Простейший тракт транспортировки проволоки включает приводной ролик с тянущим мотором, обеспечивающий перемотку с заданной постоянной скоростью независимо от натяжения, износостойкие направляющие (обычно сапфировые или алмазные), ролик натяжения, закрепленный на общей оси со специальной тормозной муфтой, а также свободно вращающиеся ролики. Проволока сматывается с катушки, расположенной в начале тракта, рабочий участок располагается между тормозной муфтой и тянущим мотором. Момент сопротивления на оси тормозной муфты регулируется изменением силы тока через ее обмотку. Кроме этого, необходим датчик обрыва проволоки, который часто реализуется с помощью измерителя скорости проволоки, обычно импульсного углового датчика на оси тормозной муфты. Чтобы проволока не проскальзывала на тянущем и тормозном роликах, используются различные методы: для поверхности ролика выбирается износостойкий материал с большим коэффициентом трения (полиуретан, резина, отпескоструенный твердый сплав или закаленная сталь), форма поверхности делается в виде канавки (обычно пара сложенных колец), используется прижим с помощью пружин и специальных роликов.
Основным недостатком такого тракта является нестабильность натяжения, т.к. переменное усилие разматывания катушки добавляется на рабочем участке к усилию, задаваемому тормозной муфтой. Нестабильность усилия размотки обусловлена зависимостью от массы катушки и угла схода проволоки, а также рывками из-за неидеальной намотки. Сделать это усилие пренебрежимо малым за счет использования подшипников нельзя, т.к. при обрыве проволоки катушка по инерции может вращаться так долго, что образуется недопустимо большая слабина. Поэтому обычно принимаются специальные меры по регулированию момента трения оси катушки, несмотря на которые хорошая стабильность натяжения получается только при сравнительно небольших катушках – не более 3..5 кг. В старых отечественных станках применялась еще более простая конструкция: в качестве тормозной муфты использовался электромотор в заторможенном режиме на общей с катушкой оси. Однако, при фиксированном моменте сопротивления сила натяжения по мере убывания диаметра намотки будет увеличиваться; зависимость натяжения от диаметра намотки – существенный недостаток, и такое построение в современных станках не применяется.
Для решения этой проблемы ставится дополнительный мотор размотки катушки – на ее оси или на оси специального ролика; мотор управляется так, что поддерживается постоянное небольшое натяжение на участке от разматывающего ролика (или катушки) до тормозной муфты, измеряемое специальным датчиком. Датчик обычно представляет собой «плавающий» ролик, висящий на проволочной петле; сигнал управления пропорционален высоте положения ролика, а сила натяжения равна половине веса ролика вместе с элементами крепления, т.к. его поддерживают два участка проволоки. При увеличении натяжения ролик поднимается, сигнал управления увеличивается, заставляя разматывающий мотор вращаться быстрее, что приводит к уменьшению натяжения и опусканию ролика – это простая следящая система. Такая конструкция тракта в принципе позволяет отказаться от тормозной муфты, а силу натяжения регулировать с помощью различных грузов, навешиваемых на плавающий ролик; однако, удешевление конструкции приводит к невозможности программного регулирования натяжения.
Отработанная проволока обычно либо просто сбрасывается в специальный бункер, либо предварительно деформируется или измельчается (рубится). В старых моделях станков применялась намотка отработанной проволоки на специальную катушку, в простейшем виде закрепленную на валу тянущего мотора; это предоставляет возможность повторного использования проволоки, но требует создания специального механизма укладки. Установка приемной катушки на валу тянущего мотора сопряжена с изменением скорости проволоки из-за постепенного увеличения диаметра катушки за счет намотки, а также с возможной неравномерностью при неплотной укладке, а использование специального мотора подмотки явно усложняет тракт (помимо всего нужен еще один датчик обрыва на этом участке). В современных станках производительность (и износ проволоки) намного выше, чем в старых, поэтому повторное использование признано нецелесообразным, вместо этого повышено внимание к утилизации использованной проволоки, а приемные катушки не применяются.
При эрозии происходит местное вскипание воды, и газовый пузырь стремится подниматься вверх, унося с собой часть продуктов эрозии; с этой точки зрения представляется выгодным, чтобы проволока на рабочем участке двигалась снизу вверх, помогая этому процессу. Однако, заправлять проволоку в закрытые направляющие при этом практически невозможно, поэтому в современных станках проволока на рабочем участке движется сверху вниз. В старых моделях с открытыми направляющими альтернативное направление перемотки иногда применялось; были также станки, где реализованы обе возможности.
