隨著（zhe）微小零（líng）件和模具的發展, 人們對微細加工的要求不（bú）斷提高, 單向（xiàng）細絲電火（huǒ）花線切割加工（gōng）因其具有（yǒu）切縫窄、精度高、工件表（biǎo）麵粗糙度值低（dī）、無切削力（lì）、不受材料硬度限製等（děng）優點, 正（zhèng）被越來越多（duō）的用戶選用。通常, 當（dāng）電火花單向走絲加工采用（yòng）的電（diàn）極絲直徑小於0. 07 mm 時, 可被認為是細絲（sī）切割。目前, 國外已有采用直徑0. 02 mm 電極絲的單向走絲電火花（huā）線切割機床。 

      采用微細絲進行微精加工時, 放電能量非常微弱, 加工（gōng）間（jiān）隙很小（xiǎo）,運絲速度和（hé）張力的細微（wēi）變化都會引起絲位移或振動, 導致加工表麵的品質惡化, 甚至會造成明顯（xiǎn）的條紋。微細電極絲所能承受的張（zhāng）力有限, 對運絲係（xì）統的性能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（dà）幅減小, 放電過程及其（qí）作用機（jī）理（lǐ）都發生了本質的變化, 加工（gōng）過程的穩定（dìng）性和質量對於微細電極絲張力與絲速的變（biàn）化（huà）等變得異（yì）常敏感。要實（shí）現高（gāo）性能（néng）的精（jīng）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（zǒu）絲電（diàn）火花線切割機床運（yùn）絲張力係統簡析

      目前單向走絲電（diàn）火花線切割機床運（yùn）絲張力係統主要（yào）有以下兩種方式:

         ( 1) 常規單（dān）向走絲電火花線切（qiē）割運絲係統( 圖1) 。電極絲由速度輪牽引移動, 並（bìng）由速度電機控製速度, 電極絲張力由另一個張力輪實現。張力電機（jī）可為磁粉製動器, 也可為力矩電機等（děng）。前者是通過（guò）調節阻尼大小來實現的, 類似（sì）於水平拖動（dòng）物體移動（dòng）;後者是通過力矩電（diàn）機的反向扭矩大（dà）小來完成張力調 

節的, 類似於向上提升物體（tǐ）。其優點是: 結構簡單（dān）、成本低（dī）, 缺點是由於電（diàn）極絲筒排絲不（bú）均勻（yún）, 進入張力輪之前的電極絲的張力波擾動較大, 影（yǐng）響了運絲張力係統的控製精度和穩定性。

        ( 2) 如圖2 所示（shì）, 在圖1 方案的（de）基礎上, 在運絲張力係統前增加（jiā）了一套重錘機構, 即係統有二次張力控製（zhì）, 其目的是為了將因電極絲筒（tǒng）排絲不均勻（yún）而產生（shēng）的張力波動隔離（lí）掉, 進而提高進入加工區的張（zhāng）力穩定性。放絲電機將電（diàn）極絲（sī）從電極絲筒（tǒng）中拉出,旋轉速度由重錘的高低擺（bǎi）動位置來確定。當（dāng）重錘升高時, 控製放（fàng）絲電（diàn）機轉速加快; 下（xià）降（jiàng）時, 控製放絲電機轉速減小。由此, 當重錘慣量設計得足夠小時, 第（dì）二次的張力變（biàn）得基本恒定, 約為重錘重量的1/2。

      上述（shù）兩個方案的運絲張力（lì）係統存在的（de）問題是:

      (1) 由於（yú）張力輪或張力壓輪有變形能量的損耗, 再加上眾多輪係摩擦力矩等因（yīn）素（sù）, 其初始張力( 也稱係統張力, 即張力電機（jī）設定為零（líng）時測出的電極絲運絲張力) 要達到2 N 左右, 且是不（bú）可控的（de）。對於直徑0. 15~ 0. 3 mm 的普通電極絲, 加工張力一（yī）般設定在10 N 左右, 初始張力在其中隻（zhī）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（liàng）小, 放電間隙也很小（xiǎo）, 單（dān）個um 甚至更小振幅的振動（dòng）都有可（kě）能導致放電火花的不連續, 產生加工條紋。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（kàng）拉（lā）強度低, 加工張（zhāng）力一般隻能設定小於等於 3N, 幾乎和初始（shǐ）張（zhāng）力相（xiàng）當, 張力變得無法調（diào）節。

      ( 2) 張力執行機元件( 如磁粉製動器（qì）或力矩電（diàn）機、驅動電路（lù）等) 受（shòu）溫度、濕度、幹擾等自身質量和環境因素的影響, 扭矩的輸出是非線（xiàn）性的, 也是（shì）不穩定的。

