòng)抑制法不能實(shí)時(shí)自行調(diào)節(jié)參數(shù)，主要靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知予以調(diào)整;主動(dòng)抑制法可以排除人為因素，應(yīng)用傳感器、控制器等對(duì)電極絲實(shí)施參數(shù)調(diào)整從而達(dá)到抑制電極絲振動(dòng)的目的。工程訓(xùn)練教學(xué)部在后續(xù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)及科研實(shí)驗(yàn)中將繼續(xù)開(kāi)展抑制鉬絲振動(dòng)方法的研究，嘗試建立電極絲振動(dòng)主動(dòng)控制裝置，推進(jìn)教學(xué)工作及科研工作的有序開(kāi)展。

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