陳 偉,韓福柱,王 津,徐 成
(清華大學(xué)機(jī)械工程系,北京市精密/超精密制造裝備及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)
電火花線切割型腔模具的磁流變拋光方法
陳 偉,韓福柱,王 津,徐 成
(清華大學(xué)機(jī)械工程系,北京市精密/超精密制造裝備及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)
電火花線切割貫通形型腔模具的內(nèi)腔形狀復(fù)雜,一般拋光方法很難達(dá)到高精度的要求。在型腔模具的加工過(guò)程中,切割的內(nèi)型與型腔模具相符合,如能利用內(nèi)型拋光型腔,會(huì)極大地降低成本。針對(duì)這一問(wèn)題,提出了一種新的型腔模具磁流變拋光方法,并對(duì)其磁場(chǎng)分布進(jìn)行了分析。該方法利用加工型腔模具時(shí)切割下來(lái)的內(nèi)型,與柱狀磁鐵連接,在其表面產(chǎn)生磁場(chǎng),對(duì)浸在磁流變拋光液中的型腔模具進(jìn)行往復(fù)循環(huán)拋光。這種方法不需單獨(dú)制作與型腔形狀吻合的永久磁鐵拋光磨具,節(jié)省了成本,提高了效率。
磁流變拋光;電火花線切割加工;型腔模具
當(dāng)前,精密沖壓模具的主要加工手段之一是電火花線切割加工。電火花線切割加工過(guò)程中,放電產(chǎn)生的高溫會(huì)造成工件表層金相組織的變化及燒蝕[1],從而限制了工件所能達(dá)到的表面質(zhì)量。由于模具型腔表面質(zhì)量直接決定了成形零件的表面質(zhì)量,且型腔和型芯的表面質(zhì)量關(guān)系到模具本身的壽命,因此,制造精密、超精密模具時(shí),最終還要對(duì)電火花線切割加工的模具表面進(jìn)行拋光[2]。
由于拋光工具無(wú)法觸及型腔模具內(nèi)表面,致使許多拋光方法(電化學(xué)拋光、無(wú)磨料拋光等)無(wú)法使用,雖然這些方法能達(dá)到很好的表面粗糙度,但較難保持零件尺寸和幾何形狀的精確度。而磨粒流加工是貫通形型腔模具表面拋光的一種有效方法,但會(huì)在型腔通道兩端產(chǎn)生喇叭口狀的形狀誤差,對(duì)于較大長(zhǎng)徑比的通道,其中部難以達(dá)到拋光效果。針對(duì)這一情況,本文提出采用電火花線切割方法加工貫通形型腔模具時(shí),將切割后會(huì)被廢棄的形狀與型腔完全吻合的型芯作為拋光磨具,型芯與型腔之間
還有線切割電極絲的加工間隙;若使用磁源對(duì)型芯附加磁場(chǎng)進(jìn)行拋光加工,不僅可提高對(duì)不同型腔模具的普適性,還能極大地降低拋光成本。
1.1 磁流變拋光技術(shù)原理
磁流變拋光是利用磁流變拋光液在梯度磁場(chǎng)中發(fā)生流變效應(yīng)的原理,使液體迅速變硬,進(jìn)而形成賓漢流體,再由其中的拋光磨粒通過(guò)機(jī)械方式去除工件的表面材料。磁流變效應(yīng)是指在流體中加入一種高導(dǎo)磁、非溶性介質(zhì),在外部磁場(chǎng)的作用下,高導(dǎo)磁的軟磁性粒子沿磁場(chǎng)方向結(jié)成鏈狀結(jié)構(gòu),流體的流變性質(zhì)發(fā)生突變,迅速固化而失去流動(dòng)性,固化是一個(gè)瞬變過(guò)程,在毫秒內(nèi)即可完成,同時(shí)又是可逆的,撤去磁場(chǎng)后,馬上恢復(fù)流動(dòng)性[3](圖1)。
圖1 磁流變效應(yīng)原理
進(jìn)行磁流變拋光時(shí),發(fā)生流變的磁流變拋光液流經(jīng)工件與拋光磨具之間形成的小間隙時(shí),那些方向與拋光面垂直的“磁鏈”會(huì)對(duì)工件表面產(chǎn)生很大的壓力。如果在磁流變液中加入磨料粒子,這些不導(dǎo)磁的磨料粒子會(huì)夾雜在磁鏈中,被壓在拋光面上。當(dāng)磁性磨頭相對(duì)拋光面運(yùn)動(dòng)時(shí),磨粒會(huì)對(duì)拋光面起到刮削和光整的作用(圖2),從而在工件表面產(chǎn)生很小的塑性材料去除。
圖2 磁流變拋光微觀機(jī)理
1.2 型芯磨具磁流變拋光原理
電火花線切割加工采用線狀電極 (鉬絲或銅絲),依靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割加工。在加工貫通形型腔模具的同時(shí),得到與型腔形狀相吻合的型芯,且兩者間留有均勻的間隙。電火花線切割貫通形型腔模具是一種型腔貫通工件材料上下表面的模具,型腔形狀為柱形,母線垂直于上下表面(圖3)。本文利用切割得到的、與型腔形狀相吻合的型芯作為拋光磨具,并使用磁源(永磁鐵或電磁鐵)對(duì)型芯附加磁場(chǎng),制成型芯磨具(圖4),從而對(duì)型腔進(jìn)行拋光加工。
