往复走丝双级张力控制系统设计及切割研究.pdf

收稿日期院2023-02-25基金项目院国家自然科学基金项目渊51975290冤第一作者简介院张志浩袁男袁1997年生袁硕士研究生遥通信作者简介院刘志东袁男袁1966年生袁教授遥往复走丝电火花线切割机床凭借较高的性价比已成为机械加工领域不可替代的加工设备1遥为有效地控制电火花线切割加工过程中的电极丝张力值袁国内外学者进行了深入的研究遥 Yan等2在松丝机构的堕辊上增加了动态减震器袁减少了送丝过程中的电极丝振动袁提高了拐角精度和垂直方向直线度遥刘鹏等3基于计算机式控制方法设计了一种双边恒张力控制系统袁提高了电极丝张力的稳定性遥范圣耀等4基于磁流变液原理设计了一种双贮丝筒张紧力控制机构遥往复走丝双级张力控制系统设计及切割研究张志浩1袁刘志东1袁邓聪1袁张翼2袁张旭东2袁王晅1渊 1.南京航空航天大学机电学院袁江苏南京210016曰2.杭州华方数控机床有限公司袁浙江杭州310024 冤摘要院针对传统重锤张力机构对电极丝张力变化响应速度低尧无法准确调整电极丝张力等问题袁设计了一种由弹簧张力和电机张力机构组合而成的双级张力控制系统袁以分别响应电极丝张力的高频和低频变化遥针对系统涉及的弹簧和电机张力分配问题袁引入张力灵敏度概念遥结果表明院当张力灵敏度为0.05 N时袁电极丝张力较为平稳曰通过200 mm厚度工件多次切割试验袁在相同加工参数条件下袁双级张力控制系统与电机张力机构相比袁工件的腰鼓度误差降低了31%尧表面粗糙度值降低了28%袁说明双级张力控制系统可有效调节电极丝张力的高尧低频变化袁从而提高工件加工精度和表面质量遥关键词院电火花线切割加工曰张力控制曰双级张力曰张力灵敏度曰多次切割中图分类号院TG661文献标志码院A文章编号院1009原279X渊2023冤03原0020-06Design and Cutting Research of Dual-stage Tension Control System of HSWEDMZHANG Zhihao1袁LIU Zhidong1袁DENG Cong1袁ZHANG Yi2袁ZHANG Xudong2袁WANG Xuan2渊 1.College of Mechanical and Electrical Engineering袁Nanjing University ofAeronautics and Astronautics袁Nanjing 210016袁China曰2.Hangzhou Hua Fang CNC Machine Tools Co.,Ltd.袁Hangzhou 310024袁China 冤Abstract院Aiming at the low response speed of the traditional hammer tension mechanism to thechanging speed of the wire tension袁the problems of the electrode wire tension cannot be accuratelyadjusted袁the limitations of the hammer tension mechanism are analyzed袁and it is improved to the motortension mechanism.Combined with spring tension and motor tension mechanism to respond to the highfrequency and low frequency changes of the electrode wire tension.Aiming at the distribution of springand motor tension involved in the system袁the concept of tension sensitivity is introduced.The testshows