CN106607628A - 一种超声磁场辅助的电火花线切割加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声磁场辅助的电火花线切割加工方法，采用磁场，使电极丝与工件之间产生的放电通道内的电子做曲线运动，从而增加放电通道的半径，进而提高加工后的所述工件表面的光滑度；采用超声波，使得电火花线切割产生的蚀除颗粒在超声振动作用下做水平往复振动并排出，提高加工速度。本发明提供一种超声磁场辅助的电火花线切割加工装置，包括工作台、电极丝装置、脉冲电源、超声发生装置以及磁场装置。电极丝装置具有储丝筒、多个导向滚轮以及导向器；脉冲电源的负极通过导电块连接到电极丝上，正极连接到工件上；超声发生装置具有超声发生器、超声换能器、变幅杆以及工具杆；磁场装置具有对称安装于工件两侧的两个永磁体，用于提供磁场。

Description

一种超声磁场辅助的电火花线切割加工方法及装置

技术领域

本发明属于精密复合加工领域，具体涉及一种超声磁场辅助的电火花线切割加工方法及装置。

背景技术

随着科学技术的发展，微型化、精密化已成为航空航天、生物医疗器械等众多领域的发展趋势，机械零件正朝着复杂化、多样化、小型化的方向发展。TiNi-01形状记忆合金具有高延展性、高热回复性，已经被广泛应用于医疗器械上。

由于材料本身的特性，传统切削加工产生的宏观切削力对材料的加工精度有比较大的影响，需要采用特种加工来保证材料的高加工精度。目前，特种加工方法主要有电火花线切割加工、电解加工、激光加工、水刀加工等，其中，电火花线切割加工能保证较高的工件表面粗糙度和加工精度。

电火花线切割采用电极丝与工件之间的放电蚀除原理进行加工。工件加工时，电极丝作为负极，工件作为正极，电介质为去离子水，当电极丝与工件的距离小到一定程度时，介质被击穿形成瞬间放电通道，产生瞬时高温，使金属局部熔化甚至汽化而被蚀除下来。电火花线切割加工无宏观切削力，属于非接触式加工。电火花线切割加工的工件厚度通常不超过20mm，当工件厚度增大时，加工的稳定性显著 下降，断丝、短路频繁发生，严重影响的加工精度与加工效率。此外，中途重新穿丝与开机会引起工件表面烧伤，影响加工过程完整性。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供一种超声磁场辅助的电火花线切割加工方法，用具有负电位的电极丝与具有正电位的工件之间产生的电火花线切割对工件进行加工，其特征在于：采用磁场，使电极丝与工件之间产生的放电通道内的电子做曲线运动，从而增加放电通道的半径，进而提高加工后的工件表面的光滑度，采用超声波，使得电火花线切割产生的蚀除颗粒在超声振动作用下做水平往复振动并排出，提高加工速度，其中，磁场的方向与超声振动的方向垂直，并且磁场的方向和超声振动的方向分别与电极丝的进给方向垂直。

本发明提供的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工方法，还具有以下技术特征：磁场由设置在工件两侧的永磁铁提供。

本发明提供一种超声磁场辅助的电火花线切割加工装置，用电极丝与工件之间产生的电火花线切割对工件进行加工，其特征在于，包括：工作台，用于安装固定工件；电极丝装置，具有用于缠绕电极丝的储丝筒、多个带动电极丝运动的导向滚轮以及导向器；脉冲电源，该脉冲电源的负极通过导电块连接到电极丝上，正极连接工件上；超声发生装置，用于为电火花线切割产生的蚀除颗粒提供超声波，具有超声发生器、与超声发生器连接的超声换能器、安装在超声换能器上 的变幅杆以及工具杆，工具杆的一端固定于变幅杆的末端，另一端靠在电极丝上；以及磁场装置，具有对称安装于工件两侧的两个永磁体，用于提供磁场。

本发明提供的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工装置，还具有以下技术特征：其中，导向器具有上导向器与下导向器，上导向器安装于导电块与永磁体之间的电极丝上，下导向器安装于工具杆下方的电极丝上。

本发明提供的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工装置，其技术特征在于：还具有声发射传感器，安装于靠近工件的位置，用于实时收集加工时产生的声发射信号。

本发明提供的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工装置，还具有以下技术特征：其中，永磁体为铷铁硼磁瓦。

发明作用与效果

本发明提供的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工方法及装置，由于设置有永磁体提供磁场，增加了放电通道的半径，从而提高了加工后的工件表面的光滑度，提高了加工精度。超声发生装置提供超声振动，使电火花线切割产生的蚀除颗粒在超声振动作用下做水平往复振动并排出，提高加工速度。声发射传感器对声发射信号进行在线监测，可以实时掌握线切割的加工稳定性，通过及时调整机床加工参数，避免了过度放电，预防短路及断丝，缩短时间成本，提高了加工效率。

