一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工方法及裝置與流程
2023-07-25 09:07:51 1
本發明屬於精密複合加工領域，具體涉及一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工方法及裝置。
背景技術：
隨著科學技術的發展，微型化、精密化已成為航空航天、生物醫療器械等眾多領域的發展趨勢，機械零件正朝著複雜化、多樣化、小型化的方向發展。TiNi-01形狀記憶合金具有高延展性、高熱回復性，已經被廣泛應用於醫療器械上。
由於材料本身的特性，傳統切削加工產生的宏觀切削力對材料的加工精度有比較大的影響，需要採用特種加工來保證材料的高加工精度。目前，特種加工方法主要有電火花線切割加工、電解加工、雷射加工、水刀加工等，其中，電火花線切割加工能保證較高的工件表面粗糙度和加工精度。
電火花線切割採用電極絲與工件之間的放電蝕除原理進行加工。工件加工時，電極絲作為負極，工件作為正極，電介質為去離子水，當電極絲與工件的距離小到一定程度時，介質被擊穿形成瞬間放電通道，產生瞬時高溫，使金屬局部熔化甚至汽化而被蝕除下來。電火花線切割加工無宏觀切削力，屬於非接觸式加工。電火花線切割加工的工件厚度通常不超過20mm，當工件厚度增大時，加工的穩定性顯著 下降，斷絲、短路頻繁發生，嚴重影響的加工精度與加工效率。此外，中途重新穿絲與開機會引起工件表面燒傷，影響加工過程完整性。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明採用了如下技術方案：
本發明提供一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工方法，用具有負電位的電極絲與具有正電位的工件之間產生的電火花線切割對工件進行加工，其特徵在於：採用磁場，使電極絲與工件之間產生的放電通道內的電子做曲線運動，從而增加放電通道的半徑，進而提高加工後的工件表面的光滑度，採用超聲波，使得電火花線切割產生的蝕除顆粒在超聲振動作用下做水平往復振動並排出，提高加工速度，其中，磁場的方向與超聲振動的方向垂直，並且磁場的方向和超聲振動的方向分別與電極絲的進給方向垂直。
本發明提供的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工方法，還具有以下技術特徵：磁場由設置在工件兩側的永磁鐵提供。
本發明提供一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工裝置，用電極絲與工件之間產生的電火花線切割對工件進行加工，其特徵在於，包括：工作檯，用於安裝固定工件；電極絲裝置，具有用於纏繞電極絲的儲絲筒、多個帶動電極絲運動的導向滾輪以及導向器；脈衝電源，該脈衝電源的負極通過導電塊連接到電極絲上，正極連接工件上；超聲發生裝置，用於為電火花線切割產生的蝕除顆粒提供超聲波，具有超聲發生器、與超聲發生器連接的超聲換能器、安裝在超聲換能器上 的變幅杆以及工具杆，工具杆的一端固定於變幅杆的末端，另一端靠在電極絲上；以及磁場裝置，具有對稱安裝於工件兩側的兩個永磁體，用於提供磁場。
本發明提供的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工裝置，還具有以下技術特徵：其中，導向器具有上導向器與下導向器，上導向器安裝於導電塊與永磁體之間的電極絲上，下導向器安裝於工具杆下方的電極絲上。
本發明提供的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工裝置，其技術特徵在於：還具有聲發射傳感器，安裝於靠近工件的位置，用於實時收集加工時產生的聲發射信號。
本發明提供的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工裝置，還具有以下技術特徵：其中，永磁體為銣鐵硼磁瓦。
發明作用與效果
本發明提供的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工方法及裝置，由於設置有永磁體提供磁場，增加了放電通道的半徑，從而提高了加工後的工件表面的光滑度，提高了加工精度。超聲發生裝置提供超聲振動，使電火花線切割產生的蝕除顆粒在超聲振動作用下做水平往復振動並排出，提高加工速度。聲發射傳感器對聲發射信號進行在線監測，可以實時掌握線切割的加工穩定性，通過及時調整工具機加工參數，避免了過度放電，預防短路及斷絲，縮短時間成本，提高了加工效率。
附圖說明
圖1是本發明的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工裝置的示意圖；
圖2是本發明的磁場作用下電火花線切割放電通道間電子受力的物理模型；
圖3是本發明的磁場作用下電火花線切割放電通道內單個電子運動軌跡圖；
圖4是本發明的磁場作用下電火花線切割加工的熱源模型；
圖5是本發明的超聲作用下極間介質微元模型。
具體實施方式
以下結合附圖來說明本發明的具體實施方式。
圖1是本發明的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工裝置的示意圖。
如圖1所示，本發明的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工裝置100，包括工作檯、電極絲裝置、脈衝電源6、超聲發生裝置以及磁場裝置。
工作檯用於安裝固定工件8。工件8由專用夾具固定在工作檯上，靠近工件8的位置還安裝有聲發射傳感器7，用於實時收集加工時產生的聲發射信號。
