齊文春 黃 鶯 高堅強 時解放

(①蘇州科技學院機械工程學院，江蘇 蘇州215011;②蘇州新火花機床有限公司，江蘇 蘇州215128)

1 “可逆單向走絲”線切割機床概念的提出

往復走絲線切割加工機床是我國特有的一種加工裝備，目前已成為機械制造業(yè)中一種不可缺少的重要加工手段。與國外進口的單向走絲線切割加工機床相比，具有機床造價和運行成本低、可以切割超大厚度零件等特點，具有一定的競爭優(yōu)勢，但加工精度低、切割表面粗糙度值較差且存在黑白交叉條紋［1］等缺陷使其只能滿足一些低端市場，市場競爭力受到了嚴重挑戰(zhàn)。

單向走絲機床之所以加工精度高的主要措施之一在于采用了多次切割技術(shù)，其中實現(xiàn)無條紋切割的重要條件之一是采用單向走絲方式。采用多次切割技術(shù)同時也是提高往復走絲機床加工精度的重要舉措之一。然而，要達到無條紋切割的目的，往復走絲機床的走絲系統(tǒng)必須在運絲原理及結(jié)構(gòu)方面作重大改進才能滿足這一要求。

往復走絲機床由于受單絲筒結(jié)構(gòu)的限制，電極絲的上絲長度只有幾百米，要完成切割功能，只能采用往復循環(huán)的運絲方式，無法實現(xiàn)單向走絲。采用超長電極絲雙絲筒多層繞絲的走絲方案，一次能上幾萬米的電極絲，適當降低走絲速度，可以滿足長時間單向走絲的無條紋高精度加工要求［2］。在保證加工效率足夠高的前提下，能將電極絲的損耗控制在一定的范圍以內(nèi)，電極絲就可以獲得多次重復使用的效果，基于這一認識，提出了“可逆單向走絲”線切割機床的概念。

在“可逆單向走絲”線切割機床的技術(shù)方案中，走絲系統(tǒng)設(shè)置有兩種工作模式——往復走絲單次切割模式和單向走絲多次切割模式。在高精度加工時，采用單向走絲多次切割模式，多次切割技術(shù)中的第一次切割采用可逆(往復)中速走絲，精修切割時采用單向低速走絲切割完成、消除換向條紋，達到高精度加工的目的。在大厚度零件及普通精度切割加工時采用往復走絲單次切割模式，切割600 mm 以上的大厚度零件加工時可以采用往復高速走絲，在普通精度加工時仍然可以采用往復中速走絲。在兩種工作模式中，電極絲都可以重復使用，使電極絲的利用率接近于往復走絲機床的水平，相對于單向走絲機床而言，運行成本只有幾分之一，符合綠色制造要求，加工精度接近單向走絲機床的水平。

2 可逆單向走絲線切割機床雙絲筒走絲系統(tǒng)的機構(gòu)設(shè)計

實現(xiàn)超長電極絲“雙絲筒結(jié)構(gòu)多層繞絲”走絲方案的方法很多，本項目組已將相關(guān)技術(shù)申請了國家發(fā)明專利并已進入實質(zhì)性審查生效階段［3-5］。在此，本文主要就具體應(yīng)用案例中的工程設(shè)計問題進行一些討論。

圖1 為超長電極絲雙絲筒多層繞絲走絲系統(tǒng)的實施方案之一的原理示意圖。該走絲系統(tǒng)由兩套收放絲機構(gòu)和兩套排絲機構(gòu)組成，收放絲機構(gòu)由絲筒電動機帶動儲絲筒只作旋轉(zhuǎn)運動，排絲機構(gòu)由排絲電動機帶動排絲輪絲桿做旋轉(zhuǎn)運動使排絲導輪組作平行于儲絲筒軸線的往復直線運動，實現(xiàn)電極絲在儲絲筒上的排絲和多層繞絲。

電極絲從儲絲筒1 經(jīng)排絲機構(gòu)、機床線架、加工區(qū)連接到儲絲筒2 的路徑中，為了使排絲導輪組作直線運動時其位置的變化不引起兩排絲機構(gòu)之間的電極絲長度發(fā)生變化而影響走絲速度的穩(wěn)定，在排絲機構(gòu)中增設(shè)了一個平衡導輪。由于排絲導輪移動位置變化會使電極絲伸長或縮短的量是單邊的，而平衡導輪移動位置變化使電極絲伸長或縮短的量是雙邊的，控制平衡導輪的行程及瞬時速度是排絲導輪的1/2，運動方向相反，就可以起到平衡補償作用。在該機構(gòu)中，通過設(shè)計兩個螺距和旋向相同的絲桿副及減速比i=2:1的單級齒輪減速器來實現(xiàn)平衡導輪與排絲導輪組的這一運動關(guān)系。為了便于排絲機構(gòu)的合理布置和電極絲運動方向和路徑的改變需要，在該排絲機構(gòu)中，還設(shè)置了其他若干過渡導輪組。

