本發(fā)明涉及一種加工技術，特別涉及一種磁場輔助慢走絲線切割加工表面粗糙度預測方法。

背景技術：

慢走絲線切割加工技術是特種加工的一種，屬于精密加工的范圍，慢走絲線切割加工主要利用電極絲和工件之間的放電來去除材料，所以，電火花線切割加工不受材料性能的限制，可以加工任何硬度、強度、脆性的材料，由于這些優(yōu)點，慢走絲線切割加工在現(xiàn)代制造業(yè)中得到了廣泛的應用。

對慢走絲線切割加工表面粗糙度進行預測使加工人員能夠合理安排加工參數(shù)，在滿足加工質(zhì)量的前提下達到最大的加工效率，防止不合理的加工參數(shù)導致生產(chǎn)出不合格的產(chǎn)品，避免不必要的損失。

現(xiàn)有的一些慢走絲線切割加工表面粗糙度預測方法都是針對普通慢走絲線切割加工的，沒有針對近年來出現(xiàn)的磁場輔助慢走絲線切割加工的加工表面粗糙度預測方法。為此，需要提供一種有效且具有較高預測精度的方法對磁場輔助慢走絲線切割加工表面粗糙度進行預測。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對現(xiàn)在缺乏磁場輔助慢走絲線切割加工的加工表面粗糙度預測方法的問題，提出了一種磁場輔助慢走絲線切割加工表面粗糙度預測方法，適用于磁場輔助慢走絲線切割加工。

本發(fā)明的技術方案為：一種磁場輔助慢走絲線切割加工表面粗糙度預測方法，具體包括如下步驟：

1)對帶電粒子在放電通道中的運動軌跡進行分析，求出帶電粒子運動軌跡的長度，根據(jù)運動軌跡長度計算出放電通道內(nèi)的放電電流強度；

2)建立有限元分析模型，對磁場輔助慢走絲線切割加工脈沖放電進行仿真，得出放電凹坑的直徑和深度；

3)建立粗糙度預測模型，對放電凹坑直徑和深度進行修正，得出磁場輔助慢走絲線切割加工表面粗糙度的預測值。

所述步驟1)具體步驟：根據(jù)磁場輔助慢走絲線切割加工的特點，對帶電粒子在放電通道內(nèi)的受力進行分析，列出帶電粒子的運動方程，然后根據(jù)初始條件求解得到帶電粒子的運動軌跡，結合放電間隙計算出帶電粒子從陰極到達陽極的運動路徑長度；再根據(jù)湯生放電原理計算出磁場輔助慢走絲線切割加工中放電通道內(nèi)的放電強度。

所述步驟2)具體步驟：定義單元和材料屬性；在靠近熱源處網(wǎng)格劃分較為稠密而遠離熱源處網(wǎng)格較為稀疏的原則對工件進行非均勻網(wǎng)格劃分；對磁場輔助慢走絲線切割加工過程進行加載載荷，得到加工過程中的有限元分析模型；根據(jù)仿真得到的溫度場分布圖，提取溫度超過材料熔點的節(jié)點坐標計算出放電蝕坑的深度s與半徑rc。

所述步驟3)考慮因為極速冷卻而凝固在放電蝕坑底部形成白層對放電凹坑直徑和深度進行修正，白層厚度的經(jīng)驗公式為：

hr＝1.35(i×ton)^0.34

式中，hr是白層厚度，i是放電電流，ton是脈寬；

修正后的放電凹坑半徑和深度分別為：

r′c＝rc-hr

s'＝s-hr，

加工表面由大量放電凹坑疊加形成的，計算加工表面粗糙度的預測值。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明磁場輔助慢走絲線切割加工表面粗糙度預測方法，彌補了當前缺少磁場輔助慢走絲線切割加工表面粗糙度預測模型的缺陷，為技術人員制定最優(yōu)加工參數(shù)提供了理論依據(jù)，大大提高了生產(chǎn)效率。

附圖說明

圖1為磁場輔助慢走絲線切割加工示意圖；

圖2為本發(fā)明磁場輔助慢走絲線切割加工中電子受力示意圖；

圖3為本發(fā)明有限元分析模型圖；

圖4為本發(fā)明仿真得出的溫度場分布圖；

圖5位本發(fā)明加工表面示意圖。

具體實施方式

如圖1所述磁場輔助慢走絲線切割加工示意圖，在傳統(tǒng)慢走絲線切割基礎上，在工件兩側放置有永磁鐵，用于在加工區(qū)域產(chǎn)生均勻強度的磁場。

一種磁場輔助慢走絲線切割加工表面粗糙度預測方法，對帶電粒子在放電通道中的運動軌跡進行分析，求出帶電粒子運動軌跡的長度，然后，根據(jù)運動軌跡長度計算出放電通道內(nèi)的放電電流強度；然后建立有限元分析模型，對磁場輔助慢走絲線切割加工脈沖放電進行仿真，得出放電凹坑的直徑和深度；最后，建立粗糙度預測模型，對放電凹坑直徑和深度進行修正，得出磁場輔助慢走絲線切割加工表面粗糙度的預測值。