電極絲裝置具有儲絲筒1、多個導電滾輪3以及導向器，在本實施例中，導電滾輪3為六個。導向器具有上導向器5與下導向器10， 上導向器5安裝於導電塊4與永磁體9之間的電極絲2上，下導向器10安裝於工具杆11處的電極絲2上。加工時，電極絲2纏繞在儲絲筒1上，經由導向滾輪3帶動做走絲運動，導向器固定電極絲2的運動方向，電極絲2的末端由導向夾帶13固定。
脈衝電源6的正極連接到工件8上，負極連接導電塊4，該導電塊4固定在電極絲2上。
超聲發生裝置用於為電火花切割產生的蝕除顆粒提供超聲波，該超聲發生裝置具有超聲發生器15、超聲換能器14、變幅杆12以及工具杆11。超聲換能器14與超聲發生器15連接，變幅杆12安裝在超聲換能器14上，工具杆11的一端固定在變幅杆12的末端，另一端靠在電極絲2上。
磁場裝置具有對稱安裝在工件兩側的兩個永磁體9，用於提供磁場。在本實施例中，永磁體9為銣鐵硼磁瓦。
本發明的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工方法，在磁場和超聲輔助下，用具有負電位的電極絲與具有正電位的工件之間產生的電火花線切割對工件進行加工。
磁場使電極絲與工件之間產生的放電通道內的電子做曲線運動，從而增加放電通道的半徑，進而提高加工後的工件表面的光滑度。超聲波使電火花線切割產生的蝕除顆粒在超聲振動作用下做水平往復振動並排出，提高加工速度。其中，磁場的方向與超聲振動的方向垂直，並且磁場的方向和超聲振動的方向分別與電極絲的進給方向垂直。
本發明的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工方法是基於以下原理實現的：
(一)磁場輔助下單個電子的受力模型及軌跡方程
慢走絲電火花線切割是通過電極絲與工件之間的介質擊穿放電來達到工件材料蝕除的，因此每一次放電在電極絲與工件之間會形成一個電場。當進一步添加勻強磁場時，介質擊穿形成的電子將受到相互垂直的電場力與磁場力。
圖2是本發明的磁場作用下電火花線切割放電通道間電子受力的物理模型；
如圖2所示，電子在三維坐標下的受力方程如下所示：
其中，m為電子質量，e為電子電量，E、B分別為電場強度、磁感應強度。x,y,z為坐標位移分量，v為電子的電離速度。為單位矢量。進一步計算得出電子的運動軌跡方程：
其中，t為電子在電離開始後的運動時間。
(二)磁場輔助下的電子移動路徑
圖3是直角坐標系內單個電子的運動軌跡。
如圖3所示，電子在初始位置時，θ＝π；電子到達陽極表面時，θ＝π+α。電子走過的路徑長度如下：
其中，lplasma為電子走過的路徑長度，B為磁場強度，E為電場強度，m為電子的質量。
圖4所示為放電通道熱源模型示意圖。
如圖4所示，傳統電火花線切割的放電間隙公式為：
其中，ku、kr、Sm、均為常數，Wm為單個脈衝能量，其可以簡化為：
其中，uc為放電通道內的電壓，IWEDM為放電通道內的電流，ton為脈衝電源控制下的脈寬值。將工具機電參數帶入式(1)、(3)，可以得出磁場輔助下電子移動的距離為普通電火花線切割的1.1倍，即：
擬定工具機電參數如下表所示：
(三)磁場輔助下放電通道的形位尺寸
基於流注理論，隨著電子運動路徑的增加，工件位置的放電半徑會進一步增大，根據前人對放電通道半徑的研究，結合磁場輔助下的電流公式，有磁場輔助下放電通道半徑公式：
其中，RM(t)為磁場輔助電火花線切割的放電通道半徑，為磁場輔助電火花線切割的放電通道電流值，為磁場作用下電子的軌跡長度，ton為脈衝電源控制下的脈寬值。
普通電火花線切割放電通道半徑公式：
其中，R(t)為傳統電火花線切割的放電通道半徑，為傳統電火花線切割的放電通道電流值，lplasma為磁場作用下電子的軌跡長度。
由於IMWEDM＞IWEDM，lplasma＞SWEDM，所以RM(t)＞R(t)，即通過磁場輔助後的電火花線切割放電通道半徑大於普通放電通道半徑，單個脈衝放電半徑增大，放電能量分散，放電過程更加穩定，工件的表面質量得到提升。
(四)超聲作用下極間介質模型
圖5為超聲作用下極間介質微元模型。
如圖5所示，超聲振動通過邊幅杆傳遞到電極絲上時，電極絲的振動方程如下：
根據超聲波發生器以及變幅杆的規格，可以得出電極絲振幅A＝10μm，超聲頻率f＝20.45kHz
因此電極絲和工件之間的加工間隙隨著時間的變化而變化，如下公式所示：
其中，S為不添加超聲作用時的加工間隙。因此，在靠近電極絲的地方，切削液由三個速度疊加而成：1，在噴流壓力、重力作用下的豎直向下運動；2，在電極絲的帶動下向下做牛頓流體運動；3，在超聲作用下做水平往復振動。此時，速度3以及其產生的加速度如下所示：
在固體(電極絲)與液體(去離子水)耦合處，會有加速度能量損失，因此乘上損失係數η，得出：
普通電火花線切割中，加工間隙內的流體只做豎直定向流動，屬於層流流動狀態。放電凹坑內的蝕除顆粒由於切削液的壓力損失而不易被排出。放電通道內的切削液在超聲作用下作水平往復振動，蝕除顆粒在豎直、水平兩個運動自由度的影響下，更容易被排出，避免了由於顆粒聚集而造成的工具機短路以及斷絲，加工效率得以提升。
實施例作用與效果
本發明提供的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工方法及裝置，由於設置有永磁體提供磁場，增加了放電通道的半徑，從而提高了加工後的工件表面的光滑度，提高了加工精度。超聲發生裝置提供超聲振動，使電火花線切割產生的蝕除顆粒在超聲振動作用下做水平往復振動並排出，提高加工速度。聲發射傳感器對聲發射信號進行在線監測，可以實時掌握線切割的加工穩定性，通過及時調整工具機加工參數，避免了過度放電，預防短路及斷絲，縮短時間成本，提高了加工效率。