that when the tension sensitivity is 0.05 N袁the wire tension is relatively stable.Through the 200mm thickness workpiece cutting test.The dual-stage tension control system is compared with the motortension system under the same processing parameters袁and the workpiece drum-shaped inaccuracy isreduced by 31%袁and the surface roughness reduces 28%袁indicating that the double-stage tensioncontrol system can effectively adjust the high and low frequency changes of the wire tension袁therebyimproving the processing accuracy and surface quality.Key words院WEDM曰tension control曰dual-stage tension曰tension sensitivity曰multiple cutting电火花加工叶电加工与模具曳2023年第3期20要要目前针对电极丝张力控制的研究内容大多数局限于一级渊弹簧或重锤冤张力控制遥然而在电火花线切割加工过程中袁电极丝的振动是一种比较复杂的组合型振动5袁单级张力控制系统无法同时有效调节电极丝张力的高频及低频张力变化遥针对这一问题袁本文提出了一种双级张力控制方法袁希望同时控制电极丝张力的高频及低频变化尧增强高厚度切割的稳定性尧提升工件的加工精度和表面质量遥1双级张力控制系统1.1设计原则试验基于HF400M型往复走丝电火花线切割机床开展遥该机床原来采用重锤机构调节电极丝张力袁其工作原理见图1遥图1a为电极丝张力控制的静态形态遥电极丝受到的张力F与重锤的重力G之间的关系固定袁即F=G/2遥图1b为力的动态形态袁当电极丝张力小于或大于重锤的重量时袁重锤会向下或向上运动并产生加速度a袁并且加速度a始终处于变化中遥此时袁电极丝受到的张力F为院F=m渊g+a冤/2渊1冤在该情况下袁电极丝张力会产生范围为依mamax的波动6遥为解决因重锤上尧下活动产生加速度而产生的电极丝张力陡然上升或下降问题袁本文将重锤张力机构改为电机张力机构遥但是袁电机张力系统仍无法对张力的高频变化进行调整遥弹簧张力机构具有响应速度快尧可有效吸收电极丝张力产生的高频变化的特点遥因此袁本文将电机张力机构与弹簧张力机构结合形成一种双级张力控制机构袁期望能同时对电极丝张力的高频及低频变化进行调节袁以增强电极丝张力的稳定性袁使其具有良好的空间位置精度遥1.2工作原理如图2所示袁往复走丝电火花线切割机床的双级张力控制系统由弹簧张力装置尧电机张力装置构成遥其中袁电机张力装置由滚珠丝杆直线导轨滑台模组尧连接板尧张力检测装置和微控制器组成遥该双级张力系统的工作原理是院当张力检测装置检测到电极丝的张力值在某设定范围内时袁电机张力机构停止调节袁弹簧张力装置凭借弹簧压缩产生的弹力进行张紧或放松电极丝进行微调曰当检测到电极丝的张力值超出设定范围时袁电机张力系统中的连接板通过左右移动来张紧或放松电极丝袁以调节其张力值遥配有双级张力控制系统的机床实物见图3遥2双级张力控制系统的控制策略2.1张力分配在加工时袁电极丝的张力受到高频放电爆炸力渊a冤静态渊b冤动态图1电极丝受力模型图2双级张力控制系统示意图张力检测装置弹簧张力装置导轨张力值贮丝筒微控制器张力检测装置脉冲尧方向信号连接板滚珠丝杆直线导轨滑台模组张力值弹簧张力装置导轨弹簧机构张力检测装置电机机构导向器图3试验装置FFGFFam电火花加工叶电加工与模具曳2023年第3期21要要作用而产生高频扰动袁