所述對帶電粒子在放電通道中的運動軌跡進行分析，求出帶電粒子運動軌跡的長度，然后，根據(jù)運動軌跡長度計算出放電通道內(nèi)的放電電流大小的具體步驟如下：

(1)帶電粒子運動軌跡分析

帶電粒子在放電通道內(nèi)會受到電場力、磁場力及其它粒子的作用力，對其中某一個帶電粒子，從統(tǒng)計學的角度可認為其它帶電粒子對該粒子的作用力合力為0，因此可認為帶電粒子只受電場力和磁場力的作用。以自由電子為例，受力示意圖如圖2所示，以電極絲一端為原點，電極絲方向為y方向，指向工件方向為x方向，建立三維坐標xyz系，電極絲與工件在平面xoy上，外加磁場b為垂直平面xoy，與z軸方向相反。

根據(jù)牛頓第二定律，可得出電子的運動方程為：

式中，m為電子質(zhì)量，qe為電子帶電量；e為放電通道內(nèi)電場強度；v為電子運動速度；b為外加磁場磁感應強度。

當慢走絲線切割加工為正極性加工，即工件為正極，電極絲為負極時，可知ex＝-e，ey＝ez＝0，由磁場方向可知，ex＝ey＝0，bz＝-b。由初始條件x＝y(tǒng)＝z＝0，vx＝vy＝vz＝0求解方程可得電子在放電通道內(nèi)的運動軌跡為：

進而可計算出磁場輔助慢走絲線切割加工中電子的運動軌跡長度為：

電火花線切割放電間隙可由如下公式計算：

s＝kuu+krw^0.4+sm

式中：ku為與工作液介電強度有關的常數(shù)；u為開路時正極與負極間的最高電壓；kr為與加工材料有關的常數(shù)；w為電火花的單個脈沖能量；sm為電極絲與工件之間的間隙。

聯(lián)立上述式子可得磁場輔助慢走絲線切割加工中陰極發(fā)射的電子在到達陽極時的運動軌跡長度為：

(2)放電電流計算

研究表明放電通道是一種高溫導電氣體，根據(jù)湯生放電原理，在均勻電場中，放電通道內(nèi)的放電電流為：

式中，α為第一湯生電離系數(shù)；i0為初始電流；l為電子運動軌跡長度；r為正離子的表面電離系數(shù)。

聯(lián)立上述兩式可得：磁場輔助慢走絲線切割加工中放電通道內(nèi)的放電電流為：

所述建立有限元分析模型，對磁場輔助慢走絲線切割加工脈沖放電進行仿真，得出放電凹坑的直徑和深度的具體步驟如下：

(1)定義單元和材料屬性

根據(jù)三維溫度場分析的單元類型選擇原則，選用低階熱單元，對軸對稱模型的1/2進行分析，輸入材料隨溫度變化的物性參數(shù)。

(2)幾何建模及網(wǎng)格劃分

磁場輔助慢走絲線切割加工中，放電通道半徑通常只有幾十微米，因此建模過程中建模尺寸選取為100×100μm，為了減小計算量并保證計算的準確性，對工件劃分網(wǎng)格時采用非均勻網(wǎng)格劃分，在靠近熱源處網(wǎng)格劃分較為稠密而遠離熱源處網(wǎng)格較為稀疏。

(3)載荷加載及求解

放電加工過程中的熱載荷主要有4種形式：熱流密度、熱對流、熱傳導和熱輻射，熱流密度主要加載在放電通道內(nèi)，熱對流主要加載在工件和電介質(zhì)相接觸的地方，熱傳導由材料自身屬性決定，而熱輻射可通過能量分配系數(shù)來調(diào)節(jié)。最終有限元模型如圖3所示，r為放電通道半徑，在放電通道內(nèi)加載熱流密度，在工件和電介質(zhì)接觸面添加熱對流，其余面為絕熱邊界。

(4)根據(jù)仿真得到的溫度場分布圖(如圖4所示)，提取溫度超過材料熔點的節(jié)點坐標可計算出放電蝕坑的深度s與半徑rc。

所述建立粗糙度預測模型，對放電凹坑直徑和深度進行修正，得出磁場輔助慢走絲線切割加工表面粗糙度的預測值的具體步驟如下：

仿真時假設超過材料熔點的蝕除產(chǎn)物會被全部拋出，但在實際加工過程中，熔融金屬除了被拋出放電蝕坑的部分外，還有一部分會因為極速冷卻而凝固在放電蝕坑底部，從而形成白層，導致仿真計算出的放電蝕坑半徑rc和深度s大于實際值，因此需要對仿真計算出的蝕坑半徑和深度進行修正，白層厚度的經(jīng)驗公式為：

hr＝1.35(i×ton)^0.34

式中，hr是白層厚度，i是放電電流，ton是脈寬。則修正后的放電凹坑半徑和深度分別為：

r′c＝rc-hr

s'＝s-hr

放電蝕坑的形狀為圓形拋物面，如圖5所示，最終加工表面是由大量放電凹坑疊加形成的，理論表面粗糙度可用如下公式計算：

式中，rs'為單個脈沖周期內(nèi)電極絲的進給量。