一种基于电磁热效应的电火花线切割快速加工方法

技术领域

本发明涉及电火花线切割加工技术领域，具体涉及一种基于电磁热效应的电火花线切割快速加工方法。

背景技术

电火花线切割加工是一种用线状电极(铜丝或钼丝等)，靠火花放电对工件进行切割的工艺形式，国内外的线切割机床以占电火花加工机床的70％以上，是目前最重要和最主要的特种加工技术之一；它是基于电极间脉冲放电时的电腐蚀现象，用一根细长的金属丝做电极，并以一定的速度沿电极丝轴线方向移动，不断进入和离开切缝内的放电加工区，加工时脉冲电源的正极接工件，负极接电极丝，并在电极丝与工件切缝之间喷注绝缘液体；同时安装工件的工作台有控制装置，根据预定的切割轨迹控制电动机驱动，从而加工出所需要的零件。

电火花线切割加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属材料，且专长于加工复杂微细表面和低刚度零件，同时还可以进行超精加工。由于加工中材料的去除是靠放电时的电、热作用实现的，材料的可加工性主要与材料的导电性及热学特性，如电阻率、熔点、沸点、比热容、热导率等有关，而几乎与其力学性能，如硬度、强度等无关，因此突破了传统切削加工中刀具材料的硬度必须要大于加工材料的硬度的限制，实现用软的工具加工硬、韧的工件。

电火花线切割加工其应用领域日益扩大，广泛应用于国民经各个领域的生产制造部门，已经覆盖到机械，宇航，航空，电子，核能，仪器等部门，用于解决各种难加工材料、复杂形状零件和有特殊要求的零件制造；加工范围已包括小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。它是常规切削加工的重要补充和拓展，已经成为一种必不可少的加工手段。

目前电火花线切割加工的主要局限性之一是：切割加工速度一般比较低，无法与传统的机械切削加工相比，因此通常在加工时，需要先采用切削方法以去除零件上的大部分余量，然后再进行电火花加工，以求提高加工效率；或者通过选择合适的电参数，采用合适的工作液，保持加工过程的稳定性等方法来提高加工速度，但这些措施不能显著提高线切割加工速度。同时还存在电极损耗，由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会产生损耗，而且电极损耗多集中在尖角或底面，从而影响成型精度。它的这些局限性已大大的阻碍了电火花线切割加工的应用。到目前为止，仍然没有较好的方法使得电火花线切割的加工速度得到很大的提高，因此提高电火花线切割加工速度的一直是研究一个重点和难点。

发明内容

本发明目的是针对现有电火花线切割加工技术存在的主要局限性，即加工速度比较慢的特点，提供一种基于电磁热效应的电火花线切割快速加工方法。

由于电火花线切割电极丝直径较细，直径在0.02～0.3mm，所以切割加工形成的切缝很窄，也很适合微细加工。在加工零件时，电极丝采用黄铜丝、镀锌铜丝时，直径一般为0.15～0.35mm；在加工时采用细钨丝，直径为0.02～0.03mm。例如采用直径0.03mm的钨丝做电极丝，切缝可小到0.04mm，内角半径可小到0.02mm；或者为了使窄缝(尖端)更加细小，使得电磁热效应发生的更加容易、明显和强烈，可以再用拉压疲劳试验机在窄缝的基础上再预制(拉伸)出一定长度的疲劳裂缝。

电磁热效应是通过在有裂缝或窄缝的导体中通入脉冲电流，由于导体中裂纹(或窄缝)的存在，会导致高密度电流在裂纹(或窄缝)尖端区域产生绕流集中现象，窄缝或裂纹尖端周围区域瞬间会有大量的焦耳热产生，即电能转化成热能，从而使该尖端或窄缝处周围的金属材料温度瞬间急剧升高，足以达到使材料软化，甚至是熔化的程度。电磁热效应是机械场同电磁场、温度场在弹性固体内外产生相互作用的一种综合效应。

