磁场辅助慢走丝线切割加工表面粗糙度预测方法与流程

本发明涉及一种加工技术，特别涉及一种磁场辅助慢走丝线切割加工表面粗糙度预测方法。

背景技术：

慢走丝线切割加工技术是特种加工的一种，属于精密加工的范围，慢走丝线切割加工主要利用电极丝和工件之间的放电来去除材料，所以，电火花线切割加工不受材料性能的限制，可以加工任何硬度、强度、脆性的材料，由于这些优点，慢走丝线切割加工在现代制造业中得到了广泛的应用。

对慢走丝线切割加工表面粗糙度进行预测使加工人员能够合理安排加工参数，在满足加工质量的前提下达到最大的加工效率，防止不合理的加工参数导致生产出不合格的产品，避免不必要的损失。

现有的一些慢走丝线切割加工表面粗糙度预测方法都是针对普通慢走丝线切割加工的，没有针对近年来出现的磁场辅助慢走丝线切割加工的加工表面粗糙度预测方法。为此，需要提供一种有效且具有较高预测精度的方法对磁场辅助慢走丝线切割加工表面粗糙度进行预测。

技术实现要素：

本发明是针对现在缺乏磁场辅助慢走丝线切割加工的加工表面粗糙度预测方法的问题，提出了一种磁场辅助慢走丝线切割加工表面粗糙度预测方法，适用于磁场辅助慢走丝线切割加工。

本发明的技术方案为：一种磁场辅助慢走丝线切割加工表面粗糙度预测方法，具体包括如下步骤：

1)对带电粒子在放电通道中的运动轨迹进行分析，求出带电粒子运动轨迹的长度，根据运动轨迹长度计算出放电通道内的放电电流强度；

2)建立有限元分析模型，对磁场辅助慢走丝线切割加工脉冲放电进行仿真，得出放电凹坑的直径和深度；

3)建立粗糙度预测模型，对放电凹坑直径和深度进行修正，得出磁场辅助慢走丝线切割加工表面粗糙度的预测值。

所述步骤1)具体步骤：根据磁场辅助慢走丝线切割加工的特点，对带电粒子在放电通道内的受力进行分析，列出带电粒子的运动方程，然后根据初始条件求解得到带电粒子的运动轨迹，结合放电间隙计算出带电粒子从阴极到达阳极的运动路径长度；再根据汤生放电原理计算出磁场辅助慢走丝线切割加工中放电通道内的放电强度。

所述步骤2)具体步骤：定义单元和材料属性；在靠近热源处网格划分较为稠密而远离热源处网格较为稀疏的原则对工件进行非均匀网格划分；对磁场辅助慢走丝线切割加工过程进行加载载荷，得到加工过程中的有限元分析模型；根据仿真得到的温度场分布图，提取温度超过材料熔点的节点坐标计算出放电蚀坑的深度s与半径rc。

所述步骤3)考虑因为极速冷却而凝固在放电蚀坑底部形成白层对放电凹坑直径和深度进行修正，白层厚度的经验公式为：

hr＝1.35(i×ton)^0.34

式中，hr是白层厚度，i是放电电流，ton是脉宽；

修正后的放电凹坑半径和深度分别为：

r′c＝rc-hr

s'＝s-hr，

加工表面由大量放电凹坑叠加形成的，计算加工表面粗糙度的预测值。

本发明的有益效果在于：本发明磁场辅助慢走丝线切割加工表面粗糙度预测方法，弥补了当前缺少磁场辅助慢走丝线切割加工表面粗糙度预测模型的缺陷，为技术人员制定最优加工参数提供了理论依据，大大提高了生产效率。

附图说明

图1为磁场辅助慢走丝线切割加工示意图；

图2为本发明磁场辅助慢走丝线切割加工中电子受力示意图；

图3为本发明有限元分析模型图；

图4为本发明仿真得出的温度场分布图；

图5位本发明加工表面示意图。

具体实施方式

如图1所述磁场辅助慢走丝线切割加工示意图，在传统慢走丝线切割基础上，在工件两侧放置有永磁铁，用于在加工区域产生均匀强度的磁场。

一种磁场辅助慢走丝线切割加工表面粗糙度预测方法，对带电粒子在放电通道中的运动轨迹进行分析，求出带电粒子运动轨迹的长度，然后，根据运动轨迹长度计算出放电通道内的放电电流强度；然后建立有限元分析模型，对磁场辅助慢走丝线切割加工脉冲放电进行仿真，得出放电凹坑的直径和深度；最后，建立粗糙度预测模型，对放电凹坑直径和深度进行修正，得出磁场辅助慢走丝线切割加工表面粗糙度的预测值。