附图说明

图1是本发明的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工装置的示意图；

图2是本发明的磁场作用下电火花线切割放电通道间电子受力的物理模型；

图3是本发明的磁场作用下电火花线切割放电通道内单个电子运动轨迹图；

图4是本发明的磁场作用下电火花线切割加工的热源模型；

图5是本发明的超声作用下极间介质微元模型。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

图1是本发明的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工装置的示意图。

如图1所示，本发明的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工装置100，包括工作台、电极丝装置、脉冲电源6、超声发生装置以及磁场装置。

工作台用于安装固定工件8。工件8由专用夹具固定在工作台上，靠近工件8的位置还安装有声发射传感器7，用于实时收集加工时产生的声发射信号。

电极丝装置具有储丝筒1、多个导电滚轮3以及导向器，在本实施例中，导电滚轮3为六个。导向器具有上导向器5与下导向器10， 上导向器5安装于导电块4与永磁体9之间的电极丝2上，下导向器10安装于工具杆11处的电极丝2上。加工时，电极丝2缠绕在储丝筒1上，经由导向滚轮3带动做走丝运动，导向器固定电极丝2的运动方向，电极丝2的末端由导向夹带13固定。

脉冲电源6的正极连接到工件8上，负极连接导电块4，该导电块4固定在电极丝2上。

超声发生装置用于为电火花切割产生的蚀除颗粒提供超声波，该超声发生装置具有超声发生器15、超声换能器14、变幅杆12以及工具杆11。超声换能器14与超声发生器15连接，变幅杆12安装在超声换能器14上，工具杆11的一端固定在变幅杆12的末端，另一端靠在电极丝2上。

磁场装置具有对称安装在工件两侧的两个永磁体9，用于提供磁场。在本实施例中，永磁体9为铷铁硼磁瓦。

本发明的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工方法，在磁场和超声辅助下，用具有负电位的电极丝与具有正电位的工件之间产生的电火花线切割对工件进行加工。

磁场使电极丝与工件之间产生的放电通道内的电子做曲线运动，从而增加放电通道的半径，进而提高加工后的工件表面的光滑度。超声波使电火花线切割产生的蚀除颗粒在超声振动作用下做水平往复振动并排出，提高加工速度。其中，磁场的方向与超声振动的方向垂直，并且磁场的方向和超声振动的方向分别与电极丝的进给方向垂直。

本发明的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工方法是基于以下原理实现的：

(一)磁场辅助下单个电子的受力模型及轨迹方程

慢走丝电火花线切割是通过电极丝与工件之间的介质击穿放电来达到工件材料蚀除的，因此每一次放电在电极丝与工件之间会形成一个电场。当进一步添加匀强磁场时，介质击穿形成的电子将受到相互垂直的电场力与磁场力。

图2是本发明的磁场作用下电火花线切割放电通道间电子受力的物理模型；

如图2所示，电子在三维坐标下的受力方程如下所示：

其中，m为电子质量，e为电子电量，E、B分别为电场强度、磁感应强度。x,y,z为坐标位移分量，v为电子的电离速度。为单位矢量。进一步计算得出电子的运动轨迹方程：

其中，t为电子在电离开始后的运动时间。

(二)磁场辅助下的电子移动路径

图3是直角坐标系内单个电子的运动轨迹。

如图3所示，电子在初始位置时，θ＝π；电子到达阳极表面时，θ＝π+α。电子走过的路径长度如下：

其中，l_plasma为电子走过的路径长度，B为磁场强度，E为电场强度，m为电子的质量。

图4所示为放电通道热源模型示意图。

如图4所示，传统电火花线切割的放电间隙公式为：

其中，k_u、k_r、S_m、均为常数，W_m为单个脉冲能量，其可以简化为：

其中，u_c为放电通道内的电压，I_WEDM为放电通道内的电流，t_on为脉冲电源控制下的脉宽值。将机床电参数带入式(1)、(3)，可以得出磁场辅助下电子移动的距离为普通电火花线切割的1.1倍，即：