脉冲电流作用机制脉冲电流与连续的稳恒电流不同，是一种突然变化的电流，它的一个显著特点就是其突变性，作用时间非常短，大概为数十微秒到数百微秒，对金属组织的作用具有冲击性、突然性特点。该发明正是应用了高压脉冲放电时产生的电场、磁效应、热效应和冲击波效应等多种效应和线切割加工复合完成加工的，即该发明利用通电瞬间脉冲电流在金属材料的切割的窄缝(或裂纹)尖端处产生的绕流集中现象，强脉冲放电时所产生的电场、磁场及热效应瞬间在裂尖产生热集中效应，瞬间产生高温使得尖端处周围的金属材料软化，线切割电极丝再放电，就很容易将金属材料电蚀掉，从而极大的提高了加工速度和生产效率，这将对电火花线切割的应用价值得到了极大地提高。

在使用强脉冲放电时，电压的大小和放电时间是有相应要求的。如果脉冲电压过大或放电时间过短，导致能量过于集中，会使窄缝(或裂纹)尖端处过热，使得软化区域过大，金属材料很可能气化，反而使得加工不稳定和加工质量差。如果脉冲电压过小或放电时间很长，电流在窄缝(或裂纹)尖端绕流热集中效应不显著，温升很可能还不足以使尖端区域的金属软化，从而达不到快速切割的目的。所以应根据导电率、尺寸和材质等因素来确定最佳的通电时间和电压大小，只有当放电电压和放电时间合适时，窄缝(或裂纹)端处软化的区域或尺度合适，这时候再进行电火花放电加工，才能获得最佳的快速切割加工效果。由于脉冲放电过程是在几十微秒级时间内完成的，而且热源仅集中于窄缝(或裂纹)尖端区域附近较小范围内，其平均可达到温度在2000℃以上，而金属其他部分温度平均不超过200℃。

本发明是在金属工件进行电火花线切割加工并形成一定长度窄缝(或裂纹)，或者还可以再用拉压疲劳试验机预制一定长度的疲劳裂缝，然后在金属工件一端安装加工专用阳极接头，使得工件与电源正极连接；在工件另一端安装加工专用阴极接头，使得工件与电源阴极连接，从而形成电流回路。在加工时窄缝(或裂纹)面尽量与通入脉冲电流的方向垂直，因为当裂纹面(或窄缝面)方向与通入电流方向垂直时，此时电流绕流集中现象最明显，工件窄缝(或裂纹)区域温度变化最大，温升最高，金属材料容易软化，这样很容易被电火花线切割电蚀掉，从而加工速度得到极大的提高，大大的提高了生产率。

具体步骤为在一台电火花线切割机床上安装高频脉冲电源，并调节合适的脉冲电源参数(电压、放电时间、频率等)，在电火花线切割加工的同时，使用脉冲电源对放置在机床工作台上的金属工件进行放电线切割加工，从而可实现快速的电蚀加工速度，并相应的减少了电极丝的损耗，而延长电极丝的寿命。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种基于电磁热效应的电火花线切割快速加工方法，包括如下步骤：

(1)安装脉冲电源装置：

本加工方法使用的是脉冲电源，事先要把电源装置安装在电火花机床合适的位置上；

(2)安装导电工件：

使用夹具将导电材料工件安装在电火花线切割机床的工作台上；

(3)安装脉冲电源加工阳极专用接头：

用电源阳极电缆连接阳极专用接头，再将阳极专用接头安装在工件的一端上，并与工件相接触；

(4)安装脉冲电源阴极专用接头：

用电源阴极电缆连接阴极专用接头，再将阴极专用接头安装在工件的另外一端上，并与工件相接触；

(5)启动电火花线切割机床：

启动机床，对导电工件进行电火花线切割加工，形成窄缝；或者再用拉压疲劳试验机对工件上的窄缝再预制(拉伸)出一定长度的疲劳裂缝，然后再安装在机床工作台上。

(6)开启脉冲电源加工：

事先调整好电流方向与切割窄缝(或裂纹)面两者之间位置关系，并设置好脉冲电源的加工参数，然后打开电源对工件进行脉冲放电。

进一步的，步骤(1)中的使用的脉冲电源是根据加工状况，其电参数(如频率、电压等)是可调节的，其输出电压为0～3KV，输出电流在0～500A。

进一步的，步骤(2)中的用夹具定位夹紧导电工件时，夹具和工件要做绝缘处理。

进一步的，步骤(3)(4)中的所述脉冲电源加工阳极、阳极专用机头与机床连接位置处要绝缘处理，并通过快接插头与脉冲电源阳极、阴极电缆相连接。

进一步的，步骤(6)中所述的采用的调整好电流方向与切割窄缝(或裂纹)面两者之间位置关系，即在加工的过程中，尽量调整两者位置关系成垂直状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

