隨著（zhe）微小零件和（hé）模具的發展, 人們對微細加工（gōng）的要求不斷提高, 單向細絲（sī）電火花（huā）線切割加工因其具有切縫窄、精度高、工件表麵粗糙度值低、無切削力、不受材料硬度限製等（děng）優點, 正被越來越多的用戶選用。通（tōng）常, 當（dāng）電火花單向走絲加工采用的電極絲直徑小於0. 07 mm 時, 可被認為是細絲切割。目前, 國外已有采用直（zhí）徑0. 02 mm 電極絲（sī）的單向（xiàng）走絲電火花線切割機床。 

      采用微細絲進行微精加工時, 放電能量（liàng）非（fēi）常微弱, 加工間隙很小,運絲速度和張力的細微變化都會引起絲（sī）位移或（huò）振動, 導（dǎo）致加（jiā）工表（biǎo）麵的品質惡化, 甚至會造成明顯（xiǎn）的條紋。微細電極絲所能承受的張力有限, 對運絲係統的性能（néng）要求遠高於常規低速走絲電火花線切割機床。隨著電極絲直徑與放電能量的大幅減小, 放電過程及其（qí）作用機理都發生了本質的變化, 加工（gōng）過程的（de）穩定（dìng）性和質量對於微細電極絲張力與絲速的變化等變得（dé）異常敏感。要實現高性能的精密微細加工, 首先就必須研究微細絲單向走絲線切割機床的張力係統。

      1   典型單向走絲（sī）電（diàn）火花線切割機床運絲張力係統簡析

      目前單向走絲電火花線切割機（jī）床運絲張力係統主（zhǔ）要有以下兩種方（fāng）式:

         ( 1) 常規單向走絲電（diàn）火花線（xiàn）切割運絲係統( 圖1) 。電極絲由速度輪牽引（yǐn）移動, 並由速度電機控製速度, 電極絲張力由（yóu）另一個張力輪實現。張（zhāng）力電機可為磁粉製動器, 也（yě）可為力矩電機等。前者（zhě）是通過調節阻尼大小來實現的, 類似於水平拖動（dòng）物體移動;後者是通過力矩（jǔ）電機的反向（xiàng）扭矩大小來（lái）完成張力調 

節的（de）, 類似於（yú）向上提升物體。其優點是: 結構簡單、成本低, 缺點是由於電極（jí）絲筒排絲（sī）不均（jun1）勻, 進入張力輪之前的電極（jí）絲的張力波擾（rǎo）動較大, 影響了運絲張力係統的（de）控製精（jīng）度（dù）和穩（wěn）定性。

        ( 2) 如圖（tú）2 所示, 在圖1 方案的基礎上, 在運絲張力係統前增加了一套重錘機構, 即係（xì）統有二次（cì）張力控製, 其目的（de）是（shì）為了將因電極絲筒排絲不均勻而產生的張力波動隔離掉, 進而提高進入加工區的張力穩定性。放（fàng）絲電機將電極絲（sī）從電（diàn）極絲筒中（zhōng）拉出,旋轉速度由重錘的高（gāo）低擺動位（wèi）置來確定。當重錘升高時, 控製放絲電機轉速加快; 下降（jiàng）時, 控製（zhì）放絲電機轉速減小。由此, 當重錘慣量設計得足夠小時, 第二次的張力變得基本恒定, 約為重錘重量的1/2。

      上述兩個方案的運絲張力係統存（cún）在的問題是（shì）:

      (1) 由於張力輪或張力壓輪有變（biàn）形能量的損耗, 再（zài）加上眾多輪係摩擦力矩等因（yīn）素, 其初（chū）始張力( 也稱係統張力, 即張力（lì）電機設定為零時測出的電極絲運絲張力) 要（yào）達到2 N 左右, 且是不可控（kòng）的。對於直徑0. 15~ 0. 3 mm 的普（pǔ）通電極絲（sī）, 加工張（zhāng）力一般（bān）設定在10 N 左右, 初始張力在其中隻占了1/5 左右, 其變化量基本可以接受。而對於細絲切割而言,由於放電能量小（xiǎo）, 放電間隙也很小, 單個um 甚（shèn）至（zhì）更小振幅的振動都有可能導致（zhì）放電火花的不連續, 產生（shēng）加工條紋。所以運絲係統張力的波動必須嚴格控製。另外, 因電極絲直徑細、抗拉強度低, 加工張力（lì）一般隻（zhī）能設定小於（yú）等於 3N, 幾乎和初始張（zhāng）力相當, 張力變得無法調節。

      ( 2) 張力執行機元件( 如（rú）磁粉（fěn）製動器或力矩電機、驅動電路等) 受溫度、濕度、幹擾等自身質量和環境因素的（de）影響, 扭矩（jǔ）的輸出是非線性的, 也（yě）是（shì）不穩定的。

