我国独有的高速走丝电火花线切割机床(WEDM-HS)长期以来存在着高效率低精度问题,使得加工指标仍徘徊在较低水平,难以与国外慢走丝机床相抗衡。多次切割技术被证明是提高WEDM-HS加工精度及表面质量的一种有效途径。为了实现多次切割,除子机床本身精度要求外,还要求运丝系统必须保证电极丝空间形位的稳定。
    本文针对多次切割电极丝的动态特性和空间形位稳定方法进行了深入系统的研究,建立了多次切割电极丝非线性流回耦合振动模型,通过仿真和试验研究,分析了多种因素对电极丝动态特性的影响,并探讨了基于磁流变双储丝筒和变射流的电极丝形位稳定方法以及装置,为实现WEDM-HS:急定多次切割提供了技术基础和有效途径。
    论文的主要研究工作包括：
    1.通过对高速多次线切割加工特点的分析,研究了因多次切割电极丝单边放电而导致其偏置对切缝流道摩擦系数的影响,并通过定义一个平均摩擦系数,将狭窄的切缝流道转换成同心环形流道。根据Einstein两相流体粘度理论,研究发现随着极间废屑粒子容积浓度CV的增加两相流摩擦阻力系数Cf逐渐减小,当CV,超过门槛值后,Cf却慢慢增大。在正常加工参数下,当废屑粒子密度Pe=8.7x1O3Kg•m-3时,其门槛值GV=0.2；当废屑粒子密度Pe＝11.34x103Kg•m-3时,其门槛值CV=0.225。由此提出了一定浓度废屑粒子有利于电极丝稳定观点。并在层流区域条件下,推导出切缝中工作液剪切流速Ut和压差流流速Up的表达式。为深入分析“电极丝-切缝-工作液-废屑粒子”复杂耦合系统和正确预测电极丝的动态响应提供依据。
    2.针对高速走丝电火花多次线切割电极丝空间形位不稳定这一技术瓶颈,本文着先将电极丝简化成中心线可以伸长的两端固定的简支弦线,通过分析其微单元上的受力情况,建立了多次切割电极丝的力学模型。通过添加由于电极丝沿着中心线变形伸长而产生的附加轴向力TG,根据力平衡方程,建立了多次切割电极丝在切缝工作液中的流固耦合非线性平面振动模型。运用M.P.Paidoussis等人于2005年用Hamilton原理建立的轴向流中两端简支圆柱体振动模型验证了本文通过Newton第二定律建立的多次切割电极丝振动模型的合理性。
    3.对模型进行无量纲化,离散化处理,运用四阶Runge-Kutta法对电极丝动态特性进行数值仿真。在此基础上，深入研究了放电腐蚀废屑粒子容积浓度GV、电极丝张紧力T0、脉冲放电合力FE(t)、走丝速度V0和多参数对电极丝振动偏移量s的影响；以及电极丝跨度L,电极丝张紧力T0、高频脉冲放电和导轮偏心等因素对电极丝振动频率的影响。并通过搭建高速摄像试验系统,在HALCON软件里设计匹配的图像处理算法,对高速多次切割电极丝动态特性进行试验研究。试验结果显示：使用直径为0.20mm跨度为100mm的钼丝加工20mmm厚度的Cr12MoV工件时；电极丝的的一阶、二阶和三阶频率分别为820Hz,1489Hz和2425Hz。并且煤油工作液对电极丝的振动抑制显著。放电加工工况下,电极丝的偏移量为3.2μmm左右。并且换向冲击对电极丝的振幅影响很大,最大振幅为±50μm左右。
    4.由于电极丝形位对张紧力变化敏感度大,所以论文分别从运丝系统摩擦力角度,分析了导轮和储丝筒对放电区张紧力影响；从电极丝的应变能角度,分析了由电极丝蠕变松弛而导致的张紧力变化,并且讨论了走丝速度和切割时间对电极丝应变能的影响。通过对目前高速多次切割运丝系统张紧力控制系统研究,发现往复走丝而导致的张紧力突变是电极丝形位变化异常,工件容易产生往返条纹的主要原因。因此,本文结合磁流变液特性,建立了基于磁流变双储丝筒的张紧力控制系统数学模型,在研究电极丝速度和励磁电流对张紧力变化规律的基础上,提出了基于磁流变双储丝筒电极丝形位稳定技术。
    5.建立了多次切割电极丝表面平均热流密度模型,对切缝流道中热交换情况进行深入的分析,并借助FLUENT软件,研究了切缝入口工作液压力对切缝流场和电极丝温度场的影响。研究结果表明,当入口压力从0.15MPa增大到0.25MPa时,电极丝横截面高于再结晶温度区域从1.02×10-3mm2减小到0.89×10-3mm2,同时温度梯度影响区域也随入口压力增大而减小。仿真分析发现放电间隙流场中存在工作液流速为零的区域,并且这个区域随着切缝流道入口压力增大而减小。
    在此基础上,提出了基于变射流的多次切割供液技术方法,从而实现抑制电极丝振动,减小水跃现象对其扰动,增加切缝工作液流量,加速废屑粒子排除,降低电极丝温度,达到进一步稳定电极丝形位目的。