3 可逆單向走絲線切割機床走絲系統(tǒng)的控制方案

3.1 走絲系統(tǒng)的控制要求

往復走絲單次切割模式:通過往復走絲方式完成切割工作，當一個儲絲筒的電極絲快放完時，起收絲作用的絲筒電動機與起放絲作用的絲筒電動機就進行角色切換，一直到加工結(jié)束;一般情況下走絲速度為1 ～4 m/s的中速，切割大厚度零件時采用5 ～11 m/s 的高速，為了減少因意外斷絲引起的電極絲消耗成本的增加，保持往復走絲機床的運行成本低的特色，建議一次性上絲的長度控制在1 000 m 左右，一般不超過2 000 m為宜。

單向走絲多次切割模式:①采用超長電極絲一次性上在絲筒上，一般情況下，出廠的一盤電極絲全部上到絲筒上(目前的一盤0.18 的電極絲長度約2 000 m，如果定制其長度可達30 000 m 以上);②第一刀切割采用中速走絲，一次單向切割不能完成第一刀切割時，電極絲換向以后繼續(xù)切割，直到第一刀切割完成，需要注意的是第一刀切割完成時，走絲機構(gòu)的某一個方向走絲運動可能沒有完成，這時，應(yīng)使走絲機構(gòu)的該方向走絲運動走完，然后才能開始切割下一刀;③多次切割中，按粗加工→中加工→細加工→精修加工的流程，走絲速度由1 ～4 m/s 的中速逐漸減少到0.1 ～0.5 m/s上的低速，脈沖電源的加工電參數(shù)設(shè)置也相應(yīng)地逐漸減少，同時，按切割流程，每切割下一刀，走絲機構(gòu)的電極絲都是從最初位置開始切割，至少要保證最后一刀電極絲是從起始位置開始切割且電極絲長度足以完成最后一刀的切割，從而消除切割時的換向條紋;④當進行第二刀以后的精修切割時，工作液可以采用與電極絲運動方向一致的單向高壓噴液方式(可以考慮關(guān)閉另一個噴嘴)。

在上述兩種工作模式的加工過程中，電極絲的張力大小可以根據(jù)電極絲的直徑大小及走絲速度進行設(shè)置并實施恒張力控制。電極絲的上絲及空載運行等輔助工作狀態(tài)可以采用高速運行模式，以縮短輔助運行時間。

3.2 可逆單向走絲線切割機床走絲系統(tǒng)的控制原理

走絲系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，設(shè)計一塊系統(tǒng)控制集成板，安裝連接到機床控制系統(tǒng)中，通過接口與機床控制系統(tǒng)、脈沖電源及數(shù)控系統(tǒng)連接，走絲系統(tǒng)的控制硬件結(jié)構(gòu)由以下幾個部分組成:

控制系統(tǒng)由PIC4550 單片機與MAX1270CPLD構(gòu)成;收放絲系統(tǒng)由兩臺伺服電動機及其驅(qū)動單元構(gòu)成排絲系統(tǒng):由兩臺伺服電動機及其驅(qū)動單元構(gòu)成;放電及數(shù)控系統(tǒng)由新火花公司W(wǎng)7 型控制柜構(gòu)成。

整個走絲系統(tǒng)的工作原理如圖2 所示。

該收放絲系統(tǒng)為主從式系統(tǒng)，當其中一個絲筒電動機作為主動電動機時另外一個絲筒電動機作為從動電動機運行，主動電動機運行于位置模式，從動電動機運行于扭矩模式。當進行收放絲切換時切換運行模式，即切換主動/從動電動機，主動電動機變?yōu)閺膭与妱訖C，從動電動機變?yōu)橹鲃与妱訖C，運行模式也根據(jù)主動/從動電動機的運行模式進行切換，分別從位置切換到扭矩和從扭矩切換到位置。

