CN106964857A - 一种用于电火花线切割加工的辅助方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电火花线切割加工的辅助方法及装置，其方法是在电火花线切割过程中，对工件施加同时垂直于加工方向和电极丝方向的磁场；其装置包括直流励磁电源和电磁铁；通过所施加的磁场来限制并压缩电火花线切割中的放电离子通道，产生作用于放电离子通道的洛伦兹力和作用于电极丝的洛伦兹力，以提高放电离子通道中的离子密度，加剧放电离子通道中的带电粒子的相互碰撞，增多工件表面放电接触点，起到提高材料去除率的作用；并且通过该磁场来减弱电极表面的带电粒子扰动，提高放电离子通道的稳定性和电火花线切割中的放电稳定性，以改善加工获得的工件的表面质量。

Description

一种用于电火花线切割加工的辅助方法及装置
技术领域
本发明属于特种加工的电火花线切割加工技术领域，更具体地，涉及一种用于电火花线切割加工的辅助方法及装置。
背景技术
随着现代工业的发展，对机械产品的质量要求越来越高，传统的加工方法难以满足各种超精、具有复杂表面的新材料、新结构的加工条件，需要采用特种加工方法来对这些材料或结构进行处理。特种加工的特点是非机械接触，没有宏观的切削力，而是利用非机械能(光、电、磁、热、化学等)来去除材料的加工方法。
电火花线切割加工就是利用电能加工金属材料的一种特种加工方法，利用金属电极丝在均匀走丝过程中不断的脉冲放电，从而蚀除工件材料的加工方法。电火花线切割已经广泛应用于航空、模具和汽车等各种领域，与传统加工方法相比，适用于精度要求高、表面质量好、高硬度、高强度和高熔点等传统加工方法难以加工的材料，例如钛合金、钨钢等金属材料，且在加工一些形状复杂的、具有特殊要求的工件时也具有明显的优势，加工精度高，表面质量好。
虽然电火花线切割加工精度高、得到的工件表面质量好，但为了获得好的表面质量，需要付出加工效率与制造成本的代价；而且电火花线切割加工工艺是一种剧烈的热工艺，利用放电脉冲瞬间产生的热能腐蚀一定体积的材料，导致脉冲放电点材料的熔化，蒸发与电离；不可避免的在工件表面产生一些裂纹、凹坑与重铸层，放电不稳定，当放电间隙内的残渣未被工作液有效地及时冲刷掉，会缩短放电通道，导致加工效率降低，以及工件表面质量降低。有学者提出给工件或电极丝施加振动，以提高电极丝与工件间隙之间残渣的冲刷能力，以此来提高加工效率与表面质量，这种设想实施困难，振动的频率和幅度选择不当可能还会有相反的效果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于电火花线切割加工的辅助方法及装置，其目的在于提高电火花线切割加工中的放电稳定性、提高对残渣的冲刷能力，以提高加工效率和加工质量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于电火花线切割加工的辅助方法，在电火花线切割过程中，对工件施加垂直于加工方向且垂直于电极丝方向的磁场，通过所施加的磁场来限制并压缩电火花线切割中的放电离子通道，产生作用于放电离子通道的洛伦兹力和作用于电极丝的洛伦兹力，以提高放电离子通道中的离子密度，加剧放电离子通道中的带电粒子的相互碰撞，以增多工件表面放电接触点，起到提高材料去除率的作用；并且该磁场可减弱电极表面的带电粒子扰动，提高了放电离子通道的稳定性，可改善加工表面质量。
优选地，上述的辅助方法，所述磁场为磁感应强度在1T以内的均匀磁场。
优选地，上述的辅助方法，采用磁感应强度为200mT或400mT的磁场。
为实现本发明目的，按照本发明的另一方面，提供了一种用于电火花线切割加工的辅助装置，包括直流励磁电源和电磁铁；其中，直流励磁电源用于为电磁铁提供直流电；电磁铁用于在直流电的驱动下产生均匀的磁场；
将该辅助装置用于辅助电火花线切割加工时，电磁铁产生的磁场作用于工件，磁场方向垂直于加工方向且垂直于电火花线切割机床的电极丝方向，磁场强度通过所述直流电的电流大小来调节，直流励磁电源施加给电磁铁的电流越大，磁场强度越大。
优选的，上述的辅助装置，其电磁铁的磁极间距在80mm内。
