HS-WEDM中鉬絲振動及抑制方法研究

賈婧 王利利 張海川 李林喜

基金項目：內蒙古工業大學科學研究項目（X201625）。

作者簡介：賈婧（1987-），女，講師，主要研究方向：難加工材料加工理論與技術;王利利（1974-），女，高級實驗師，主要研究方向：機器人技術（通訊作者）。

摘 要：HS-WEDM中鉬絲振動現象在實際加工過程中較為常見，振動的存在會影響工件的加工質量，使鉬絲受到沖擊甚至造成斷絲等嚴重后果，本文通過在工程訓練教學部日常實訓加工中發現的現象及積累的經驗，研究了HS-WEDM中鉬絲振動產生的原因，分析了在火花放電加工時實際參與加工的鉬絲受力情況，認為阻尼力不可忽視，并得出相應鉬絲振動方程，最后總結出抑制鉬絲振動、防止斷絲的辦法。

關鍵詞：高速走絲;鉬絲;振動;抑制方法

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.11.088

0 引言

隨著先進制造技術的發展，高速走絲電火花線切割機床（HS-WEDM）已逐漸成為制造業中重要的加工方法。電極絲振動對加工的影響很大，會引起加工誤差，使加工過程不穩定甚至造成斷絲等嚴重后果，因此研究電極絲振動及抑制振動的方法對保證機床正常加工具有重要意義。

本研究以內蒙古工業大學工程訓練教學部機械制造實習教學中心的兩臺DK7740快走絲機床為研究平臺，以鉬絲作為工作電極，研究HS-WEDM中鉬絲振動產生的原因，對電火花放電加工時的鉬絲進行受力分析，得出放電加工時鉬絲振動方程，最后找到抑制電極絲振動進而防止斷絲問題的辦法，并在實訓教學過程中予以改進和優化，推進教學工作有序開展。

1 鉬絲振動產生的原因

鉬絲在機床上快速運轉及電火花放電期間產生的振動是由多種原因共同影響而促成的，是各種高頻振動、低頻振動共同作用導致電極絲發生橫向振動（垂直于電極絲方向）、縱向（平行于電極絲方向）振動，在實際加工中主要研究橫向振動，因為它對鉬絲及機床的影響更大，鉬絲振動產生的原因主要包括以下幾方面。

1.1 作用在鉬絲上的力

根據電火花線切割原理可知，火花放電加工過程涵蓋了機械能、動能、熱能、電能、磁能等，多種能量相互轉換、傳遞與作用，因此實際參與加工的鉬絲上所受的力也很復雜，不同的力以不同的方向、不同的形式作用在鉬絲上，對鉬絲產生不同的振動頻率，多種振動發生共振即導致鉬絲產生橫向振動。

1.2 貯絲筒及鉬絲磨損

隨著電火花放電加工的持續進行，貯絲筒及高速運轉的鉬絲會發生磨損，表現為貯絲筒和鉬絲的直徑變小。理論上認為鉬絲在循環往復運動中總長度不變，而貯絲筒直徑變短導致纏繞在貯絲筒上的鉬絲長度變短，那么在上下導輪之間的實際加工的鉬絲的長度則變長、變松弛，加劇鉬絲振動。同理，鉬絲受到磨損后鉬絲的直徑也變小了，上下導輪之前的鉬絲張緊力變小，引起鉬絲振動。

1.3 鉬絲頻繁換向

高速走絲電火花線切割的一個重要特點是電極絲往復循環運動，電極絲換向動作是停止原來運動方向并立即向反方向轉動，頻繁換向會對電極絲產生慣性力，加劇電極絲振動。

1.4 電極絲的塑性變形

工程訓練教學中心實訓時主要采用的電極絲為鉬絲，在實際研究過程中發現新安裝的鉬絲在使用初期很容易發生塑性變形，似電極絲長度增加，導致上下導輪之間的電極絲所受到的張力減小從而產生振動，所以使用新絲時往往會適量增加電極絲的預緊力。

2 高速走絲火花放電加工時鉬絲受力分析

2.1 鉬絲的張力

鉬絲受到的張力存在于整個過程，在加工前需對鉬絲進行張緊，使鉬絲承受一個初始張力，所以鉬絲在空轉時自身受到張力的作用勻速運動，形成的振動為自由振動。加工時由于走絲系統沒有恒張緊裝置，緊絲位置、電極絲彈塑性變形、電極絲損耗、貯絲筒換向沖擊等都會影響張力的變化，所以鉬絲的張力并不穩定，并呈周期性變化趨勢（由于加工過程中的脈沖放電呈周期性），此時形成的振動為強迫振動。

2.2 鉬絲的放電力、磁場力等其他作用力

在實際電火花放電加工中作用在鉬絲上的力很復雜，主要包括工件對鉬絲的壓力，工件和鉬絲之間靜電場產生的電場力、磁場產生的磁場力，放電爆炸力，氣泡爆炸力，鉬絲換向的沖擊力和慣性力，乳化液產生的阻尼力等。因此，在電火花放電加工時對鉬絲進行受力分析，如圖1所示。xy平面為垂直于電極絲方向（即橫向），yz平面為平行于電極絲方向（即縱向）。在xy平面受到的作用力主要是放電力、電場力、磁場力、阻尼力、慣性力等，yz平面（縱向）受到的作用力主要為電極絲預緊、貯絲筒換向等引起的張力。

