一、数控线切割机加工质量的主要影响因素
从本质上讲,电火花线切割的加工精度主要受电极丝与工件之间相对位置关系的准确度影响。通常在加工中,由各种原因所引起的电极丝的振动都会破坏这种准确度。一是电极丝在加工区受放电力的作用被推离放电区,使电极丝沿加工进给的反方向弯曲并产生一定的挠度,同时由于机床线架和贮丝筒的制造及安装精度、电极丝倒向等因素影响,使电极丝运行时张力不均匀,引起空间位置发生变化,从而影响加工精度;其二是由于电极丝高速度运行时、储丝筒的径向跳动、导轮的轴向跳动和径向跳动、电极丝的张力不均等原因,使电极丝在加工区产生振动,其振动的频率成分相当丰富,变化范围超过1300HZ。这种振动严重降低了工件的加工精度,加大了表面粗糙度[2]。在许多情况下,由此产生的加工误差往往超过了机床的定位误差与运动误差,成为影响加工精度的主要因素。而对于快走丝数控线切割机而言,电极丝高速运动频繁换向,使电极丝的振动这一问题更加突出。
根据笔者多年收集的实际加工数据分析:张力相同时,新旧机床切割试件的表面粗糙度相差并不大;而机床相同张力不同时,则切割试件的表面粗糙度相差较为显著。这说明电极丝的张力对电极丝的动态位置精度影响较大。分析其原因,一方面增大电极丝的张力,可以减少动态电极丝与导轮公切线之间的挠度;另一方面,增大张力可以提高电极丝的固有频率,减少电极丝横向振幅和纵向振幅,防止共振。因此,解决电极丝振动的关键在于抑制电极丝的低频振动,合理增大电极丝张紧力,并使电极丝张紧力维持在一个合理的范围内,近似为恒定的状态,是提高加工质量的关键[3]。
二、机械式张紧装置效果分析
目前,在快走丝线切割上广泛应用的张力调节装置大多是机械式的,有弹簧、重锤和弹簧重锤等三种形式。机械式张力调节装置虽然简单易行、价格低廉,但也存在着难以控制电极丝张紧力的重大缺陷。机械式张紧装置的共同特点是用加力机构都将力施加在某两个导轮之间的一段电极丝上。在线切割中,电极丝所能承受最大张力取决于电极丝屈服强度(一般取电极丝上的应力为屈服强度的1/3～1/2),因此,机械式张力装置是将张力施加在电极丝某一段上而不是全长上。
在静态(上完丝,未加工之前)时,由于电极丝大部分是缠绕在储丝筒上的,电极丝并不是全部都受力而张紧,只有未缠绕在储丝筒上和绕入绕出储丝筒的几圈电极丝才受到张紧力,并且绕入绕出部分的张紧力随缠绕角度呈指数衰减(欧拉关于挠性体摩擦的研究[4])。
在动态(正常加工过程)时,钼丝长度上施力点的位置处于一直变化的状态,那么电极丝的状态也相应地在相对张紧和相对松弛之间迅速转换,造成电极丝的宏观长度也是不断变化的,自然就带动配重块不停地上下振动。同时,配重块的振动引起施加在电极丝上的配重拉力F大小的变化。这种相互作用使电极丝张紧力时刻处于不稳定状态,起不到对电极丝施加恒张力的作用。
例如DK7732P型数控电火花线切割机床就采用了弹簧式张力机构。导轮的拉力的主要来自于弹簧的变形伸缩,使得导轮以支撑臂为直径运动,进而补偿动态时电极丝长度的变化,起到了维持电极丝张力恒定的作用。由于弹簧力自身的不恒定以及电极丝位置、方向和支撑臂摆角的变化,弹簧式张力机构中电极丝的张力并不是一个严格意义上的恒定值。同时,弹簧式张力机构一般仅能控制较小的电极丝张力,实际加工过程中易导致电极丝过度抖动和弯曲变形,出现加工滞后和频繁短路现象,影响工件的加工精度,仅能用于小型机床上进行微调。而DK7745型数控电火花线切割机床则采用了机械重锤式恒张力机构。这种恒张力机构的最大优点在于克服了弹簧式张力机构所能控制的电极丝张力较小的缺陷,并可通过配重方便地调整。但由于电极丝长度的变化和张力的不均等干扰因素地普遍存在,在实际生产中,也易引起内部重物的较大位移,整体稳定性较差,且难以克服由重锤振动而引起的电极丝振动,容易造成疲劳断丝,因此也不能完全满足保证电极丝张力为一个恒定值的设计要求。新出现的弹簧重锤式恒张力机构虽然综合了上述二者的优点,但从实际效果来看,还是不能完全满足较高精度加工的要求。
三、基于双贮丝筒的新型恒张力控制系统框架设计
图1是基于双贮丝筒的新型恒张力控制系统的组成和工作原理示意图。该恒张力控制系统最大的特点是采用了双贮丝筒走丝装置,即由两套完全相同的走丝装置构成。在实际加工过程中,两套装置可在卷丝和放丝两种状态之间相互切换,以达到循环走丝的目的。
为实现良好的控制性能,本系统采取闭环控制策略,引入了经典PI控制器,可从理论上实现张力值的实时调节。
系统张力控制执行元件选用新型磁粉制动器。当上贮丝筒处在卷丝状态时,上电机4工作,提供动力转矩,上磁粉制动器5断电不工作,而对应的下贮丝筒为放丝端,下电机断电,通过电极丝7拖动贮丝筒转动,磁粉制动器通电工作,提供阻力转矩,使电极丝具有张力。在如图1所示位置安放张力传感器2,用于检测电极丝张力的大小,反馈给控制器以实现闭环控制[4]。当放丝端电极丝放丝完毕后,切换为收丝端,原来的收丝端变为放丝端。
电机4通过联轴器,一端与磁粉制动器5相连,另一端与贮丝筒3相连,为双伸轴式设计模式。同时为保证贮丝筒排丝整齐,贮丝筒3与丝杠6通过同步带1相连,并按一定传动比运动。
由于采用了双贮丝筒的走丝装置,系统需对两台电机和两套磁粉制动器进行控制。若要保持走丝速度的恒定和张力恒定,则必须保证电机输出功率不变,即需对电机进行调速控制。但由于交流电机和直流电机的恒功率调速范围较小,控制方式复杂,且电极丝的直径通常在0.18～0.21mm之间,变化引起的走丝速度变化对加工的影响不大[5]。所以,可采用直流电机转速电流双闭环调速或交流电机矢量控制调速,调节转矩输出,保证电机不过载。
四、结论
电极丝往复走丝运行时,由于张力不均匀而导致电极丝的空间位置变化和振动是影响高速走丝线切割机加工质量的重要因素。但目前常用的机械式张紧装置并不能完全满足较高精度加工的要求,成为制约线切割机加工质量的“瓶颈”问题。针对这一问题,本文提出了一种基于双贮丝筒的恒张力装置设计框架,初步满足了保持电极丝张力恒定的应用要求,从而达到了提高加工质量的目的。但是恒张力控制技术是一个系统工程,需要各方面的研究和完善,如间隙伺服进给控制系统的改进、开放式数控系统的开发及多次切割工艺的完善等。