优选的，上述的辅助装置，其直流励磁电源为电磁铁提供10A以内的直流电。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
在电火花线切割加工中，聚集在机床阴、阳两极之间的加工残渣是导致非正常放电的主要原因；而当加工残渣不能被工作液及时有效地冲刷掉，在工作液的冷却作用下，加工残渣很快凝固附着在工件表面，形成一层重铸层，在这个过程中不可避免的造成工件表面裂纹；
通过本发明提供的这种用于电火花线切割加工的辅助方法及装置对工件施加垂直于电极丝且垂直于加工方向的磁场后，工件受到两个方向的洛伦兹力，结合加工中变化的电流所产生的感应磁场以及磁场力和电场力、工作液冲刷产生的液压力、火花放电时产生的爆炸力等合力，来有效去除加工剩余残渣，显著提高了对电火花线切割放电间隙内残渣的冲刷能力；
一方面，加工残渣得以快速冲刷，由于加工残渣凝固附着在工件表面形成重铸层而造成工件表面裂纹的问题得以解决；另一方面，由于加工残渣是导致非正常放电的主要原因，在冲刷残渣的能力提高之后，电火花线切割放电间隙内的残渣减少，残渣所引起的电弧放电或过渡放电这类非正常放电的比率降低，加工过程中的放电稳定性得到提高，而所施加的磁场可减弱电极表面的带电粒子扰动，提高放电离子通道的稳定性，加工过程中的稳定放电使得工件表面质量得以提高；又一方面，由于加工残渣得以快速冲刷，加工残渣在缩短放电通道方面的负面影响得以减小，具有提高加工效率的效果；并且所施加的磁场具有提高放电离子通道中的离子密度的作用，加剧了放电离子通道中的带电粒子的相互碰撞，起到了增多工件表面放电接触点的作用，可提高材料去除率，进一步提高了加工效率；
而且本发明所提供的辅助方法及装置的技术方案具有成本低、工艺简单、易于实现、效果好的优点；测试数据表明，将本发明所提供的辅助装置及方法用于电火花线切割加工，可有效提高材料去除率，并有效降低所获得工件的表面粗糙度；使电火花线切割加工的效率和工件表面质量得到明显提高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于电火花线切割加工的辅助装置结构示意图；其中，图1(a)是正视图，图1(b)是俯视图；
图2是本发明实施例提供的用于电火花线切割加工的辅助装置所采用的电磁铁的结构示意图；
图3是本发明实施例中的磁场方向示意图；
图4是本发明实施例中工件的受力方向示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-机床运丝机构、2-上导轮、3-电极丝、4-工件、5.1-第一磁极、5.2-第二磁极、6-工作台、7-夹具、8-直流励磁电源、9-线包、10-柱套、11-立轭、12-横轭、13-支座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在慢走丝电火花线切割加工机床上采用本实施例所提供的辅助装置来辅助电火花线切割加工，以达到提高加工效率和加工质量的目的；工作中，将该辅助装置固定于机床工作台6上，具体如图1所示意的，图1(a)是正视图，图1(b)是俯视图；实施例提供的这种辅助装置包括直流励磁电源8和电磁铁；直流励磁电源具有准确性高、稳定性好、且过电流过电压过温保护的特点，为电磁铁提供直流电；本实施例中，电磁铁的结构如图2所示意的，包括第一磁极5.1、第二磁极5.2、磁轭(包括立轭11和横轭12)、线包9、柱套10和支座13；通过调整第一磁极5.1与第二磁极之间的间距、以及直流励磁电源输出电流的大小可调节电磁铁所提供的磁场大小；工作时，通过电磁铁的支座13将电磁铁与机床的工作台6固定相连，电磁铁的第一磁极5.1与第二磁极5.2分别平行设于待加工工件4的两侧，电磁铁所产生的磁场方向平行于地面、垂直于电极丝3的方向且垂直于电火花线切割加工的方向。
当直流励磁电源8打开、电流流过线包内的线圈时，在第一磁极5.1与第二磁极5.2之间产生均匀磁场，将拟加工的工件4置于两磁极之间，通过辅助装置所产生的磁场来辅助电火花线切割加工；磁场的方向为垂直于电极丝方向且垂直于线切割加工的方向；