Во многих современных станках присутствуют механизмы автоматической заправки проволоки; при переходе к новому контуру резания необходим механизм обрезки проволоки, а после обрыва или неудачной попытки заправки – вытягивания конца проволоки из зазора, т.к. удаление обрезанного конца еще более затруднительно, а если обрезанный кусок оставить в зазоре, он будет причиной коротких замыканий, дезорганизующих резание. Вытягивание требует реверсирования движения проволоки, а также средств, определяющих готовность и успешность окончания операции; реверсирование также желательно для выбора слабины, которая может возникнуть при перемещениях элементов тракта проволоки относительно друг друга, когда проволока не заправлена и не может перематываться. Для выполнения подмотки необходимо обратное вращения катушки с проволокой, т.е. ее ось так или иначе должна быть связана с мотором, что не обязательно без подмотки: разматываться катушка может и за счет натяжения проволоки.
Для транспортировки проволоки при автозаправке на различных участках тракта используются такие способы и устройства, как пары кольцевых лент, трубки, струи воды и сжатого воздуха и др. При этом предъявляются особые требования к механическим свойствам проволоки: она должна быть достаточно жесткой, но не закручиваться в спираль. Применение лент – очень гибкое и универсальное средство, позволяющее легко изменять направление (по крайней мере, в одной плоскости) и перемещать проволоку до нескольких метров; однако, требуются пружинные механизмы натяга, а ленты довольно быстро изнашиваются.
Диаметр роликов (как активных, так и пассивных) должен быть не слишком мал, чтобы проволока меньше деформировалась; увеличение диаметра ролика также уменьшает скорость вращения и износ подшипников. Обычно используемые диаметры – 30..100 мм.
Полезная мощность тянущего мотора, равная произведению линейной скорости проволоки и силы натяжения, незначительна: для скорости 15 м/мин (0.25 м/сек) и натяге 1.5 кГ (15Н) мощность меньше 4 Вт. При таких параметрах перемотки и диаметре тянущего ролика 50 мм максимальная скорость вращения не превышает 1..2 об/сек, но требуется сравнительно большой вращающий момент – порядка 0.4 Н∙м. Очевидно, при таких требованиях нужен редуктор с коэффициентом передачи в несколько десятков; увеличение редукции влечет повышение скорости вращения и, соответственно, износ мотора, а уменьшение ужесточает требования к крутящему моменту на валу мотора и ухудшает стабильность скорости перемотки. Реальная мощность мотора должна быть увеличена по сравнению с полезной в несколько раз для компенсации потерь на трение в редукторе, пассивных роликах и др. и с учетом необходимого запаса для стабильности и долговечности. Главным требованием к тракту перемотки является равномерность и стабильность движения проволоки, которой препятствует изменяющееся с довольно большой скоростью усилие натяжения из-за различных факторов как механических, так и связанных с эрозионным процессом. Сглаживать эти негативные явления помогает редуктор и следящий привод, в котором параметром регулирования является скорость вращения тянущего мотора, измеряемая тахогенератором или импульсным датчиком.
Чем толще проволока, тем больше достижимая скорость резания (при достаточной мощности генератора технологического тока), поскольку выплавляемый объем пропорционален диаметру проволоки, а ее прочность – поперечному сечению, т.е. квадрату диаметра. Однако, толстая проволока требует более сильного натяжения из-за повышенной упругости и увеличивает объем продуктов эрозии, т.е. ускоряет засорение фильтров системы водоочистки; кроме того, у нее больше минимально достижимый радиус элемента контура, ограничивающий точность.
Хорошее натяжение и равномерное движение проволоки особенно важно при подчистке и проведении контактных измерений. Рывки и непрямолинейность проволоки являются основной причиной ошибок контактных измерений, что напрямую приводит к ошибкам базирования, т.е. точность изготовления детали может быть неприемлемой даже при идеально вырезанном контуре, если он неправильно расположен.
В составе тракта проволоки станков фирмы CHARMILLES было такое экзотическое устройство, как высокочастотный нагреватель, расположенный до тормозной муфты, предназначенный для снятия внутренних напряжений проволоки за счет отжига, что уменьшает ее упругость и улучшает прямолинейность на рабочем участке. Кроме этого, применяется специальное приспособление, позволяющее сделать конец проволоки постепенно утончающимся, что облегчает заправку проволоки в закрытые направляющие. Устроено это так: оператор накладывает проволоку на два выступающих круглых стержня, расположенных параллельно на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга, и натягивает ее; ток, генерируемый специальным источником, протекает по проволоке между стержнями и нагревает ее до высокой температуры, в результате чего она делается пластичной, вытягивается и рвется с образованием тонкой шейки, что и требуется.
Следует также заметить, что все элементы тракта, которых касается проволока, должны быть изолированы от корпуса и выдерживать напряжение в сотни вольт. Все изложенное приводит к выводу, что тракт проволоки современного электроэрозионного станка представляет весьма сложную систему, от которой существенно зависит как скорость резания, так и точность и чистота поверхности.