本發(fā)明屬于精密復(fù)合加工領(lǐng)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(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微型化、精密化已成為航空航天、生物醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，機(jī)械零件正朝著復(fù)雜化、多樣化、小型化的方向發(fā)展。TiNi-01形狀記憶合金具有高延展性、高熱回復(fù)性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械上。

由于材料本身的特性，傳統(tǒng)切削加工產(chǎn)生的宏觀切削力對材料的加工精度有比較大的影響，需要采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、激光加工、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。

電火花線切割采用電極絲與工件之間的放電蝕除原理進(jìn)行加工。工件加工時，電極絲作為負(fù)極，工件作為正極，電介質(zhì)為去離子水，當(dāng)電極絲與工件的距離小到一定程度時，介質(zhì)被擊穿形成瞬間放電通道，產(chǎn)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，屬于非接觸式加工。電火花線切割加工的工件厚度通常不超過20mm，當(dāng)工件厚度增大時，加工的穩(wěn)定性顯著 下降，斷絲、短路頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響的加工精度與加工效率。此外，中途重新穿絲與開機(jī)會引起工件表面燒傷，影響加工過程完整性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

本發(fā)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(fù)電位的電極絲與具有正電位的工件之間產(chǎn)生的電火花線切割對工件進(jìn)行加工，其特征在于：采用磁場，使電極絲與工件之間產(chǎn)生的放電通道內(nèi)的電子做曲線運動，從而增加放電通道的半徑，進(jìn)而提高加工后的工件表面的光滑度，采用超聲波，使得電火花線切割產(chǎn)生的蝕除顆粒在超聲振動作用下做水平往復(fù)振動并排出，提高加工速度，其中，磁場的方向與超聲振動的方向垂直，并且磁場的方向和超聲振動的方向分別與電極絲的進(jìn)給方向垂直。

本發(fā)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(shù)特征：磁場由設(shè)置在工件兩側(cè)的永磁鐵提供。

本發(fā)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(chǎn)生的電火花線切割對工件進(jìn)行加工，其特征在于，包括：工作臺，用于安裝固定工件；電極絲裝置，具有用于纏繞電極絲的儲絲筒、多個帶動電極絲運動的導(dǎo)向滾輪以及導(dǎo)向器；脈沖電源，該脈沖電源的負(fù)極通過導(dǎo)電塊連接到電極絲上，正極連接工件上；超聲發(fā)生裝置，用于為電火花線切割產(chǎn)生的蝕除顆粒提供超聲波，具有超聲發(fā)生器、與超聲發(fā)生器連接的超聲換能器、安裝在超聲換能器上 的變幅桿以及工具桿，工具桿的一端固定于變幅桿的末端，另一端靠在電極絲上；以及磁場裝置，具有對稱安裝于工件兩側(cè)的兩個永磁體，用于提供磁場。

本發(fā)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(shù)特征：其中，導(dǎo)向器具有上導(dǎo)向器與下導(dǎo)向器，上導(dǎo)向器安裝于導(dǎo)電塊與永磁體之間的電極絲上，下導(dǎo)向器安裝于工具桿下方的電極絲上。

本發(fā)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(shù)特征在于：還具有聲發(fā)射傳感器，安裝于靠近工件的位置，用于實時收集加工時產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。

本發(fā)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(shù)特征：其中，永磁體為銣鐵硼磁瓦。

發(fā)明作用與效果

本發(fā)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，由于設(shè)置有永磁體提供磁場，增加了放電通道的半徑，從而提高了加工后的工件表面的光滑度，提高了加工精度。超聲發(fā)生裝置提供超聲振動，使電火花線切割產(chǎn)生的蝕除顆粒在超聲振動作用下做水平往復(fù)振動并排出，提高加工速度。聲發(fā)射傳感器對聲發(fā)射信號進(jìn)行在線監(jiān)測，可以實時掌握線切割的加工穩(wěn)定性，通過及時調(diào)整機(jī)床加工參數(shù)，避免了過度放電，預(yù)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(fā)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(fā)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(fā)明的磁場作用下電火花線切割放電通道內(nèi)單個電子運動軌跡圖；

圖4是本發(fā)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(fā)明的超聲作用下極間介質(zhì)微元模型。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的具體實施方式。

圖1是本發(fā)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(fā)明的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工裝置100，包括工作臺、電極絲裝置、脈沖電源6、超聲發(fā)生裝置以及磁場裝置。

工作臺用于安裝固定工件8。工件8由專用夾具固定在工作臺上，靠近工件8的位置還安裝有聲發(fā)射傳感器7，用于實時收集加工時產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。

電極絲裝置具有儲絲筒1、多個導(dǎo)電滾輪3以及導(dǎo)向器，在本實施例中，導(dǎo)電滾輪3為六個。導(dǎo)向器具有上導(dǎo)向器5與下導(dǎo)向器10， 上導(dǎo)向器5安裝于導(dǎo)電塊4與永磁體9之間的電極絲2上，下導(dǎo)向器10安裝于工具桿11處的電極絲2上。加工時，電極絲2纏繞在儲絲筒1上，經(jīng)由導(dǎo)向滾輪3帶動做走絲運動，導(dǎo)向器固定電極絲2的運動方向，電極絲2的末端由導(dǎo)向夾帶13固定。