3 高速走絲電火花放電加工時鉬絲振動方程

為明確HS-WEDM中電火花放電加工過程中鉬絲振動情況，建立鉬絲振動方程。根據電火花線切割原理可知影響工件加工區域的鉬絲位置在上下導輪之間，這部分電極絲的振動情況和加工質量直接相關。所以對機床上的鉬絲系統進行簡化，忽略纏繞在貯絲筒及連接貯絲筒、導向輪之間的鉬絲振動，只將實際參與加工的上下導輪之間的鉬絲段作為研究對象，，假定該段電極絲方向不變，建立放電加工時兩個導輪之間鉬絲系統振動簡化圖，如圖2所示。圖中，F（x，t）是火花放電過程中產生的放電力（包括靜電力、電磁力、放電爆炸力和氣泡爆炸力等），R（x，t）是乳化液作用鉬絲上產生的阻尼力，x1（t）、x2（t）分別是兩個導輪的徑向跳動，x3（t）、x4（t）是線架上產生的振動，電極絲張力為T，線密度為ρ。

圖3是電火花放電加工中鉬絲的微元受力圖，即放電加工中隨機選取一段長度為dx的鉬絲，該段鉬絲受到的慣性力是：

把鉬絲所受的各個力投影到y軸上

式（3）是鉬絲的一般振動方程，等式右邊T2yx2表示鉬絲受到軸向張緊力導致的彎曲變形。在實際電火花放電加工中乳化液的阻尼力R（x，t）不可忽視，因此將阻尼力導致的阻尼橫向振動考慮其中，建立包含阻尼振動的鉬絲振動方程：

其中，ρ2yx2為鉬絲慣性力，T（t）2yx2為鉬絲受到張力后產生的彎曲變形，u2yx為乳化液的阻尼力。

4 抑制鉬絲振動的方法

抑制鉬絲振動實際是想辦法調整振動的大小至允許范圍內，或者降低振動的危害從而避免發生斷絲現象，抑制鉬絲振動的方法包括以下方面。

4.1 鉬絲振動被動抑制法

被動抑制法主要是通過實操人員的經驗和認知，通過分析影響鉬絲振動的因素，調整影響程度從而實現抑制振動的目的。

（1）提高鉬絲的固有頻率，主要通過適當增加電極絲張力、減少上下導輪的距離來實現。張力和電極絲的固有振動頻率成正比，和振動幅度成反比，因此在實際加工中可以適當增加電極絲張力或減少導輪距離，提高鉬絲固有頻率，降低鉬絲振動浮動，防止電極絲系統中其他部位產生共振。

（2）限制電極絲的振幅，可以在固定工作鉬絲的兩個導輪之間安裝限幅器，抑制鉬絲振動的幅度，防止幅度過大導致斷絲等后果。

（3）保持加工時的張力恒定，如設計電極絲恒張力控制裝置，確保振動幅度不會忽大忽小而導致振動紊亂。

（4）確保工作液正常使用，通過對電極絲受力及振動方程的研究，發現阻尼對電極絲振動有很大影響，在實訓過程中常用的工作液為乳化液，該液體有一定粘稠度且成流動狀，在電火花放電加工過程中，足夠的乳化液噴射到電極絲上，不僅起到潤滑、冷卻的作用，還使電極絲受到液體的阻礙，起到阻尼消振的作用。

（5）提高機床絲架、導輪、貯絲筒的靜剛度，保證鉬絲的高速往復運動穩定性。

（6）附加超聲振動系統，將超聲波轉換為高頻的機械振動后再作用到電極絲上，提高加工穩定性。

4.2 鉬絲振動主動抑制法

鉬絲振動主動抑制即利用傳感器等器件采集信號，將信號反饋至控制器，控制器收到信號后和預定控制進行分析，根據實際的加工狀況進行張力的調整，之后作動器對電極絲做出動作，抑制鉬絲振動。主動抑制法排除了人為因素，主要是通過控制系統分析反饋信號并實時調整動作來抑制振動。

5 結論

本文研究了HS-WEDM中鉬絲振動產生的原因，并分析了在火花放電加工時實際參與加工的鉬絲受力情況，認為阻尼力不可忽視，建立了包含阻尼力的高速走絲電火花放點加工時鉬絲的振動方程，最后總結歸納了被動抑制鉬絲振動的方法和主動抑制鉬絲振動的方法，被動抑制法不能實時自行調節參數，主要靠工作人員的經驗和認知予以調整;主動抑制法可以排除人為因素，應用傳感器、控制器等對電極絲實施參數調整從而達到抑制電極絲振動的目的。工程訓練教學部在后續實訓教學及科研實驗中將繼續開展抑制鉬絲振動方法的研究，嘗試建立電極絲振動主動控制裝置，推進教學工作及科研工作的有序開展。

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