弹簧张力机构始终处于对电极丝张力进行调节的状态中遥电机张力系统对电极丝张力的低频变化进行调节袁需对电极丝张力的波动范围进行设定遥当电极丝张力超出设定范围时袁电机张力系统开始进行张力调节遥若设定的张力变化范围偏小袁电机张力系统就会频繁地对电极丝张力进行调节袁这会导致电极丝的张力值一直波动曰若设定的张力变化范围偏大袁电机张力系统不会对电极丝张力的变化进行调节袁系统只能靠弹簧张力机构来调节电极丝张力袁并且由于弹簧受到电极丝的频繁压缩袁张力逐步减小遥上述两种状态的示意图分别见图4和图5遥这两种现象都会影响到加工过程中电极丝张力的稳定性遥因此袁设定合适的电极丝张力范围十分重要遥为此袁引入张力灵敏度的概念袁将张力灵敏度定义为张力的实测值与设定值的偏差袁其单位为N遥当系统得到该差时袁若判断张力的绝对值在该偏差内袁电机张力系统就停止调节曰在其他情况下袁电机张力系统则对电极丝张力进行调节遥不同张力值对应的灵敏度不一样遥以设定张力值是12 N为例袁在灵敏度分别设置为0尧0.05尧0.1尧0.15尧0.2 N时袁实测的加工区域内电极丝张力变化情况见图6遥对比图6所示五种情况可以观察到院电极丝张力值为12 N尧灵敏度值为0.05 N时袁电极丝的张力值比较稳定袁波动范围变化小遥在不同电极丝的张力设定值条件下袁灵敏度值不同遥通过前述方法得到常用张力值的对应灵敏度值见表1遥图5设定范围过大时的张力变化渊a冤灵敏度为0 N图4设定范围过小时的张力变化张力设定值时间张力设定值时间12.011.611.210.812.412.813.2100111122133144105.5116.5127.5138.5时间/s渊b冤灵敏度为0.05 N12.011.611.210.812.412.813.2100111122133144105.5116.5127.5138.5时间/s渊c冤灵敏度为0.1 N12.011.611.210.812.412.813.2100111122133144105.5116.5127.5138.5时间/s渊d冤灵敏度为0.15 N12.011.611.210.812.412.813.2100111122133144105.5116.5127.5138.5时间/s渊e冤灵敏度为0.2 N图6不同灵敏度值的电极丝张力波形12.011.611.210.812.412.813.2100111122133144105.5116.5127.5138.5时间/s电火花加工叶电加工与模具曳2023年第3期22要要渊a冤电机张力调节渊b冤双级张力调节图8不同张力控制系统主切时的切缝宽度对比224 滋m241 滋m244 滋m222 滋m100 滋m100 滋m228 滋m227 滋m229 滋m227 滋m表1常用张力值对应的灵敏度项目电极丝理论张力值/N灵敏度/N数值91011120.040.040.050.052.2控制流程双级张力控制系统的控制流程如图7所示袁在电火花线切割机床开始运行时袁设定电极丝张力值为F袁将上尧下位置传感器采集到的张力值进行数据处理袁得到加工区内的电极丝实际张力值f袁并将f实时反馈给控制系统曰传感器的采样频率为15 Hz袁即在1 s采集15次张力值并传给微控制器进行数据处理院如果f小于F并且超出灵敏度值的范围袁说明实际张力值f偏小袁则电机正向转动袁张紧电极丝袁增大f袁并将f实时反馈给张力控制系统曰如果f大于F且超出灵敏度值的范围袁说明电极丝实际张力值偏大袁则电机反向转动袁减小f袁并将结果实时反馈给控制系统曰如果f在灵敏度值的范围内袁说明f处于理想状态袁电机张力系统停止调节遥3多次切割试验及其结果分析为验证双级张力控制系统对电极丝张力稳定性的控制效果袁本文从主切切缝宽度均匀性尧极间放电加工状态尧腰鼓度误差和表面质量四个指标方面袁对比了电机张力调节和双级张力控制两种方式对厚度200 mm的45钢工件的切割影响遥试验条件和参数分别见表2和表3遥3.1主切切缝宽度在主切过程中袁电极丝由于受到较大的放电爆炸力袁在该阶段的空间形位具有很大的不确定性7遥如图8a所示袁在电机张力系统条件下主切时袁切缝表面凹凸不平袁尺寸分布不均匀袁平均宽度为232.75 