线切割运丝机构设计.docx

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线切割运丝机构设计

数控线切割运丝机构设计

徐州师范大学机电工程学院张明岗02281222

[关键词]：

高速线切割机，张力，运丝机构。

[摘要]：

在高速走丝电火花线切割机床上加工工件时，断丝是一种常见的问题。

保持电极丝状态的相对稳定性将直接影响加工质量的好坏，电极丝在加工区的张力变化大小将直接影响加工零件的品质和加工的稳定性，此次设计研究了一种新型的线切割运丝系统，采用了双贮丝筒的运丝机构，同时使用电极丝恒张力伺服控制系统来实现提高电极丝运行的稳定性。

该系统是以磁粉制动器为执行元件的电极丝恒张力伺服控制系统，采用了间接的方法来检测电极丝的张力，间接张力检测器由扭矩传感器组成，由它直接检测主动贮丝筒上的负载转矩大小，从而间接检测电极丝上的张力大小，调节电极丝的张力，即可实现电极丝的恒张力伺服控制，从而达到以提高电极丝运动稳定性的目的。

Thenumericalcontrollinecutstheremoveorganizationdesign

[Keyword]:

Thehighspeedlinecutter,thedensity,transportsthesilkmechanism.

[Abstract]:

Whenwalkshighspeedonthesilkelectricalfirecoloredthreadcuttingenginebedprocessestheworkpiece,breaksthesilkisonekindofcommonquestion,willmaintaintheelectrodesilkconditiontherelativestabilitydirectlytoaffecttheprocessingqualitythequality,theelectrodesilkdirectlyaffectstheprocessingcomponentsintheprocessingregiondensitychangesizethequalityandtheprocessingstability,thisdesignstudiedonekindofnewlinecuttingtotransportthesilksystem,useddoublehasstoredthesilktubetotransportthesilkorganization,simultaneouslyusedtheelectrodesilkpermanentdensityservocontroltorealizeenhancestheelectrodesilkmovementthestability.Thissystemistakethemagneticpowderbrakeasthefunctionalelementelectrodesilkpermanentdensityservocontrol,usedtheindirectmethodtoexaminetheelectrodesilkthedensity,theindirectdensitydetectorwascomposedbythetorquesensor,examineddirectlybyitstoresinthesilktubeonowninitiativetheloadmomentsize,thusexaminedontheelectrodesilkindirectlythedensitysize,adjustedtheelectrodesilkthedensity,thenrealizedtheelectrodesilkpermanentdensityservo-control,thusachievedenhancedthe

electrodesilkmovementstablegoal.

绪论

电火花线切割加工是电火花加工的一个分支，也是一种直接利用电能和热能进行加工的新工艺。

此法用一根移动着的导线（电极丝）作为工具电极对工件进行切割，故称线切割加工。

由于后来都用数控技术控制工件和电极丝作为相对切割运动，故常称为数控线切割加工或称线切割加工。

一.电火花数控线切割加工基本原理

电火花数控线切割加工的基本原理是基于下列三点：

1）电极丝与工件之间脉冲性地火花放电

2）电极丝沿其軸向（垂直或z方向）作为走丝运动。

3）工件相对于电极丝在X,Y平面内作数控运动。

现分别解释：

1.电火花线切割加工时电极丝和工件的脉冲放电

电火花线切割时电极丝接脉冲电源的负极，工件接脉冲电源的正极。

当来一个电脉冲时，在电极丝和工件之间产生一次火花放电，在放电通道的中心温度瞬时可高达1000摄氏度以上，高温使工件金属熔化，甚至有少量气化，高温也使电极丝和工件之间的工作液部分产生气化，这些气化后的工作液和金属蒸汽瞬间迅速热膨胀，并具有爆炸的特性。

这种热膨胀和局部微爆炸，抛出熔化和气化了的金属材料同时线对工件材料进行电蚀切割加工。

通常认为电极丝与工件之间的放电间隙在0.01mm左右，诺电脉冲的电压高，放电间隙会大一些。

线切割编程时，一般取0.01mm。

为了确保每来一个电脉冲在电极丝和工件之间产生的是火花放电而不是电弧放电，必须创造必要的条件。

首先必须是两个电脉冲之间有足够的间隔时间，使放电间隙中的介质消电离，即使放电通道中的带电粒子符合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙中介质的绝缘强度，以免总是在同一处发生放电而导致电弧放电。