拟定机床电参数如下表所示：

(三)磁场辅助下放电通道的形位尺寸

基于流注理论，随着电子运动路径的增加，工件位置的放电半径会进一步增大，根据前人对放电通道半径的研究，结合磁场辅助下的电流公式，有磁场辅助下放电通道半径公式：

其中，R_M(t)为磁场辅助电火花线切割的放电通道半径，为磁场辅助电火花线切割的放电通道电流值，为磁场作用下电子的轨迹长度，t_on为脉冲电源控制下的脉宽值。

普通电火花线切割放电通道半径公式：

其中，R(t)为传统电火花线切割的放电通道半径，为传统电火花线切割的放电通道电流值，l_plasma为磁场作用下电子的轨迹长度。

由于I_MWEDM＞I_WEDM，l_plasma＞S_WEDM，所以R_M(t)＞R(t)，即通过磁场辅助后的电火花线切割放电通道半径大于普通放电通道半径，单个脉冲放电半径增大，放电能量分散，放电过程更加稳定，工件的表面质量得到提升。

(四)超声作用下极间介质模型

图5为超声作用下极间介质微元模型。

如图5所示，超声振动通过边幅杆传递到电极丝上时，电极丝的振动方程如下：

根据超声波发生器以及变幅杆的规格，可以得出电极丝振幅A＝10μm，超声频率f＝20.45kHz

因此电极丝和工件之间的加工间隙随着时间的变化而变化，如下公式所示：

其中，S为不添加超声作用时的加工间隙。因此，在靠近电极丝的地方，切削液由三个速度叠加而成：1，在喷流压力、重力作用下的竖直向下运动；2，在电极丝的带动下向下做牛顿流体运动；3，在超声作用下做水平往复振动。此时，速度3以及其产生的加速度如下所示：

在固体(电极丝)与液体(去离子水)耦合处，会有加速度能量损失，因此乘上损失系数η，得出：

普通电火花线切割中，加工间隙内的流体只做竖直定向流动，属于层流流动状态。放电凹坑内的蚀除颗粒由于切削液的压力损失而不易被排出。放电通道内的切削液在超声作用下作水平往复振动，蚀除颗粒在竖直、水平两个运动自由度的影响下，更容易被排出，避免了由于颗粒聚集而造成的机床短路以及断丝，加工效率得以提升。

实施例作用与效果

本发明提供的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工方法及装置，由于设置有永磁体提供磁场，增加了放电通道的半径，从而提高了加工后的工件表面的光滑度，提高了加工精度。超声发生装置提供超声振动，使电火花线切割产生的蚀除颗粒在超声振动作用下做水平往复振动并排出，提高加工速度。声发射传感器对声发射信号进行在线监测，可以实时掌握线切割的加工稳定性，通过及时调整机床加工参数，避免了过度放电，预防短路及断丝，缩短时间成本，提高了加工效率。

Claims (6)

1.一种超声磁场辅助的电火花线切割加工方法，用具有负电位的电极丝与具有正电位的工件之间产生的电火花线切割对所述工件进行加工，其特征在于：

采用磁场，使所述电极丝与所述工件之间产生的放电通道内的电子做曲线运动，从而增加所述放电通道的半径，进而提高加工后的所述工件表面的光滑度，

采用超声波，使得所述电火花线切割产生的蚀除颗粒在超声振动作用下做水平往复振动并排出，提高加工速度，

其中，所述磁场的方向与所述超声振动的方向垂直，并且所述磁场的方向和所述超声振动的方向分别与所述电极丝的进给方向垂直。

2.根据权利要求1所述的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工方法，其特征在于：

所述磁场由设置在所述工件两侧的永磁铁提供。

3.一种超声磁场辅助的电火花线切割加工装置，用电极丝与工件之间产生的电火花线切割对所述工件进行加工，其特征在于，包括：

工作台，用于安装固定所述工件；

电极丝装置，具有用于缠绕所述电极丝的储丝筒、多个带动所述电极丝运动的导向滚轮以及导向器；

脉冲电源，该脉冲电源的负极通过导电块连接到所述电极丝上，正极连接到所述工件上；

超声发生装置，用于为所述电火花线切割产生的蚀除颗粒提供超声波，具有超声发生器、与所述超声发生器连接的超声换能器、安装在所述超声换能器上的变幅杆以及工具杆，所述工具杆的一端固定于所述变幅杆的末端，另一端靠在电极丝上；以及

磁场装置，具有对称安装于所述工件两侧的两个永磁体，用于提供磁场。

4.根据权利要求3所述的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工装置，其特征在于：

其中，所述导向器具有上导向器与下导向器，

所述上导向器安装于所述导电块与所述永磁体之间的所述电极丝上，所述下导向器安装于所述工具杆处的所述电极丝上。

5.根据权利要求3所述的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工装置，其特征在于，还具有：

声发射传感器，安装于靠近所述工件的位置，用于实时收集加工时产生的声发射信号。

6.根据权利要求3所述的一种超声磁场辅助的电火花线切割加工装置，其特征在于：

其中，所述永磁体为铷铁硼磁瓦。