所述对带电粒子在放电通道中的运动轨迹进行分析，求出带电粒子运动轨迹的长度，然后，根据运动轨迹长度计算出放电通道内的放电电流大小的具体步骤如下：

(1)带电粒子运动轨迹分析

带电粒子在放电通道内会受到电场力、磁场力及其它粒子的作用力，对其中某一个带电粒子，从统计学的角度可认为其它带电粒子对该粒子的作用力合力为0，因此可认为带电粒子只受电场力和磁场力的作用。以自由电子为例，受力示意图如图2所示，以电极丝一端为原点，电极丝方向为y方向，指向工件方向为x方向，建立三维坐标xyz系，电极丝与工件在平面xoy上，外加磁场b为垂直平面xoy，与z轴方向相反。

根据牛顿第二定律，可得出电子的运动方程为：

式中，m为电子质量，qe为电子带电量；e为放电通道内电场强度；v为电子运动速度；b为外加磁场磁感应强度。

当慢走丝线切割加工为正极性加工，即工件为正极，电极丝为负极时，可知ex＝-e，ey＝ez＝0，由磁场方向可知，ex＝ey＝0，bz＝-b。由初始条件x＝y＝z＝0，vx＝vy＝vz＝0求解方程可得电子在放电通道内的运动轨迹为：

进而可计算出磁场辅助慢走丝线切割加工中电子的运动轨迹长度为：

电火花线切割放电间隙可由如下公式计算：

s＝kuu+krw^0.4+sm

式中：ku为与工作液介电强度有关的常数；u为开路时正极与负极间的最高电压；kr为与加工材料有关的常数；w为电火花的单个脉冲能量；sm为电极丝与工件之间的间隙。

联立上述式子可得磁场辅助慢走丝线切割加工中阴极发射的电子在到达阳极时的运动轨迹长度为：

(2)放电电流计算

研究表明放电通道是一种高温导电气体，根据汤生放电原理，在均匀电场中，放电通道内的放电电流为：

式中，α为第一汤生电离系数；i0为初始电流；l为电子运动轨迹长度；r为正离子的表面电离系数。

联立上述两式可得：磁场辅助慢走丝线切割加工中放电通道内的放电电流为：

所述建立有限元分析模型，对磁场辅助慢走丝线切割加工脉冲放电进行仿真，得出放电凹坑的直径和深度的具体步骤如下：

(1)定义单元和材料属性

根据三维温度场分析的单元类型选择原则，选用低阶热单元，对轴对称模型的1/2进行分析，输入材料随温度变化的物性参数。

(2)几何建模及网格划分

磁场辅助慢走丝线切割加工中，放电通道半径通常只有几十微米，因此建模过程中建模尺寸选取为100×100μm，为了减小计算量并保证计算的准确性，对工件划分网格时采用非均匀网格划分，在靠近热源处网格划分较为稠密而远离热源处网格较为稀疏。

(3)载荷加载及求解

放电加工过程中的热载荷主要有4种形式：热流密度、热对流、热传导和热辐射，热流密度主要加载在放电通道内，热对流主要加载在工件和电介质相接触的地方，热传导由材料自身属性决定，而热辐射可通过能量分配系数来调节。最终有限元模型如图3所示，r为放电通道半径，在放电通道内加载热流密度，在工件和电介质接触面添加热对流，其余面为绝热边界。

(4)根据仿真得到的温度场分布图(如图4所示)，提取温度超过材料熔点的节点坐标可计算出放电蚀坑的深度s与半径rc。

所述建立粗糙度预测模型，对放电凹坑直径和深度进行修正，得出磁场辅助慢走丝线切割加工表面粗糙度的预测值的具体步骤如下：

仿真时假设超过材料熔点的蚀除产物会被全部抛出，但在实际加工过程中，熔融金属除了被抛出放电蚀坑的部分外，还有一部分会因为极速冷却而凝固在放电蚀坑底部，从而形成白层，导致仿真计算出的放电蚀坑半径rc和深度s大于实际值，因此需要对仿真计算出的蚀坑半径和深度进行修正，白层厚度的经验公式为：

hr＝1.35(i×ton)^0.34

式中，hr是白层厚度，i是放电电流，ton是脉宽。则修正后的放电凹坑半径和深度分别为：

r′c＝rc-hr

s'＝s-hr

放电蚀坑的形状为圆形抛物面，如图5所示，最终加工表面是由大量放电凹坑叠加形成的，理论表面粗糙度可用如下公式计算：

式中，rs'为单个脉冲周期内电极丝的进给量。