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

（清華大學機械工程系，北京市精密/超精密制造裝備及控制重點實驗室，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

（清華大學機械工程系，北京市精密/超精密制造裝備及控制重點實驗室，北京100084）

電火花線切割貫通形型腔模具的內腔形狀復雜，一般拋光方法很難達到高精度的要求。在型腔模具的加工過程中，切割的內型與型腔模具相符合，如能利用內型拋光型腔，會極大地降低成本。針對這一問題，提出了一種新的型腔模具磁流變拋光方法，并對其磁場分布進行了分析。該方法利用加工型腔模具時切割下來的內型，與柱狀磁鐵連接，在其表面產生磁場，對浸在磁流變拋光液中的型腔模具進行往復循環(huán)拋光。這種方法不需單獨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程中，放電產生的高溫會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到的表面質量。由于模具型腔表面質量直接決定了成形零件的表面質量，且型腔和型芯的表面質量關系到模具本身的壽命，因此，制造精密、超精密模具時，最終還要對電火花線切割加工的模具表面進行拋光[2]。

由于拋光工具無法觸及型腔模具內表面，致使許多拋光方法（電化學拋光、無磨料拋光等）無法使用，雖然這些方法能達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，但會在型腔通道兩端產生喇叭口狀的形狀誤差，對于較大長徑比的通道，其中部難以達到拋光效果。針對這一情況，本文提出采用電火花線切割方法加工貫通形型腔模具時，將切割后會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；若使用磁源對型芯附加磁場進行拋光加工，不僅可提高對不同型腔模具的普適性，還能極大地降低拋光成本。

1 型芯磨具磁流變拋光方法

1.1 磁流變拋光技術原理

磁流變拋光是利用磁流變拋光液在梯度磁場中發(fā)生流變效應的原理，使液體迅速變硬，進而形成賓漢流體，再由其中的拋光磨粒通過機械方式去除工件的表面材料。磁流變效應是指在流體中加入一種高導磁、非溶性介質，在外部磁場的作用下，高導磁的軟磁性粒子沿磁場方向結成鏈狀結構，流體的流變性質發(fā)生突變，迅速固化而失去流動性，固化是一個瞬變過程，在毫秒內即可完成，同時又是可逆的，撤去磁場后，馬上恢復流動性[3]（圖1）。

圖1 磁流變效應原理

進行磁流變拋光時，發(fā)生流變的磁流變拋光液流經工件與拋光磨具之間形成的小間隙時，那些方向與拋光面垂直的“磁鏈”會對工件表面產生很大的壓力。如果在磁流變液中加入磨料粒子，這些不導磁的磨料粒子會夾雜在磁鏈中，被壓在拋光面上。當磁性磨頭相對拋光面運動時，磨粒會對拋光面起到刮削和光整的作用（圖2），從而在工件表面產生很小的塑性材料去除。

圖2 磁流變拋光微觀機理

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），依靠火花放電對工件進行切割加工。在加工貫通形型腔模具的同時，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）對型芯附加磁場，制成型芯磨具（圖4），從而對型腔進行拋光加工。

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，電極絲會沿加工路徑穿過工件，并在被加工模具的內型、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為豎直方向、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表面向下插入，并與內表面保持一定大小的間隙。由此，在間隙內形成較強的磁場，型芯表面形成一層完全適應型腔模具的內表面的柔性拋光模，拋光模對型腔表面有一定壓力。型芯沿型腔表面做豎直方向的相對運動，實現對模具型腔表面的拋光。

圖5 型芯磨具拋光原理

2 型芯磨具磁流變拋光的磁場分布與仿真

在整個拋光過程中，拋光區(qū)域即型芯與型腔模具間隙內的磁場分布狀況對拋光效果影響很大。對磁場進行仿真分析，可更好地說明實驗原理及驗證

方案的可行性。仿真采用Ansys10.0進行，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為豎直方向，磁場分布可視為以磁鐵中軸線為對稱軸的軸對稱分布。分析時，對拋光系統沿A-A拋開（圖5），對其二維側視圖的一半做磁場有限元分析。

（2）建立分析模型及材料屬性。圖6是沿圖5中軸線剖開的拋光系統二維幾何模型。其中，A5部分為待拋光的型腔模具內壁，A11部分為用于拋光的內型，兩者材料都設置為模具鋼Cr12。經熱處理的Cr12模具鋼，相對磁導率不是常數，需輸入材料BH曲線。A1部分為連接桿，材料為鋁，相對磁導率為1.00002。A14部分為磁流變拋光液，其相對磁導率較難確定，根據文獻[4]的計算測量，將其相對磁導率設定為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的極化方向為沿Y軸向下，下方磁鐵A8的極化方向為沿Y軸向上，剩磁為1.2 T。A12部分為空氣，相對磁導率為1。

圖6 型芯磨具磁場分析幾何模型

（3）確定磁源與邊界條件，并劃分網格。磁源為A8、A9部分的永久磁鐵，邊界條件設置為磁感線平行條件，進行網格劃分。

有限元分析設置完成，進行求解。得到結果后，主要從拋光區(qū)域的磁感線分布狀況、磁感應強度的強弱來討論型芯磨具進行拋光的可行性。如圖7所示，磁感線分布規(guī)律為磁感線穿過型腔模具的拋光面。根據磁流變液拋光原理，當磁感線分布平行于拋光表面時，產生的磁鏈對拋光表面沒有壓力；當磁感線垂直穿過拋光表面時，產生的壓力最大。內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，可產生對拋光表面的壓力，從而產生拋光效果。圖8是水平方向的磁感應強度分量，圖9是磁感應強度矢量分布情況。可看出，拋光間隙內存在較大的磁感應強度，能達到基本的拋光要求。

圖7 拋光區(qū)域的磁感線分布

圖8 磁感應強度水平方向分量梯度分布

圖9 磁感應強度矢量分布圖

3 型芯磨具磁流變拋光實驗

3.1 實驗設計

為了驗證內型連接磁源作為磨具，對型腔進行拋光的可行性，設計了型芯磨具的拋光實驗，搭建的實驗平臺見圖10。將拋光槽放在電火花成形機床上，調整主軸的

X、Y位置，將拋光磨具與待拋光的型腔模具對齊，

倒入磁流變拋光液進行拋光實驗。實驗選用磨料為

粒度400#的綠碳化硅，拋光表面間隙為0.5 mm，主

軸往復運動8000次。

3.2 實驗結果圖11是拋光前、后的型腔內表面，可看出有明顯改善。實驗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精密粗糙度儀測得的表面粗糙度值為Ra2.761 μm（圖12）。對其進行拋光后，型腔表面質量得到明顯改善，表面粗糙度值達到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

國家自然科學基金資助項目（51175295）；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20120002110064）

陳偉，男，1989年生，博士研究生。