      因而這兩種方案不被細絲切割運絲張（zhāng）力係統所選用。

      2   微細絲單向走（zǒu）絲電火花線切割機床運絲張力係統研究

      2. 1 重錘機構張力控製係統

      為了克（kè）服上述運絲張力係統（tǒng）的缺點, 在微細絲單向走絲（sī）電火（huǒ）花（huā）線切割機床上直接選用（yòng）重錘機構來實現電極絲的張（zhāng）力控製( 圖3) 。該運絲張力係統的運絲原理較（jiào）簡單, 其優點是: 運絲係統張力隻和重錘的質量有關, 是重錘重量的1/2, 與係統其他元件無關; 係統的初始張力可以做得很小, 因而張力穩定性高。

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

      圖4該係統的彈性剛度K 為:

      式中: D 為電（diàn）極絲直徑; E 為電極絲彈性模量; L為電極（jí）絲在張（zhāng）力區內的長度之（zhī）和。該係統的固有頻率w 為:

      式中: M 為重錘質量。

        當張力運絲（sī）係統（tǒng）受到輪係（xì）跳動精度等周期性的

強迫振動, 或速度電機和放絲電機之間閉環控製可能發生的振蕩, 重錘的振動幅度也會因頻率比和阻（zǔ）尼比的不同出現多種結果( 圖6) 。

 

      上述現象均不利於運絲係統的（de）張力恒定, 惡（è）化（huà）了放電（diàn）加工性能甚至會引起斷絲。

      2. 2  重錘（chuí）機構張力（lì）控製係統（tǒng）的優化（huà）

穩定性。

        ( 2) 在重錘和電（diàn）極絲之間加裝一個小質量的彈簧K 1, 使（shǐ）其不（bú）但能補償電極絲瞬間伸（shēn）長而引起的位移量（liàng）, 同時還（hái）能基本保持張（zhāng）力恒定。為了防止該

      彈簧（huáng）因本（běn）身（shēn）剛度（dù）帶來的振動, 設計時在其上並聯一個較小的阻尼（ní）C 1, 來（lái）吸收（shōu）周期性的強迫（pò）振動。     

      圖8 是實際（jì）研發的微細絲運絲機構圖, 走絲速度由速度輪後麵的AC 交流伺（sì）服電機閉環控製, 由計算機控製無級變速。放（fàng）絲速度快慢由放絲輪後麵的AC 交流伺服電機（jī）根據（jù）角位移傳感器位置的變（biàn）化（huà）進行閉環控製（zhì）, 使電極絲的張緊力和運絲速度保持恒定, 進而提高加工過程（chéng）的穩定性, 降低斷絲概率,並保持切（qiē）縫寬度的一致性。收絲輪（lún）由軟特性（xìng）電機驅動（dòng）, 用於纏繞經過加工（gōng）區放（fàng）電後的廢銅（tóng）絲。廢絲先（xiān）通過排（pái）絲輪, 排絲輪在AC 電機及（jí）凸輪（lún）傳動（dòng）下實現往複運動, 使絲在收絲輪上較均勻排列（liè）。斷絲時, 斷絲（sī）保護開關（guān）釋放, 數顯（xiǎn）屏上（shàng）顯示斷絲報警, 電源被切斷。

      3 實際效果

      上述重錘機構（gòu）運絲張力係統方案已用於（yú）國家863 重大數控專項科（kē）技項目" 高效、精密電加工技術與裝備"細絲切割項目中（zhōng）, 且效果（guǒ）良好:

      ( 1) 微細齒輪加工( 圖9a) : 齒數8, 模數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（huǒ）花線切（qiē）割機床的重要組成部（bù）分, 其性能的優劣直（zhí）接影響（xiǎng）機床的加（jiā）工效（xiào）率（lǜ）及穩定性, 特別是對工件表麵加工條紋的深（shēn）淺起著關鍵的作用, 在細絲切割上表現尤為突出。典型（xíng）的二次張力控（kòng）製運絲（sī）係統在普通（tōng）的單（dān）向走絲電火花線切割（gē）機床上可得到很好的應用, 但因其初始張力較大, 不適合工作於微張力（lì）控製的微細絲（sī）單向走（zǒu）絲電（diàn）火花線切割機（jī）床。經結構優化的（de）重錘機構張力控製係統（tǒng）, 可較好地滿足（zú）微細絲單向走絲電火花線切割機床對電（diàn）極絲張力控製範圍（wéi）的要求。