滋m曰如图8b所示袁采用双级张力控制系统主切时袁切缝宽度比较均匀袁平均宽度为228 滋m遥对比之下可得出袁采用双级张力控制系统切割的切缝情况良好袁不仅切缝平整袁而且电极丝的振动幅度也比较小袁说明该方式可对电极丝张力进行有效控制袁从而抑制其振动遥3.2放电加工状态电极丝张力的稳定对极间的放电状态起到重要作用8遥3.2.1主切放电加工状态从图9a所示电机张力系统主切加工时的极间放电状态可见袁有少量的不稳定放电波形袁这是因为在切割高厚度工件时袁电机张力系统对加工区域内的电极丝张力控制效果较差袁无法吸收火花放电引起的电极丝高频振动袁使电极丝产生较大的横向振动袁导致切割稳定性较差遥从图9b所示双级张力控制系统主切加工时的极间放电状态可见袁加工波图7双级张力控制系统流程图材料电极丝张力工作液条件厚度200 mm袁45钢渊热处理冤直径0.18 mm尧长度300 m钼丝12 NJR1A复合工作液袁配比1颐20项目开始设定院张力F尧灵敏度S采集张力上传感器院f1下传感器院f2平均张力院f=渊f1/2+f2冤/2Y电机静止不动弹簧微调电极丝张力变化稳定NN电机正向转动f增大F-s约f约F+s电机正向转动f增大f跃F+s表2试验条件表3多次切割加工参数项目脉冲宽度/滋s占空比峰值电流/A运丝速度/渊m 窑 s-1冤余量/滋m数值主切修一修二50531颐51颐121颐1036282012.27.304.8055150电火花加工叶电加工与模具曳2023年第3期23要要形均为正常放电波形袁这是因为双级张力控制系统中的弹簧机构响应速度快袁可对电极丝张力的高频变化迅速调节袁从而切割稳定性较好遥3.2.2修切放电加工状态在修切时袁电极丝单边放电受到单边的高频放电爆炸力作用9遥从图10a所示电机张力系统修切加工时的极间放电状态可见袁电极丝产生的高频振动无法被系统吸收袁其偏离工件的频繁程度大袁空载状态波形占据了脉冲波形的绝大部分遥图10b是双级张力控制系统修切加工时的极间放电状态遥由于弹簧的存在袁可有效地吸收电极丝产生的高频振动袁显示出来的放电波形的个数较多遥3.3表面质量分别测量工件两端和中间位置的表面粗糙度值袁测量示意图见图11遥图12展示了两种张力机构作用下的工件表面质量对比情况遥如图12b所示袁采用双级张力控制系统加工的工件袁其表面粗糙度值最小且整体上的值较为均等袁相较于电机张力系统作用下的情况袁表面粗糙度的平均值约减少了Ra0.8 滋m遥这是因为袁双级张力控制系统中的弹簧张力机构和电机张力系统形成组合调节袁保证了加工过程中电极丝张力的稳定袁对电极丝中间位置的振动起到了有效的抑制作用袁使电极丝在切缝中的形位保持得较好袁与工件之间产生火花放电的位置能更好地按照预定轨迹进行加工袁从而得到了较好的表面质量遥渊a冤电机张力机构渊b冤双级张力机构图9不同张力机构主切时的放电加工波形对比不稳定波形电压/V电流/A电压/V电流/A渊a冤电机张力机构渊b冤双级张力机构图10不同张力机构野修一冶加工时的放电波形对比空载波形空载波形电压/V电流/A电压/V电流/A图11测量示意图1005200538渊a冤电机张力机构渊b冤双级张力机构图12不同张力机构对工件表面粗糙度的影响3.43.23.02.82.62.42.22.42.22.01.61.81.412345工件序号12345工件序号距离上端面5 mm处距离上端面100 mm处距离上端面195 mm处距离上端面5 mm处距离上端面100 mm处距离上端面195 mm处电火花加工叶电加工与模具曳2023年第3期24要要3.4腰鼓度误差在往复走丝电火花线切割多次切割高厚度工件时袁易产生较大的腰鼓度误差10遥这主要是由工件不同位置的材料蚀除量不等造成的袁具体表现在两个方面11院一方面是工件较厚袁加工区域内的电极丝长度长尧刚性差袁横向振动剧烈曰另一方面是袁修刀加工时的电极丝单边放电袁会导致电极丝单边受到放电爆炸力袁从而产生横向偏移遥加工区域内电极丝两端因导向器约束而受到的振动影响小袁中间位置远离导向器受到的振动影响大袁从而产生加大的腰鼓度误差遥为验证双级张力控制系统对高厚度工件多次切割加工的影响效果袁本文采用两种张力控制系统分别对厚度200 