脈沖電源6的正極連接到工件8上，負(fù)極連接導(dǎo)電塊4，該導(dǎo)電塊4固定在電極絲2上。

超聲發(fā)生裝置用于為電火花切割產(chǎn)生的蝕除顆粒提供超聲波，該超聲發(fā)生裝置具有超聲發(fā)生器15、超聲換能器14、變幅桿12以及工具桿11。超聲換能器14與超聲發(fā)生器15連接，變幅桿12安裝在超聲換能器14上，工具桿11的一端固定在變幅桿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(cè)的兩個永磁體9，用于提供磁場。在本實施例中，永磁體9為銣鐵硼磁瓦。

本發(fā)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(fù)電位的電極絲與具有正電位的工件之間產(chǎn)生的電火花線切割對工件進(jìn)行加工。

磁場使電極絲與工件之間產(chǎn)生的放電通道內(nèi)的電子做曲線運動，從而增加放電通道的半徑，進(jìn)而提高加工后的工件表面的光滑度。超聲波使電火花線切割產(chǎn)生的蝕除顆粒在超聲振動作用下做水平往復(fù)振動并排出，提高加工速度。其中，磁場的方向與超聲振動的方向垂直，并且磁場的方向和超聲振動的方向分別與電極絲的進(jìn)給方向垂直。

本發(fā)明的一種超聲磁場輔助的電火花線切割加工方法是基于以下原理實現(xiàn)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(zhì)擊穿放電來達(dá)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(dāng)進(jìn)一步添加勻強(qiáng)磁場時，介質(zhì)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(fā)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(biāo)下的受力方程如下所示：

其中，m為電子質(zhì)量，e為電子電量，E、B分別為電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度。x,y,z為坐標(biāo)位移分量，v為電子的電離速度。為單位矢量。進(jìn)一步計算得出電子的運動軌跡方程：

其中，t為電子在電離開始后的運動時間。

(二)磁場輔助下的電子移動路徑

圖3是直角坐標(biāo)系內(nèi)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(dá)陽極表面時，θ＝π+α。電子走過的路徑長度如下：

其中，l_plasma為電子走過的路徑長度，B為磁場強(qiáng)度，E為電場強(qiáng)度，m為電子的質(zhì)量。

圖4所示為放電通道熱源模型示意圖。

如圖4所示，傳統(tǒng)電火花線切割的放電間隙公式為：

其中，k_u、k_r、S_m、均為常數(shù)，W_m為單個脈沖能量，其可以簡化為：

其中，u_c為放電通道內(nèi)的電壓，I_WEDM為放電通道內(nèi)的電流，t_on為脈沖電源控制下的脈寬值。將機(jī)床電參數(shù)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：

擬定機(jī)床電參數(shù)如下表所示：

(三)磁場輔助下放電通道的形位尺寸

基于流注理論，隨著電子運動路徑的增加，工件位置的放電半徑會進(jìn)一步增大，根據(jù)前人對放電通道半徑的研究，結(jié)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，R_M(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，t_on為脈沖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(tǒng)電火花線切割的放電通道半徑，為傳統(tǒng)電火花線切割的放電通道電流值，l_plasma為磁場作用下電子的軌跡長度。

由于I_MWEDM＞I_WEDM，l_plasma＞S_WEDM，所以R_M(t)＞R(t)，即通過磁場輔助后的電火花線切割放電通道半徑大于普通放電通道半徑，單個脈沖放電半徑增大，放電能量分散，放電過程更加穩(wěn)定，工件的表面質(zhì)量得到提升。

(四)超聲作用下極間介質(zhì)模型

圖5為超聲作用下極間介質(zhì)微元模型。

如圖5所示，超聲振動通過邊幅桿傳遞到電極絲上時，電極絲的振動方程如下：

根據(jù)超聲波發(fā)生器以及變幅桿的規(guī)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(fù)振動。此時，速度3以及其產(chǎn)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，因此乘上損失系數(shù)η，得出：

普通電火花線切割中，加工間隙內(nèi)的流體只做豎直定向流動，屬于層流流動狀態(tài)。放電凹坑內(nèi)的蝕除顆粒由于切削液的壓力損失而不易被排出。放電通道內(nèi)的切削液在超聲作用下作水平往復(fù)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，避免了由于顆粒聚集而造成的機(jī)床短路以及斷絲，加工效率得以提升。

實施例作用與效果

本發(fā)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，由于設(shè)置有永磁體提供磁場，增加了放電通道的半徑，從而提高了加工后的工件表面的光滑度，提高了加工精度。超聲發(fā)生裝置提供超聲振動，使電火花線切割產(chǎn)生的蝕除顆粒在超聲振動作用下做水平往復(fù)振動并排出，提高加工速度。聲發(fā)射傳感器對聲發(fā)射信號進(jìn)行在線監(jiān)測，可以實時掌握線切割的加工穩(wěn)定性，通過及時調(diào)整機(jī)床加工參數(shù)，避免了過度放電，預(yù)防短路及斷絲，縮短時間成本，提高了加工效率。