在电火花线切割中，放电离子通道提供了材料去除的必要热能，使工件材料瞬间液化、汽化；当脉冲放电结束之后，熔化材料在工件表面形成熔池；通过本发明所提供的辅助磁场来限制并压缩放电离子通道，可提高放电离子通道中的离子密度，从而加剧离子通道中的带电粒子的相互碰撞。而另一方面，磁场可以减弱电极表面的带电粒子扰动，从而提高放电离子通道的稳定性；这些特性可以增多工件表面放电接触点，进而增加电流密度，提高材料去除率，改善加工表面质量。
对于非磁性材料而言，它并不受任何磁场力作用；但是当电流通过非磁性工件材料和电极丝、且与加载磁场方向成一定角度时，会产生两种洛伦兹力，一种作用于放电离子通道，另一种作用于电极丝；所加载磁场的方向对加工结果影响非常大，图3是本发明实施例中的磁场方向示意图，磁场方向垂直于加工方向且垂直于电极丝，这样可以保证处于放电离子通道上的工件与电极丝都受到洛伦兹力作用。
当磁场作用于处于放电离子通道上的非磁性的工件时，所加载的磁场不仅可以降低不正常放电(电弧放电和过渡放电)的比率，而且可以减少正常放电波形的毛刺。
实施例中，电火花线切割加工系统的受力情况如图4所示；洛伦兹力合力可以聚集放电离子通道，提高放电离子通道中的离子密度，从而加剧离子通道中的带电粒子的相互碰撞，提高材料去除率；且洛伦兹力可以加速熔池的形成，增加熔池深度和面积(进而提高材料去除率)，提高工作液冲刷加工残渣的效率。
当然用以产生磁场的磁场发生装置不仅仅局限于实施例提供的这种辅助装置的结构，各种可以产生磁感应强度大小合适的磁场发生装置都可以满足本发明的目的，本发明所提供的辅助装置的电磁铁的两磁极间距可调，只要能满足能产生预设大小的均匀磁场，磁极间距不可调的也是完全可以实现本发明的。以下结合具体的实施例以及加工环境来进一步阐述本发明所提供的辅助装置及方法。
实施例1
加工环境：线切割机为高性能的5轴数控慢走丝电火花线切割机床，待加工的金属工件是厚度为10毫米的难加工材料Ti6Al4V；
数控慢走丝电火花线切割机床所提供的脉冲电流的脉宽22μs，电流5A；切5mm长度的切缝；所用的辅助装置的直流励磁电源具有电流过电压过温保护的功能，分辨率10mA，可提供电流0～10A、电压0～30V的直流电，输出功率300W；辅助装置的电磁铁包括磁极、磁轭(包括立轭和横轭)、线包和柱套，均由工业纯铁制成，线包间距80mm，电磁铁磁极头直径50mm，两磁极间距在80mm内可调，最大可以产生1T的磁场；
本实施例中，电磁铁的磁极间距为40mm；通过调节直流励磁电源的输出电流大小为6A使辅助装置所产生磁场的磁感应强度大小为200mT，方向同时垂直于电极丝与线切割加工方向，切割角度为垂直；电火花线切割加工系统的电极丝为0.25mm的铜丝，丝速0.15m/s，丝张力15N；工作液为去离子水，温度25℃，水压力7Kg；脉间8μs，进给速度10mm/min。
采用本实施例所提供的辅助装置和方法后，材料去除率为0.085mm3/min，所获得工件的表面粗糙度为1.184μm；而在不采用本实施例所提供的辅助装置和方法的情况下，材料去除率为0.034mm3/min，所获得工件的表面粗糙度为1.77μm；相比之下，采用本实施例所提供的辅助装置和方法使得材料去除率提高2.5倍，所获得工件的表面粗糙度下降33.1％。
实施例2
加工环境：线切割机为高性能的5轴数控慢走丝电火花线切割机床，待加工的金属工件是厚度为10毫米的难加工材料Ti6Al4V；
数控慢走丝电火花线切割机床所提供的脉冲电流的脉宽22μs，电流5A；切5mm长度的切缝；所用的辅助装置的直流励磁电源具有电流过电压过温保护的功能，分辨率10mA，可提供电流0～10A、电压0～30V的直流电，输出功率300W；辅助装置的电磁铁包括磁极、磁轭(包括立轭和横轭)、线包和柱套，均由工业纯铁制成，线包间距80mm，电磁铁磁极头直径50mm，两磁极间距在80mm内可调，最大可以产生1T的磁场；
本实施例中，电磁铁磁极间距为40mm；通过调节直流励磁电源的输出电流大小为10A使辅助装置所产生磁场的磁感应强度大小为400mT，方向同时垂直于电极丝与线切割加工方向，切割角度为垂直；电火花线切割加工系统的电极丝为0.25mm的铜丝，丝速0.15m/s，丝张力15N；工作液为去离子水，温度25℃，水压力7Kg；脉间8μs，进给速度10mm/min。