mm的工件进行三次切割袁对比了不同方式产生的腰鼓度误差遥测量工件腰鼓度的方法如图11所示袁是将工件中间位置的尺寸与两端位置尺寸之间的最大差值作为腰鼓度误差遥图13是采用两种张力控制机构加工得到的工件腰鼓度误差结果对比遥从图13可看出袁双级张力控制系统下切割得到的工件腰鼓度误差小且波动范围较小袁说明电极丝的空间形位的稳定性得到了提高遥工件的平均腰鼓度误差为20 滋m袁电机张力机构下工件的平均腰鼓度误差为28.8 滋m袁减小了8.8 滋m遥本文分析认为袁双级张力控制系统中弹簧机构可对火花放电时电极丝张力的高频变化进行及时调整袁其中电机张力系统可对电极丝张力的低频变化进行宏观调控遥两种张力系统组成的双级张力控制系统可吸收二者的优势袁同时弥补二者的不足袁能对电极丝的张力进行有效的控制袁提高加工稳定性袁因此工件的腰鼓度误差也得到了有效降低遥4结论渊1冤双级张力控制系统可有效调节电极丝张力的高频和低频变化遥渊2冤张力灵敏度设置为0.05 N时袁电极丝的张力比较平稳遥渊3冤双级张力控制系统的多次切割效果要优于电机张力控制机构遥在本文试验条件下袁工件平均腰鼓度误差降低了8.8 滋m尧表面粗糙度Ra的平均值减少了0.8 滋m袁其加工精度和表面质量都得到了较大的提升遥参考文献院1SHARMA V袁UPADHYAY V V.A Review on院effect ofcontrollable factor on Material removal rate and surfaceroughness during WEDM C/International Conference onFuturistic and Sustainable Aspects in Engineering andTechnology.Mathura院GLAUniversityMathura袁2022院869-875.2YAN M T袁 HUANG P H.Accuracy improvement of wire-EDM by real-time wire tension control J.InternationalJournal of Machine Tools and Manufacture袁2004袁44渊7冤院807-814.3刘鹏袁罗福源袁孙凌云.硅锭电火花线切割RBF-PID恒张力控制研究J.机械制造与自动化袁2021,50渊6冤院202-206袁238.4范圣耀袁曾文萱袁张秋菊袁等.基于磁流变双储丝筒电极丝张紧力控制机构设计J.机床与液压袁2017袁45渊3冤院163-167.5侯书林袁张惠友袁那明君.线切割电极丝振动现象的试验研究J.机械袁1994袁21渊2冤院12-14.6张旭东袁刘志东袁邓聪.高速走丝电火花线切割机床电极丝的张力双频变化控制方法及装置P.中国院CN111570947A袁2020-08-25.7张浩.高速往复走丝电火花线切割高厚度加工电极丝振动及抑制研究D.南京院南京航空航天大学袁2020.8KEDARE R袁NANAVARE V袁SHARMA S袁et al.Reviewon WEDM of shape memory alloy J.Materials Today院Proceedings袁2018袁5渊14冤:28313-28319.9李凌铃袁刘志东袁闫昊袁等.大厚度工件电火花线切割加工多次切割腰鼓度成因研究J.电加工与模具袁2016渊4冤院12-16袁34.10邓聪.高速往复走丝电火花线切割多次切割腰鼓度控制研究D.南京院南京航空航天大学袁2019.11万自尧袁郭钟宁.高速走丝电火花超大厚度切割技术的研究J.机电工程技术袁2008袁37渊4冤:67-69袁99.40353025201512345工件序号双级张力调节电机张力调节图13工件腰鼓度误差电火花加工叶电加工与模具曳2023年第3期25要要