高速走丝线切割机电极丝花斑现象的起因及对策
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作者：华仔
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时间：2016-08-10 14:18
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1引言我国首创的高速走丝电火花线切割机自20世纪60年代末问世以来，历经30多年的发展而日趋成熟，广泛地应用开模具制造和零件加工业，已成为一种不可缺少的重要加工设备。为了进一步提高性能，不断向前发展，必须加强试验研究和创新的力度，必须对其加工机理作更深入的探索。文献[1]通过研究分析现状后，提出了改进高速走丝线切割机结构及提高加工精度的若干途径，讨论了影响电极丝运行状态的因素。文献[2]提出高速走丝线切割机的
1 引言
我国首创的高速走丝电火花线切割机自20世纪60年代末问世以来，历经30多年的发展而日趋成熟，广泛地应用开模具制造和零件加工业，已成为一种不可缺少的重要加工设备。为了进一步提高性能，不断向前发展，必须加强试验研究和创新的力度，必须对其加工机理作更深入的探索。文献[1]通过研究分析现状后，提出了改进高速走丝线切割机结构及提高加工精度的若干途径，讨论了影响电极丝运行状态的因素。文献[2]提出高速走丝线切割机的电极丝高速往复循环使机床运丝系统稳定性较差，在一定程度上影响了加工精度，因此必须加强对走丝系统结构的深入研究并进行改进。关于加工机理，20世纪70年代末张维良先生就提出了高速走丝线切割加工的“疏松接触”式放电的试验结论。文献[3]对电极丝加工区进行了显微彩色高速摄影，试验结果显示了高速走丝线切割加工时电极丝与工件是在轻微压上状态下放电的事实。在这些试验研究的基础上，本文讨论在线切割过程中电极丝有时会出现的花斑现象。就其产生根源??电极丝在运行过程中产生的纵向共振进行研究与探索，以求得玛些有益的启示，为生产实践服务。
2 高速走丝线切割机特有的电极丝花斑现象
众所同知，高速走丝线切割机在操作运行过程中，人们最细心的就是断丝。发生断丝，会造成人力、物力和财力的损失。在许多断丝原因中，有一种断丝现象引人注目：即切割较厚工件时，贮丝筒上的电极丝会出现有规律的花纹，仔细观察电极丝会发现，每隔一定长度就有一小段烧伤黑斑（或白斑），俗称出现了“花丝”现象。如果继续线切割加工，就很容易在黑斑处断丝。断丝后的废丝，在黑斑处较细软且易拉断，而其他部分仍正常。废丝自然状态如图所示，对于DK7725机床其黑斑节距L在70-130MM左右，有时会长短交替出现，不同型号规格机床“花丝”现象出现的几率也不同，有些几率高，有些秀少出现。对于同型号机床而言，其出现几率与丝筒、导轮、轴承等零部件状况以及脉冲电源有关。
在切割较厚工件时，我们注意到放电火花呈暗红色细丝状上下均匀分布的属于正常。如放电火花呈亮白色串珠状上下窜动就会出现“花丝”现象。有些机床，通过触摸丝筒座也可分辨，手感抖动大的易出现“花丝”。电极丝上出殃如此有规律的烧伤现象，很容易联想到是电极丝在做某种规则运动，如振动引起电极丝重复集中放电而形成的。于是反复调整走丝系统，直到电极丝运行是无论是目测还是仪表测量均合电极丝横向振动极小，可是没有效果；进而在电极丝工作区上下主导轮附近装上红宝石挡丝块来抑制电极丝横向振动，结果仍是毫是改善，“花丝”依旧。文献[3]试验结果也显示加工区内电极丝横向基本上下振动。既然与电极丝横向振动无关，那么“花丝”现象的产生原因是什么呢？如何才能避免？通过更换导轮、轴承，调整贮线筒座、脉冲电源等试验，掌握了一些规律，最终分析认为其根源在于电极丝纵向共振。
3 电极丝的纵向振动
典型运丝机构由电动机、贮丝筒、线架和排丝机构等部分组成。电动机通过联轴器驱动贮丝筒。贮丝筒一主面带动电极丝以过线架上的主、副导轮、导电块和工件切缝作高速运动；同时，丝筒主轴另一端通过齿轮减速带动比杆，使丝筒座作排丝运动。因此对丝筒而言，电动机是动力源，而导轮、导电块和排丝机构是负载。
3.1 电极丝受力状态与变形
当丝筒静止时，电极丝仅受到静态预张力T。即丝筒上、下面对线架上的电极丝拉力相等，处于平衡状态。根据胡克定律，电极丝伸长变形AL为：AL=TL/SE