一般脉冲间隔应为脉冲宽度的4倍以上。

为了保证火花放电时电极丝（一般用钼丝）不被烧断，必须向放电间隙注入大量工作液，以使电极丝得到充分冷却。

同时电极丝必须作为高速軸向运动，以免火花放电总在电极丝的局部位置而被烧断，电极丝速度约在7-10毫米每秒左右。

高速运动的电极丝，有利于不断往放电间隙中带入新的工作液，同时也有利于把电蚀产物从间隙中带出去。

电火花线切割加工时，为了获得比较好的表面粗糙度和高的尺寸精度，并保证鉬丝（电极丝）不被烧断，应选择好相应的脉冲参数，并使工件和钼丝之间的放电必须是火花放电，而不是电弧放电。

线切割加工的微观机理与电火花加工相同。

2.电火花线切割加工走丝原理及坐标工作台运动原理详见电火花加工手册

.电火花线切割加工的特点电火花线切割加工过程的工艺和机理，与电火花穿孔成形加工既有共性，又有特性。

1.电火花线切割加工与电火花成形加工的共性

1）线切割加工的电压，电流泼形与电火花加工的基本相似。

单个脉冲也有多种形式的放电状态，如开路，正常火花放电，断路等。

2）线切割加工的加工机理，生产率，表面粗糙度等工艺规律，材料的可加工性等也都与电火花加工的基本相似，可以加工硬质合金等一切导电材料。

2.线切割加工相比与电火花加工的不同特点

1）由于电极工具是直径较小的细丝，故脉冲宽度，平均电流等不能太大，加工工艺参数的范围较小，属中，精正极性电火花加工，工件常接电源正极。

2）采用水或水基工作液，不会引燃起火，容易实现安全无人运转，但由于工作液的电阻率远比煤油小，因而在开路状态下，仍有明显的电解电流。

电解效应稍有益于改善加工表面粗糙度。

3）一般没有稳定电弧放电状态。

因为电极丝与工件始终有相对运动，尤其是快速走丝电火花切割加工，因此，线切割加工的间隙状态可以认为是有正常火花放电，开路和断路这三种状态组成，但往往在单个脉冲内有多种放电状态，有“微电路”，“伪断路”现象。

4）电极与工件之间存在着“蔬松接触”式轻压放电现象。

近年来的研究结果表明，当柔性电极丝与工件接近到通常认为的放电间隙时，并不发生火花放电，甚至当电极丝已接触到工件，从显微镜已看不到间隙时，也仍然看不到火花，只有当工件将电极丝顶弯，偏移一定距离时，才发生正常的火花放电。

亦即每进给1um，放电间隙并不减小1um，而是钼丝增加一点张力，向工件增加一点侧向压力，只有电极丝和工件之间保持一定的轻微接触压力，才形成火花放电。

可以认为，在电极丝和工件之间存在着某种电化学产生的绝缘簿膜介质，当电极丝被顶弯所造成的压力和电极丝相对于工件的移动摩擦使这种介质减薄刀到可被击穿的程度，才发生火花放电。

放电发生之后产生的爆炸力可能使电极丝局部振动而脱离结束，但宏观上仍是轻压放电。

5）省掉了成形的工具电极，大大降低了成形工具电极的设计和制造费用，缩短了生产准备时间，加工周期短，这对新产品的实质是很有意义的。

6）由于电极丝比较细，可以加工微细异型孔，窄缝和复杂形状的工件。

由于切缝很窄，且只对工件材料进行“套料”加工，实际金属去除量很少，材料的利用率很高，这对加工，节约贵重金属有重要意义。

7）由于采用移动的长电极丝进行加工，使单位长度电极丝的损耗较少，从而对加工精度的影响比较小，特别是低速走丝切割加工时，电极丝一次性使用，电极丝损耗对加工精度的影响更小。

8）自动化程度高，操作方便，加工周期短，成本低，较安全。

电火花线切割加工有许多突出的长度，因而在国内外发展都较快，已获得了广泛的应用。

三.线切割加工的适用范围

线切割加工为新产品试制，精密零件加工及模具制造开辟了一条新的工艺途径，主要适用于以下几个方面。

1）加工模具适用于加工各种形状得冲模。

调整不同的间隙补偿量，只需一次编程就可以切割凸模，凸模固定板，凹模及卸料板等。

模具配合间隙，加工精度通常都能达到要求。

此外，还可以加工挤压模，粉末冶金模，弯曲模，塑压模等通常带锥度的模具。

2）加工电火花成型加工用的电极一般穿孔加工用的电极亦即带锥度型腔加工用的电极，以及铜钨，银釫合金之类的电极材料，用线切割加工特别经济，同时也适用于加工微细复杂形状的电极。