该加工方法是利用高频脉冲电流对工件中的狭小窄缝(或裂纹)进行持续的脉冲放电，在工件窄缝(或裂纹)尖端产生电磁热效应，使得窄缝(或裂纹)尖端处的金属材料发生软化效应，即在窄缝(或裂纹)周围的温度的急剧升高使金属材料的硬度降低或金属材料屈服强度降低，引起流动应力的变化，即流动应力随着温度的上升而减小。金属材料的软化使得窄缝(或裂纹)处的材料在电火花的作用下很容易被蚀除，成倍的提高了切割加工速度，尤其是在加工淬硬钢等各种难加工金属材料时，材料的高强度和高硬度在金属材料的软化作用下，使电火花线切割加工速度得到了极大地提高；同时也相应的减少和延缓了电极丝的损耗，延长了电极丝的寿命，提高了加工的成型精度，所以本发明的优势在于极大地提高加工生产效率，降低加工成本，保证加工质量；还具有加工装置简单、可靠及使用方便，这些都能很好的满足国防军工、航空航天等领域产品使用的难加工材料的加工要求。

附图说明

附图用以对本发明的进一步理解，成为发明说明书的一部分，并与本发明的实施例一起用于解释本发明，但不构成对本发明的限制。

图1为本发明电磁热效应原理实验状态；

图2为本发明电磁热效应窄缝(或裂纹)尖端软化实验状态及电流绕流集中示意图；

图3为本发明基于电磁热效应的电火花线切割加工的工作状态图；

附图标记说明：1、脉冲电源；2、电火花线切割机床；3、夹具；4、工件；5、工作台；6、阳极电缆；7、阳极专用接头；8、阴极电缆；9、阴极专用接头；10、切割窄缝(或裂纹)面

具体实施方式

下面将结合附图1-3对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

(1)安装脉冲电源装置：

本加工方法采用的是可调的脉冲电源1，事先要把电源装置安装在电火花线切割机床2合适的位置上；

(2)安装导电工件：

使用夹具3将导电材料工件4安装在电火花线切割机床的工作台5上；

(3)安装脉冲电源加工阳极专用接头：

用电源阳极电缆6连接阳极专用接头7，再将阳极专用接头7安装在工件4的一端上，并与工件4相接触；

(4)安装脉冲电源阴极专用接头：

用电源阴极电缆8连接阴极专用接头9，再将阴极专用接头9安装在工件4的另外一端上，并与工件4相接触；

(5)启动电火花线切割机床：

启动机床2，对导电工件4进行电火花线切割加工，形成窄缝；或者然后再用拉压疲劳试验机对工件上的窄缝再预制(拉伸)出一定长度的疲劳裂缝，然后再安装在机床工作台5上。

(6)开启脉冲电源加工：

事先调整好电流方向与切割窄缝(或裂纹)面10两者之间位置关系，并设置好脉冲电源1的加工参数，然后打开电源对工件4进行脉冲放电。脉冲电源装置1是可调的，输入220V，50Hz的电源，则根据加工状况输出电流在0-3000A之间选择。

其中，步骤(1)中的所述的使用的脉冲电源是根据加工状况，其电参数(如频率、电压等)是可调节的，其输出电压为0～3KV，输出电流在0～500A。

其中，步骤(2)中的所述的用夹具定位夹紧导电工件时，夹具和工件要做绝缘处理。

其中，步骤(3)(4)中的所述的所述脉冲电源加工阳极、阳极专用机头与机床连接位置处要绝缘处理，并通过快接插头与脉冲电源阳极、阴极电缆相连接。

其中，步骤(6)中的所述的采用的调整好电流方向与切割窄缝(或裂纹)面两者之间位置关系，即在加工的过程中，尽量调整两者位置关系成垂直状态。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。