式中 AL??电极丝伸长变形，MM
T??电极丝张力，N]
L??电极丝长度，MM=0.149877
S??电极丝载面积，MM平方Ad
E??材料弹性模量，N/MM平方
若电极丝为@0.15MM的钼丝，S=£d平方/4=0.01767MM平方。取L=10N,E=3.2*105N/MM平方[4]，得 AL=0.177MM。
因体积V=LS不变，变形后S'=0.01764MM平方，故直径d'=4S/£根号=0.14987MM
Ad=d'-d=0.00013MM=-0.13um
计算结果表明，当@0.15MM钼线受张力10N，伸长后卷绕在线筒上和张紧在线架导轮上时，其直径仅缩小0.13um。如张力增加为40N，直径也只缩小0.53um。
在机床切割运行时，线架上的电极丝受到丝筒收丝侧面的拉力、放丝侧面的拉力和导轮、导电块、工件切缝的姐力。其中，导轮和导电块产生滚动和滑动磨擦阻力；而切缝中工件、工作液和蚀除物对电极丝产生的阻尼作用力，则随工件厚度而增大。至于放电产生的作用力，分解为轴为分力扣，上下抵消，忽略不计。显然电极丝在各导轮这间的受力大小并不一样[5]。我们重点讨论的是主导轮之间加工区域那一段电极丝的状态。
3.2 振源
在整个走丝运动链中，各有关零部件出现问题，均有可能成为电极丝纵向振动的根源。
（1）驱动电机转了动态不平衡，使输出力矩和转速产生波动。联轴器性不能不佳，力矩传递不均匀。
（2）丝筒动态不平衡，或几何中心偏离而出现径跳；丝筒轴承及左右支架不良，使丝筒旋转时有周期性阻力。
（3）导轮及其轴承不良，导轮出现径跳、轴跳及摆动，轴承转动阻力不匀，某些导轮轴向偏离走丝平面而增加阻力或出现丝跳。
（4）排丝机构的齿轮、丝杆、导轨等零部件不良产生周期阻力。
（5）线架刚度不足，在丝筒换向时产生振动。锥度装置刚性差或有间隙。
（6）切割加工时，电极丝直接受到放电产生的横向推力，部分分解为轴向分力。
其中第（1）、（2）项振源特性由电动机和丝筒而定。通常采用三相交流异步电动机，如4极机。实测转速为1470r.min，即振动基频为24.5Hz；如丝筒直径为@125mm，其周长为329mm，丝速为9.6m/s。如6极电机，振动基频约为16.3Hz，其余计算从略。
第（3）项振源参数决定于导轮直径，如果用@30mm外径，V型槽径按@28.3mm计算，周长为88.9mm，如丝速9.6/S，频率为108Hz。如采用@26mm外径，V型槽径按@25.3mm计算，周长79.5mm，频率为12Hz。
第（4）项排丝机构振源的频率很低，但作为丝筒的负轼，会间接通过丝筒成为电极丝受迫振动振源之一。
3.3 电极丝纵向振动与共振
振源周期作用于电极丝的力如下式[6]：
f=F?sinwttt
式中 f??作用于电极丝的力
F??周期作用力的幅值
对周期突变力可分解为基频和高阶谐频。
当贮丝筒驱动紧的电极丝高速运行时，在振源周期力的作用下，电极丝不但会作横向振动而且必然在作纵向振动。也就是说运行的电极丝各小段长度的变化，时而伸长，时而缩短，一张一弛地处于弹性伸缩状态，张力大的部分伸长变细，张力小的部分缩短变粗，此现象也称为电极丝张力波动，其振动频率，幅度、相位等参数，同步地跟随振源的周期作用力而变化。
上述振源中，直接作用于电极丝的首先是丝筒，为（1）、（2）、（3）项振源综合结果。对于4极电机驱动，其振动频率为24-24.5Hz，是电极丝受迫振动的主要振源。由于其产生的周期作用力中完全可能含突变力，因此就会产生2阶、3阶等高阶谐频，即振动频率为基频的整数倍，如49、73.5、98、122.5、147Hz??????。
导轮振动频率视直径而定，通常基频大约在100-150Hz，如果接近丝筒振频的倍率，很容易产生激振。还有线架的固有频率通常为几十至一百多赫兹[1]。如果几种振源其基频或倍频相近而迭加，会对电极丝纵向振动起推波助澜作用，形成机械共振，此时幅值会显著增加。另处，在进行放电切割时，如果脉冲电源的直流电源纹波太大，在输出脉冲中含50Hz低频分量（在加工波形中可看到50Hz的包络波），由火花放电力作用电极丝，而加重纵向振动，产生要邮电局共振现象，使加工条件更加恶化。此时，不仅加工稳定性变差，脉冲利用率降低，而且还会造成严重“花丝”现象。