3）加工零件在试制新产平时，用线切割在坯料上直接割出零件，例如试制切割特殊微电机硅钢片定，转子铁心，由于不需另行制造模具，可大大缩短制造周期，降低成本。

另外修改设计，变更加工程序比较方便，加工薄件时还可多片叠在一起加工。

在零件制造方面，可以用于加工品种多，数量少的零件，特殊难加工材料试验样件，各种型孔，特殊齿轮凸轮，样板，成型刀具。

同时还可进行微细加工，异型槽和标准缺陷的加工等。

四.电火花数控线切割加工产生废品的原因及预防方法

1.电火花线切割加工的工件报废或质量差的原因很多，而且各种因素相互影响。

如机床，材料，工艺参数，操作工人的素质及工艺路线等，若各方面的因素都能控制在最佳状态，那么加工的工件不但不会报废而且质量较好。

2.电火花线切割加工预防废品或次品的方法

1）操作人员必须具备一定的技术素质操作人员要正确的理解图样的各项技术要求，编程和穿纸带要正确。

工作液要及时更换，保持一定的清洁度，保证上，下喷嘴不阻塞，流量合适。

电极丝校准垂直，工件装夹正确。

合理选用脉冲电源参数，加工不稳定时及时调整变频进给速度。

加工时每个工件都要记录起割点坐标。

2）机床，控制器，脉冲电源工作要稳定

（1）保证导丝机构必要的精度，经常检查导丝轮，导电快，导丝块。

导丝轮的底径应小于电极丝半径，支撑导丝轮的轴承间隙要严格控制，以免电极丝运转时破坏了稳定的直线性，使工件精度下降，放电间隙变大，导致加工不稳定。

导电块应保持接触良好，磨损后要及时调整，不允许在钼丝和导电块间出现火花放电，应使脉冲能量全部送往工件与电极丝之间。

导丝块的位置应调整合适，保证电极丝在丝筒上排列整齐，否则会出现叠丝或夹丝现象。

（2）控制器必须有较强的抗干扰能力。

变频进给系统要有调整环节。

部进电动机进给要平稳，不失步。

（3）脉冲电源的脉冲间隔，功率管个数及电压幅值要能调节。

3）工件材料选择要正确

（1）工件材料（如凸凹模）要尽量使用热处理淬透性好，变形小的合金钢，如Cr12及

Cr12MoV等。

（2）毛坯需要锻造。

热处理要严格按工艺要求进行，最好进行两次回火。

回火后的硬度在58—60HRC为宜。

（3）在电火花线切割加工前，必须将工件被加工区热处理后的残物和氧化物清理干净。

因为这些残存氧化物不导电，会导致断丝，烧丝或是工件表面出现深痕，严重时会使电极丝离开加工轨迹，造成工件报废。

第一章现代数控线切割运丝系统的设计方向和整个系统的材料选择

§1.1现代数控线切割运丝系统的设计方向

高速走丝电火花线切割加工以其应用领域广泛,加工精度高,效率高等特点,在我国制模

具造业中占有正要地位,但是在高速走丝电火花线切割加工中震动是一个非常棘手的问题.由

于高速走丝电火花线切割机受加工机理和制造成本的局限,近年来也做过不少改进,但对加工

质量的提高并不显著,目前加工精度一般在0.02mm左右.究其原因,一个重要方面是没有按金属加工的一般原则将粗精加工分开进行,即未采用多次切割技术.因此中国机械工程学会电加工分会早在1998年5月召开的高速走丝电火花线切割机的不断发展策略研讨会上,就明确提

出多次切割是高速走丝电火花线切割加工,技术发展的一个重要方向,随后国内电加工界开始深入研究在高速走丝电火花线切割机上实施多次切割的方法.但至今已有多年,有多种切割功

能的高速走丝电火花线切割机床产品没有商品化,这说明多次切割技术没有解决根本问题。

在高速走丝线切割加工中来说，保持电极丝状态的相对稳定，就好像保持金属切削机床刀具状态稳定一样，这将直接决定加工质量的好坏。

从目前的状况来看，电极丝在加工区的张力变化很大，高速运行的电极丝使导轮磨损很快，丝的振动也随之加剧，直接影响了加工品质和加工的稳定性，因此应加强对运丝系统的深入研究，保证加工区电极丝运行状态的稳定，进一步提高线切割机加工精度。