該排絲系統(tǒng)為隨動式系統(tǒng)，排絲系統(tǒng)的兩臺排絲電動機分別對應(yīng)的兩臺絲筒電動機，但絲筒電動機運動時排絲電動機按照一定的比例系數(shù)跟隨對應(yīng)的絲筒電動機運動，排絲系統(tǒng)運行于位置模式，驅(qū)動排絲電動機的進給脈沖由對應(yīng)的絲筒電動機反饋編碼器經(jīng)過控制系統(tǒng)處理后給出，按照絲筒電動機轉(zhuǎn)動一圈，排絲電機帶動排絲導輪組移動1 根電極絲直徑位移量的比例系數(shù)運行。當電極絲直徑損耗超過0.01 mm 或更換不同直徑的新電極絲時，根據(jù)電動極絲直徑的大小不同，比例系數(shù)可以人為設(shè)置，以滿足在不同層數(shù)上排絲時不產(chǎn)生疊絲卡絲的排絲要求。

控制系統(tǒng)主要是切換運絲系統(tǒng)的控制模式以及排絲電動機的排絲方向，相關(guān)外設(shè)的電氣控制和人機交互的工作。切換運絲電動機的主動/從動電動機結(jié)構(gòu)主要靠對主動電動機的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)來進行計數(shù)來實現(xiàn)，當主動電動機旋轉(zhuǎn)至指定的圈數(shù)并且從機的絲存量小于某一個值時，切換主從機狀態(tài)。排絲電動機的方向主要由外部的限位開關(guān)來實現(xiàn)，當觸發(fā)某一個限位開關(guān)時將改變排絲電動機的運轉(zhuǎn)方向，另外還在控制系統(tǒng)中增加了對排絲電動機方向的記憶功能。在控制系統(tǒng)中還有工作模式切換功能、上絲及空運行時的快速運絲功能、斷絲保護功能等，工作模式切換功能主要是負責單向走絲多次切割模式和往復走絲單次切割模式的切換。

放電及數(shù)控系統(tǒng)主要負責產(chǎn)生放電脈沖并配置加工需要的加工條件，主要包括主放電回路，放電脈沖發(fā)生回路，絲速控制電路，外部保護電路等。數(shù)控中的軌跡控制功能，主要負責將CAD 產(chǎn)生的圖形模塊轉(zhuǎn)換為能夠進行加工的軌跡圖形，具備文件操作以及人機交互功能，并在CNC 中能夠?qū)崟r地顯示加工的進度以及加工的狀態(tài)，并可以動態(tài)地調(diào)整電參數(shù)以及其他配置參數(shù)。

4 結(jié)語

該走絲系統(tǒng)的特點是結(jié)構(gòu)比較簡單，可操作性比較強，可以人為設(shè)置排絲間距以適應(yīng)不同直徑大小電極絲在不同層數(shù)上排絲時不產(chǎn)生疊絲卡絲的排絲要求，采用交流伺服電動機作為上絲電動機時可以實現(xiàn)較大范圍的調(diào)速，可以滿足高、中、低的走絲速度范圍，由于采用了超長電極絲，只要儲絲筒足夠大，理論上可以實現(xiàn)無限長度電極絲的上絲要求，本方案設(shè)計的走絲系統(tǒng)可一次性上幾萬米的電極絲，既可以實現(xiàn)單向走絲的無條紋高精度加工要求，又可以實現(xiàn)電極絲重復使用的往復走絲低運行成本要求，還可以實現(xiàn)大厚度零件的切割加工，為往復走絲機床實現(xiàn)高精度加工提供了一個單向走絲的平臺，是未來往復走絲機床走絲系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。

［1］劉志東.復合工作液提高高速走絲電火花線切割效率研究［J］.南京航空航天大學學報，2008(1):100 -103.

［2］齊文春，高堅強，郭麗華，等.往復走絲線切割機床走絲系統(tǒng)的發(fā)展策略探討［J］.制造技術(shù)與機床，2014(7):51 -54

［3］齊文春，高堅強，黃鶯. 一種雙絲筒多層繞絲往復走絲線切割機床走絲機構(gòu)［P］.中國，201310367736.8.2013.12.

［4］齊文春，高堅強，黃鶯. 一種絲杠齒輪運動排絲方式的雙絲筒運絲機構(gòu)［P］.中國，201310367709.0.2014.1

［5］齊文春，高堅強，賈志新，等.一種絲杠連桿運動排絲方式的雙絲筒走絲機構(gòu)［P］.中國，201310367787.0.2013.12.