3.4 纵波与驻波
电极丝的纵向振动必然要向两边传播，此时悬空部分的电极丝是弹性介质，传播的是张力波，因质点振动方向与波的传播方向一致属于纵波。相邻伸长（或缩短）部分的中心之间的距离即为波长。例如，导轮每转一次径跳产生的振源所造成的纵波波长为导轮V形槽周长。此时工作区电极线上任一方面含上下主导轮侧直接传来的纵小，另一方面还含从一个主导轮传递至另一个主导轮（作为端点）又反射回来的纵波。在适当条件下，特征相同的上下直接波和反射波在电极丝工作区相互迭加发生干涉而形成驻波。此时电极丝上某些质点振幅最小为波节，该点丝变形也是小；而上下隔1/4波长处质点振幅最大为波腹，丝变形为最大或最小，为原振幅的2倍。相邻两波节或相邻两波腹之距离皆为1/2波长。
4 “花丝”形成的物理过程分析
高速走丝线切割加工“疏松接触”放电机理表明，电极丝与工件之间存在一层膜，电极丝必须轻微压上工件表面，依*张力分解的微小压力以及电极丝高速移动擦破膜后，才有放电发生。关于膜的产生原因，多数认为主要是由皂化液电解效应所产生的，在这里笔者要作一点补充，电解效应不单是由脉冲空载波所为，而绝大多数是由脉冲加工波所为，因为放电火花压降为十几伏，放电电流又远大于弱电解电流，这个电压降就成为电极丝与工件之间其余间隙部分产生电解效应的电源。这种脉冲弱电解效应在加工过程中持续发生，不仅对工件有抛光作用，同时也在工件表面形成了钝化膜。
当电级丝在强烈纵向共振形成驻波的情况下，进入切缝并轻微压向工件时，在波节处变形最小，张力基本上为工作区初始动态张力；但在波腹直径最小处矣力最大。笔者认为，如前面计算结果张力导致直径变化量微小，可忽略。因此电极丝张力最大的波腹处最容易压在工件上，擦破钝化膜，引发火花放电。这样，原先正常情况下，分布在与工件厚度相等的电极丝上的分散放电能量，此时集中在电极丝的一点（薄工件）或数点（厚工件）H
。例如，脉冲电源脉宽为30µs，间隔170µs，而电极花纵向振动频率如果是100Hz，周期10ms，工件厚80mm，丝速10m/s，那么张力大于初始力的波腹处电极丝在大约4ms的时间内将发生20次火花放电（理想状态下）。对工件而言，放电分散在高度上；对电极丝而言，放电始终在这质点附近发生。由于脉冲能量重复集中一点，而电极丝很细，热容量粘，散热困难，因此该点温度迅速增到白炽，产生明亮的发光点，从而受到烧伤。之后当振幅为零附近时，电极丝仅短暂地处于张力均匀状态，火花也暂时分散，紧接着下一个张力变化周期又出现，如此重复。当工件较厚时，同一波腹质点将断续承受几串火花的集中放电，烧伤就更严重。在丝筒往复换向时，由于结构可能不对称或运丝结构状态不到致，电极丝振动的幅值与相位也可能不同，但每一方向运线的条件应大致相同。经过多次集中放电积累后，电极丝就出现了间断的烧伤黑斑，该处电极线变细变软，在丝筒上密绕后就出现了规则花斑。黑斑的长节距接近丝筒周长的1/3，短节距约为丝筒周长的1/5或导轮的周长。由于丝筒的精度和绕丝预张力的全行程上不一致，花斑状态在全行程上也不一样。
5 对策
综上所述，高速走丝线切割机的电极丝纵向振动是客观的存在的，且对加工精度、速度、稳定性和电极丝寿命等都有重要的。因此为了改善加工效果，避免发生“花丝”现象，必须尽可能减少纵向振动。
5.1 减少振源
（1）选用优质电动机；采用结构良好的弹性联轴器。
（2）提高丝筒几何精度，一定要较正动平衡；采用优质轴承，加强左右支架刚度，装配良好以保证丝筒旋转均匀。
（3）采用优质导轮和轴承，磨损后应及时更换。应使所有导轮的V型槽中心处于同一走线平面。
（4）提高排丝机构零部件质量和装配质量。
（5）加强线架刚度。提高锥度装置的精度与刚度。
（6）改进脉冲电源性能，减少其整流纹波系数。
5 .2 避免共振
改变导轮和线架的固有频率，不让它们相互之间或与丝筒的固有频率（24-25Hz）成倍率关系，以免引发共振。
实践证明上述措施对减少或避免电极丝花斑现象有明显效果，同时也改善了机床的加工性能。
6 结论
（1）高速走丝线切割机的电极丝纵向振动对加工状态有重要影响，是产生电极丝花斑现象的主要原因。
（2）要减少电极丝的纵向振动，避免发生电极丝花斑现象，应尽可能减少振源，避免出现共振。