保证电极丝运动状态稳定性的最主要最有效的方法就是采用恒张力控制。

但是在单贮丝筒上采用的电极丝恒张力伺服控制系统存在以下主要问题：

（1）受加工的限制，不能直接检测加工区的张力，很难保证正反转加工区的张力一致。

（2）该系统增加了导轮的数量，当电极丝高速运行时，导轮的转速能达到8000r/min左右，

导轮及轴承的磨损很快，丝的振动也随之加剧，影响放电加工时电极丝运动的稳定性。

（3）这种系统采用与电极丝直接接触来检测张力的大小，且导轮数量又多，这增加了电极丝的磨损。

同时，电极丝运行路径曲折迂回，6〜10m/s的线速度使电极丝疲劳应力加大，降低

了电极丝的使用寿命。

而且由于增加电极丝支点（悬臂导轮）的数量，也增加了电极丝的纵向振动。

因此需要研究一种新型的线切割运丝系统，来解决上述问题，以提高电极丝运行的稳定

性，来进一步提高线切割的加工精度及生产率。

下面来讨论一下高速走丝线切割机运丝机构的方案与选用

1.运丝系统的组成

新型运丝系统是采用双贮丝筒的运丝机构，同时使用电极丝恒张力伺服控制系统来实现

的，如图1所示

在图1中，由普通的交流电动机1、4来拖动贮丝筒的运转，同时增加了扭矩传感器2、

3来在线间接检测电极丝的张力，利用磁粉制动器5、6来保证电极丝的张力恒定，7、8是上下贮丝筒，9、11是上下中心导轮，10是电极丝。

2.提高电极丝运动稳定性的分析

1）机构分析

在新型运丝系统中由于采用间接的方法来检测电极丝的张力，因此机构中去掉了所有悬臂导轮，这样就减少了电极丝的直接振源，同时在加工中只有两个中心导轮起作用，因此只要提高中心导轮与贮丝筒的制造精度，采用高精度的轴承，提高它们的装配精度，提高贮丝筒的动平衡的精度，这样又减小了振动的振幅，通过以上措施就可以实现提高电极丝运动的稳定性。

2）电极丝恒张力伺服控制系统

该系统是以磁粉制动器为执行元件的电极丝恒张力伺服控制系统，是由间接张力检测器、张力控制器和磁粉制动器等部分构成，如图2所示。

其中，间接张力检测器由扭矩传感器组成，分别安装在电动机的输出轴上，如图1所示。

由它直接检测主动贮丝筒上的负载转矩大小M拉，从而间接检测电极丝上的张力大小T。

在双贮丝筒系统平稳运行状态下，被动贮丝筒的受力情况如图2所示。

在电极丝张力的

作用下产生一个使被动贮丝筒转动的力矩M拉,M阻是移动被动贮丝筒的阻力矩，主要是摩擦力产生的，是一个常量，该值要小于最细电极丝所应加的张力，这样为了保证不同电极丝在放电加工时具有一个合适的张力T,需要在贮丝筒上施加一个反向制动力矩M反。

可得被动贮丝筒上的力矩平衡方程：

M拉=M阻+M反

（1）

而M拉=TXR

（2）

根据

（1）和

（2）式可以得出，只要调节反向制动力矩M反，就能保证不同电极丝在放电加工时具有一个合适的张力To

1

张力检测器

M反

M阻

T

气

L

张力显示及

放大

—*■

-张断丝报警警

.—

||

1|-*

张力控制器

贮丝筒

电极丝

磁粉制动器

_T

M拉Rh

张力检测器反馈信号传递至张力控制器，经放大器放大后，一方面由仪表显示张力值，另一方面与设定张力值相比较，得出反向偏差值，该偏差值经运算、放大后以励磁电流的形式输出至磁粉制动器。

磁粉制动器的转子轴与贮丝筒的轴相联接，随励磁电流的变化，磁粉制动器力矩发生改变，调节电极丝的张力，即可实现电极丝的恒张力伺服控制，来进一步提高电极丝运动的稳定性。