      因而這兩種方案不被細絲切割運絲張力係統所選用。

      2   微細絲單向走絲電火花線切割機床運絲（sī）張力係統研究

      2. 1 重錘機構張（zhāng）力控（kòng）製（zhì）係（xì）統

      為了克服上述運絲張（zhāng）力係（xì）統的缺點（diǎn）, 在微細絲單向走絲電火花線（xiàn）切割機床上直接選用重錘機構（gòu）來實現電極絲的張力（lì）控製( 圖3) 。該運絲張力係統的運絲原理較簡單, 其（qí）優（yōu）點（diǎn）是: 運絲（sī）係統張力隻和重錘的質量有（yǒu）關, 是重錘重量的1/2, 與係統其（qí）他元件無（wú）關; 係統（tǒng）的初（chū）始張（zhāng）力可以做得很小, 因而（ér）張力穩定性高。

      由於電極絲具有一定的彈性（xìng）模量, 故可把該運絲係統簡化成如圖4 所示的力學模型( 忽略過渡輪旋轉慣量, 並將M 回轉運（yùn）動近似看成直線運動) 。

      圖4該係統的（de）彈性剛（gāng）度K 為（wéi）:

      式中: D 為電極絲直徑; E 為電極絲（sī）彈性模量; L為電極絲在張力區內的長度之和。該係統的固有頻率w 為（wéi）:

      式中: M 為重錘質量。

        當張力運絲（sī）係統受到輪係跳動精度等周期性的

強迫振（zhèn）動, 或（huò）速度電機（jī）和放絲電機之間閉環控製可能發生的振蕩（dàng）, 重錘的（de）振動幅度也會因頻率比和（hé）阻尼比的不同（tóng）出現多種結果( 圖6) 。

 

      上述（shù）現（xiàn）象均（jun1）不利於運絲係統的（de）張力恒定（dìng）, 惡（è）化了放電（diàn）加工性能甚至會引起斷絲。

      2. 2  重錘機（jī）構（gòu）張力控（kòng）製（zhì）係統的優化

穩（wěn）定性。

        ( 2) 在重錘和電極（jí）絲之間加裝（zhuāng）一個（gè）小質量的彈簧K 1, 使其不但能補償（cháng）電極絲瞬間伸長而引起的位移量, 同時還能（néng）基本保持張力恒定（dìng）。為了防止該

      彈簧因（yīn）本身剛度帶來的振動, 設計時在其上並聯一個較小的阻尼C 1, 來吸（xī）收周期性的強迫振動（dòng）。     

      圖8 是實際研發的（de）微（wēi）細絲運絲機構圖, 走絲速度由速度輪（lún）後（hòu）麵的AC 交流伺服電機閉環控製, 由計算機控製無級（jí）變速（sù）。放絲速度快慢由放絲輪後麵的AC 交流伺服（fú）電機根據角位移傳感（gǎn）器位置的（de）變化進行閉環控製, 使（shǐ）電極絲的張緊力和運絲速（sù）度保持恒定（dìng）, 進而提高加（jiā）工過程的穩定性, 降低斷絲概率,並保持切縫寬（kuān）度的一致性。收（shōu）絲輪由軟特性電機驅動, 用（yòng）於纏繞經過加工區放電後的（de）廢銅絲。廢絲先通過排絲輪, 排絲輪在AC 電機及凸輪傳動下實現往複（fù）運動（dòng）, 使（shǐ）絲在收絲輪上較均勻排列。斷絲時, 斷絲保護開關釋放（fàng）, 數顯屏上顯（xiǎn）示斷絲報警, 電源（yuán）被切斷。

      3 實（shí）際效果

      上（shàng）述重（chóng）錘機構運絲張力係統方案已用於國（guó）家863 重大數控（kòng）專項（xiàng）科（kē）技項目" 高效、精密（mì）電加工技術與裝備"細絲切割項目中, 且效（xiào）果良好:

      ( 1) 微細齒（chǐ）輪加工( 圖9a) : 齒（chǐ）數8, 模（mó）數0. 2mm, 厚（hòu）度1 mm。

      ( 2) 噴絲板Y 孔型加工( 圖9b) : 縫寬0. 069mm; 厚度0. 5 mm。

      運絲張力係統是單向走絲電火花線切割機（jī）床的重要組成部分, 其性（xìng）能的優劣（liè）直接影響機床的加（jiā）工效率及穩定性, 特別是對（duì）工件表麵加工條紋的（de）深淺起著關鍵（jiàn）的作用, 在（zài）細絲切割上表現尤為突出（chū）。典型（xíng）的（de）二次張力控製運絲係統在普通的單（dān）向走（zǒu）絲電火花線切割機床上可得到很好的（de）應用, 但因（yīn）其初始張力較大, 不適合工作於微張力控製的微細絲單向走絲電火花線切割（gē）機床。經結構優化的重錘機（jī）構張力控製（zhì）係統, 可較（jiào）好地（dì）滿（mǎn）足（zú）微細（xì）絲單向走絲電火花線切（qiē）割（gē）機床對電極絲張力控製範圍（wéi）的要求。