采用本实施例所提供的辅助装置和方法后，材料去除率为0.108mm3/min，所获得工件的表面粗糙度为1.3μm；而在不采用本实施例所提供的辅助装置和方法的情况下，材料去除率为0.034mm3/min，所获得工件的表面粗糙度为1.77μm；相比之下，采用本实施例所提供的辅助装置和方法使得材料去除率提高了3.2倍，所获得工件的表面粗糙度(μm)下降了26.6％。
实施例3
实施例3与实施例1的加工环境的区别在于：电磁铁磁极间距为40mm，通过调节直流励磁电源的输出电流为10A使辅助装置所产生磁场的磁感应强度大小为400mT，数控慢走丝电火花线切割机床所提供的脉冲电流的脉宽22μs，电流2A，其他均与实施例1相同。
采用本实施例所提供的辅助装置和方法后，材料去除率为0.083mm3/min，所获得工件的表面粗糙度为0.52μm；而在不采用本实施例所提供的辅助装置和方法的情况下，材料去除率为0.017mm3/min，所获得工件的表面粗糙度为0.58μm；相比之下，采用本实施例所提供的辅助装置和方法使得材料去除率提高了5倍，所获得工件的表面粗糙度下降了10.3％。
实施例4
实施例4与实施例1的加工环境的区别在于：电磁铁磁极间距为20mm，通过调节直流励磁电源的输出电流大小为5A使辅助装置所产生磁场的磁感应强度大小为400mT，数控慢走丝电火花线切割机床所提供的脉冲电流的脉宽16μs，电流5A，其他均与实施例1相同。
采用本实施例所提供的辅助装置和方法后，材料去除率为0.082mm3/min，所获得工件的表面粗糙度为1.05μm，传统的为0.058mm3/min，有效波形的比例明显提高，材料去除率提高了1.4倍；磁场辅助表面粗糙度为1.05μm，传统的为1.18μm，表面粗糙度下降了11％。
以下实施例5～8与实施例1的加工环境的区别在于脉宽与电流大小，其他均与实施例1相同；实施例9～12与实施例1的加工环境区别在于脉宽、直流励磁电源的输出电流与辅助装置所产生的磁场强度大小，实施例9与实施例10中，电磁铁的磁极间距均为60mm，直流励磁电源的输出电流大小为10A，产生约为0.2T的磁场；实施例11与实施例12中，电磁铁磁极间距为80mm，直流励磁电源的输出电流为10A，产生约为0.15T的磁场。实施例5～12的加工环境参数以及材料去除率、表面粗糙度的数据如下表1所示。
表1实施例5～12的参数列表
上述实施例数据表明，将本发明所提供的辅助装置及方法用于电火花线切割加工，可有效提高材料去除率，并有效降低所获得工件的表面粗糙度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于电火花线切割加工的辅助方法，其特征在于，在电火花线切割过程中，对工件施加垂直于加工方向且垂直于电极丝方向的磁场，通过所述磁场来限制并压缩电火花线切割中的放电离子通道，产生作用于放电离子通道的洛伦兹力和作用于电极丝的洛伦兹力，以提高放电离子通道中的离子密度，加剧放电离子通道中的带电粒子的相互碰撞，以增多工件表面放电接触点，起到提高材料去除率的作用；通过所述磁场来减弱电极表面的带电粒子扰动，提高放电离子通道的稳定性和电火花线切割中的放电稳定性，以提高工件表面质量。
2.如权利要求1所述的辅助方法，其特征在于，所述磁场为磁感应强度在1T以内的均匀磁场。
3.如权利要求1或2所述的辅助方法，其特征在于，采用磁感应强度为200mT或400mT的磁场。
4.一种用于电火花线切割加工的辅助装置，其特征在于，包括直流励磁电源和电磁铁；所述直流励磁电源用于为电磁铁提供直流电；所述电磁铁用于在直流电的驱动下产生均匀的磁场；
将所述辅助装置用于辅助电火花线切割加工时，所述磁场作用于工件，磁场方向垂直于加工方向且垂直于电火花线切割机床的电极丝方向，磁场强度通过所述直流电的电流大小来调节，电流越大，磁场强度越大。
5.如权利要求4所述的辅助装置，其特征在于，所述电磁铁的磁极间距在80mm内。
6.如权利要求4或5所述的辅助装置，其特征在于，所述直流励磁电源为电磁铁提供10A以内的直流电。
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