总而言之，由此可得出该运丝系统能够减小放电加工时电极丝的振动，提高电极丝运动的稳定性。

但以上仅是初步研究，还需要在此基础上进行深入的理论分析、仿真研究与实验研究来进一步完善数控线切割机的运丝系统。

§1.2M阻对应最小张力计算

在系统工作时，要保证钼丝的最大张力产生的转矩拖动系统产生的最大拉力大于滑块的

摩擦力，下面对整个系统产生的力进行估算：

1）电动机的重量可从设计手册中查出，

m-\6.5kg

2）计算端盖的重量：

0.012m

初步选择端盖的材料为HT200

h220mm22cm0.22ml12mm1.2cmb902180mm18cm0.18m

3

v122012180475200mm

123

v2—20122400mm

2

123

v3-（8678）25160mm3

vv1v2v34752002400160472960mm3

33

mv6.84729601031033.22kg

3）计算支架的重量：

初步选择支架的材料为HT200

l120mm，h220m，b180mm

v11202201804752000mm3

123

v28621036980mm3

2

v390200（18024）2808000mm3

123

v4—202102000mm3

2

123

v5-（3520）121350mm

123

v67（348）2366mm

2

VViV2V3V4vv

4752000369802808000200013502366

1908736mm3

m3v6.81031908736109

12.9kg

4）扭矩传感器的重量计算：

扭矩传感器是标准件，所以经查资料它的重量为：

m46kg

5）制动器的重量计算：

制动器也是标准件，所以可查得它的重量：

m55kg

6）轴的重量计算：

初步选择轴的材料为45钢

v-82328.5230112257.5122-10268

22

12121

-711-69-436

222

10242167.5302510803400269.511772

3

11155mm

m6v7.6103111551090.0847kg

7）滑板质量的计算：

初步选择滑板的材料为HT40

v484203103000800mm3

m7v6.8103300080010920.4kg

8）拖动系统的总重量：

54kg

m总6.53.2212.9650.084720.454.1047kg

拖动系统的重力

Gm总g549.8529N

拖动系统的摩擦系数为0.2,所以拖动系统的总摩擦力为

FG0.2529106N

9）计算储丝筒上的转矩

选择钼丝的直径为0.18mm,可产生的张力为10N,故计算扭矩为

TFR1048480Nmm

因为小带轮与储丝筒在一根轴上，所以产生的扭矩是相等的，T仁T2

求小带轮边缘上的切向力

T480

FiF240N

R12

因是同步带传动，则大带轮上产生的力为

F3F440N

那么在大带轮上产生的力矩为

T2F3R240803200Nmm

由于大带轮与丝杠螺母是在装在同一体上的，所以，

T3T23200Nmm

那么转动螺母丝杠产生的进给力为

266.7N

因为，F5F，所以钼丝能拖动系统进行加工零件，而不至于断丝。

也就是说选择的材料是

合理的

第二章运丝机构的设计

§2.1电动机的选择

选择合适的电动机对该制动器的设计非常重要,选择电动机之前要清楚交流和直流电动机的原理及其区别:

一.分析交流电动机与直流电动机区别:

1.交流电动机分为同步电动机和异步电动机。

（1）同步电动机是一种交流电动机，它区别于另一种交流电动机——异步电动机的一个

重要特征在于它的转速n（转/分）与电流频率（赫兹）之间有着严格的关系，即n=60f/p转/分

式中p为电机的额定极对数。

所以当同步电动机的极对数和转速一定时，其感应交流电动势的频率也是一定的。

同步电动机除主要用作发电机外,还可用作电动机。

（2）异步电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现能量转换的一种交流电动机，主要作电动机用。

它与同步电动机不同，其转速和同步转速间存在一定差异（即所谓异步），这是它产生转矩的必要条件。

由于转子绕组电流是感应产生的额差，所以异步电动机也称感应电机。

异步电动机区别于其他类型电动机，在于其转速绕组不需要与其他电源连接，而任其定子电流直接取自交流电网。

它与其他电机相比，具有结构简单，制造、使用和维护方便,运行

可靠以及重量较轻、成本较低等特点。

2.直流电动机是将直流电能和机械能相互转换的旋转电机。

它可用作电动机或发电机，还可用作其他特殊的用途。

直流电动机具有：

（1）优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围宽广。

⑵过载能力大，能承受频繁的冲击负数。

（3）可实现频繁的无级的额快速起动、制动和反转。

（4）能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求等特点。

其制造成本和维护工作量一般来说虽比交流电动机的大，但交流电动机的调速性能至今

还不能与直流电动机的相比，因此直流电动机在需要宽广调速的场合和要求有