圖3 電火花線切割貫通形型腔模具
圖4 型芯磨具
電火花線切割加工貫通形型腔模具時(shí),電極絲會(huì)沿加工路徑穿過(guò)工件,并在被加工模具的內(nèi)型、外型間留下一定的放電間隙,使型芯與模具型腔間存在狹小的縫隙,其大小為電極絲直徑與電火花放電間隙的2倍之和。如圖5所示,在型芯的上下表面安裝極化方向?yàn)樨Q直方向、極性相反的圓柱形永久磁鐵,連接在有一定剛度的連接桿上。將型芯沿型腔模具內(nèi)表面向下插入,并與內(nèi)表面保持一定大小的間隙。由此,在間隙內(nèi)形成較強(qiáng)的磁場(chǎng),型芯表面形成一層完全適應(yīng)型腔模具的內(nèi)表面的柔性拋光模,拋光模對(duì)型腔表面有一定壓力。型芯沿型腔表面做豎直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)模具型腔表面的拋光。
圖5 型芯磨具拋光原理
在整個(gè)拋光過(guò)程中,拋光區(qū)域即型芯與型腔模具間隙內(nèi)的磁場(chǎng)分布狀況對(duì)拋光效果影響很大。對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,可更好地說(shuō)明實(shí)驗(yàn)原理及驗(yàn)證
方案的可行性。仿真采用Ansys10.0進(jìn)行,具體分析方法如下:
(1)確定有限元分析區(qū)域。由于貫通形型腔模具的母線與其上下表面垂直,與型芯相連的圓柱形永久磁鐵極化方向?yàn)樨Q直方向,磁場(chǎng)分布可視為以磁鐵中軸線為對(duì)稱軸的軸對(duì)稱分布。分析時(shí),對(duì)拋光系統(tǒng)沿A-A拋開(kāi)(圖5),對(duì)其二維側(cè)視圖的一半做磁場(chǎng)有限元分析。
(2)建立分析模型及材料屬性。圖6是沿圖5中軸線剖開(kāi)的拋光系統(tǒng)二維幾何模型。其中,A5部分為待拋光的型腔模具內(nèi)壁,A11部分為用于拋光的內(nèi)型,兩者材料都設(shè)置為模具鋼Cr12。經(jīng)熱處理的Cr12模具鋼,相對(duì)磁導(dǎo)率不是常數(shù),需輸入材料BH曲線。A1部分為連接桿,材料為鋁,相對(duì)磁導(dǎo)率為1.00002。A14部分為磁流變拋光液,其相對(duì)磁導(dǎo)率較難確定,根據(jù)文獻(xiàn)[4]的計(jì)算測(cè)量,將其相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)定為100。A8、A9部分為圓柱形永久磁鐵,矯頑力為890 000 A/m,上方磁鐵A9的極化方向?yàn)檠豗軸向下,下方磁鐵A8的極化方向?yàn)檠豗軸向上,剩磁為1.2 T。A12部分為空氣,相對(duì)磁導(dǎo)率為1。
圖6 型芯磨具磁場(chǎng)分析幾何模型
(3)確定磁源與邊界條件,并劃分網(wǎng)格。磁源為A8、A9部分的永久磁鐵,邊界條件設(shè)置為磁感線平行條件,進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
有限元分析設(shè)置完成,進(jìn)行求解。得到結(jié)果后,主要從拋光區(qū)域的磁感線分布狀況、磁感應(yīng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱來(lái)討論型芯磨具進(jìn)行拋光的可行性。如圖7所示,磁感線分布規(guī)律為磁感線穿過(guò)型腔模具的拋光面。根據(jù)磁流變液拋光原理,當(dāng)磁感線分布平行于拋光表面時(shí),產(chǎn)生的磁鏈對(duì)拋光表面沒(méi)有壓力;當(dāng)磁感線垂直穿過(guò)拋光表面時(shí),產(chǎn)生的壓力最大。內(nèi)型磨具磁流變拋光方法的磁感線分布有較大的垂直于拋光表面的分量,可產(chǎn)生對(duì)拋光表面的壓力,從而產(chǎn)生拋光效果。圖8是水平方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量,圖9是磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布情況。可看出,拋光間隙內(nèi)存在較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度,能達(dá)到基本的拋光要求。
圖7 拋光區(qū)域的磁感線分布
圖8 磁感應(yīng)強(qiáng)度水平方向分量梯度分布
圖9 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖
3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了驗(yàn)證內(nèi)型連接磁源作為磨具,對(duì)型腔進(jìn)行拋光的可行性,設(shè)計(jì)了型芯磨具的拋光實(shí)驗(yàn),搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖10。將拋光槽放在電火花成形機(jī)床上,調(diào)整主軸的
X、Y位置,將拋光磨具與待拋光的型腔模具對(duì)齊,
倒入磁流變拋光液進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用磨料為
粒度400#的綠碳化硅,拋光表面間隙為0.5 mm,主
軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)8000次。
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖11是拋光前、后的型腔內(nèi)表面,可看出有明顯改善。實(shí)驗(yàn)采用的待拋光型腔模具是由電火花線切割粗加工制成的,利用JB-4C精密粗糙度儀測(cè)得的表面粗糙度值為Ra2.761 μm(圖12)。對(duì)其進(jìn)行拋光后,型腔表面質(zhì)量得到明顯改善,表面粗糙度值達(dá)到Ra0.463 μm(圖13)。
The Magnetorheological Polishing Method for Cavity Mould in WEDM
Chen Wei,Han Fuzhu,Wang Jin,Xu Cheng
(Tsinghua University,Beijing Key Lab of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control,Beijing 100084,China)
The WEDMed pierced cavity mould has a complex shape and demands high polishing precision,and the general polishing methods are hard to meet the requirements.It finds that in the process of machining a pierced cavity mould by WEDM,the core is obtained of which the shape is well coincide with the cavity.If the core can be used to polish the cavity,the processing cost will decrease greatly.To solve this problem,this paper presents a new magneto-rheological scheme for polishing pierced cavities mould and makes an analysis of the magnetic field distribution.In this scheme,the core formed in cutting pierced cavity mould is connected with the columnar permanent magnet which produces magnetic field on for the core,then reciprocating motions are made for the core to polish the cavity in the MRF polishing slurry.Using this method,the polishing tool made from a permanent magnet which fits the cavity in shape is no necessary.Therefore,it saves cost and improve the polishing efficiency.
magnetorheological polishing;WEDM;cavity mould
TG661;TG175
A
1009-279X(2014)02-0018-03
2013-09-30
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175295);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20120002110064)
陳偉,男,1989年生,博士研究生。