以复合工作液为放电介质的低速走丝电火花线切割可行性研究

航空精密制造技术特种加工以复合工作液为放电介质的低速走丝电火花线切割可行性研究刘志东（南京航空航天大学，南京210016）从典型放电波形分析了电火花线切割加工的极间放电特征，对高速走丝电火花线切割放电机理进行了探讨，通过对高速走丝线切割放电间隙、走丝速度对切割效率及表面质量影响的分析，得出了以复合工作液为放电介质的低速走丝电火花线切割是可行的结论。

高速走丝；复合工作液；低速走丝；可行性1刖言对于电火花线切割而言多次切割技术是提高加工精度及表面质量的根本手段。一般采用一次切割成形，二次切割提高精度，三次以上切割提高表面质量。目前已知的低速走丝电火花线切割（WEDM-LS）―次切割*高加工效率已经可达500mm2/min，实用的一次切割*高加工效率为120-i50mm2/min，多次切割后*佳加工精度可达到*.002mm以内，一般切割精度可达*.005mm，*佳表面粗糙度可达到Ra目前国内已有数家厂成功推出具有多次切割功能的高速走丝电火花线切割机床（WEDM-HS），为与传统WEDM-HS有所区别，行业内称这类机床为可控的因素考虑，对于WEDM-MS而言其电极丝状态、工作介质的冷却特性等因素仍不能精确控制，特别是电极丝空间位置的稳定性、电极丝损耗等因素仍然使得WEDM-DS精密多次切割受到较大的制约。经过系统性的试验，以目前WEDM-MS多次切割控制系统为基础经过对机床部分特别是运丝系统部分进行改造，本文提出了一种仍然采用WEDM-HS复合工作液为加工介质且沿用目前传统的WEDM-LS运丝系统结构的经济型WEDM-LS设计方案。

2以复合工作液为放电介质的WEDM-LS可行性分析以往研究认为WEDM-HS与WEDM-LS在放电机理方面存在明显区别，WEDM-HS放电是‘轻微压上式“放电，而非传统的间隙放电。由此得出一系列关于WEDM-HS放电特性的结论，且研究表明WEDM-HS极间的冷却主要是依靠电极丝的带入作用形成的，这些有关WEDM-HS放电特性的论述是在使用传统工作介质-乳化液的条件下得出的，具有一定的局限性。由于采用油基工作介质后，伴随着放电通道内10000*C以上的高温，工作介质将分解并产生大量的高分子化合物，并与蚀除产物反应生成胶体状物质，如所示。这些物质将黏附在切缝内使切割完毕后工件需用力推出或敲出，严重影响新鲜工作介质进入切缝及电蚀产物的排除，并使两极间不能维持有流动的工作介质，工件和电极丝表面得不到及时冷却，直接影响了正常放电的延续，降低了正常放电比例，导致切割速度下降，工件表面加工质量恶化，电极丝损伤，耐用度下降，严重时甚至引起烧丝。

为克服油基工作介质切割时引起的上述问题，人们研制出含有少量油性组份的复合工作液（或微乳化液），这类工作介质较好地协调了油基和水基工作介质的矛盾。当选用洗涤性良好的复合工作液后（如佳润系列的JR1A、JR3A），切割完毕工件自动落下，切割表面只有一层薄膜状的产物，表面没有换向条纹，证明其极间呈现所示的均匀冷却状况。在此冷却条件下，可以采用较大的放电能量（平均切割电流6~7A）进行长期稳定切割，切割效率可达200mm2/min以上。从采集的典型放电波形观察，对于洗涤能力较差的乳化液，由于极间充满导电的胶体或颗粒物质，采集到的放电波形基本没有击穿延时，有较多比例的脉冲在起始放电即呈现短路状态，并且在放电过程中电压跳动较大（），说明放电过程中间隙状态不稳定；而选用复合工作液后，在较好的冷却状况下，放电波形呈现出间隙放电的典型特征-放电击穿延时现象（），并且洗涤条件愈好（如切割厚度较低时），放电击穿延时的比例就愈高，放电电压的波动也较小，说明极间区域存在较均匀的工作介质从而体现出间隙放电的特征。因此在采用了洗涤性良好的工作介质后WEDM-HS放电的特性也应该遵循传统的间隙放电的特征。

在0.01mm左右，这也是得出WEDM-HS极间冷却主要是依靠电极丝带入作用而形成的这一结论的重要前提。当然可以想象即使此时放电间隙较大，但极间充满着粘状的油性蚀除产物，此时工作液也是很难进入极间切缝的。当然由于采用乳化液为工作介质时切割能量一般都局限在较小的范围内，并且用普通量具测量出的放电间隙是个虚值，由于脉冲电源的峰值电流较低，放电通道内金属的蚀除形式以熔化为主，因此放电点周边存在较多的毛刺及凝固的金属液滴（），以上这些因素都是导致得出WEDM-HS单边放电间隙基本在0.01mm这一结论的原因。但如果改用洗涤能力较强的复合工作介质，其放电间隙将会因为工件表面洗涤作用的增加，表面残存金属液滴的减少并变小（）有所提高且随着放电能量的增加，放电间隙也将大大增大。

使用乳化液切割使用复合工作液切割测微显微镜直接测量工件表面的切缝宽度可得出在使用复合工作液后，平均加工电流3A时WEDM-HS切割实际单边放电间隙已超过0.03mm（未考虑切割面的腰鼓度），且随着切割能量的继续增加以及工作介质洗涤能力的增强而增大。因此在工作介质洗涤性能较好的情况下WEDM-HS完全可以通过增加脉冲能量特别是峰值电流以获得更大的放电间隙甚至获得与WEDM-LS相近的放电间隙。因此在保持极间清洁的状态下完全可以采用工作介质高压喷射的方式来提高冷却介质在放电间隙内的流动均匀性，并借助复合工作液本身良好的洗涤作用获得更好的极间冷却效果及对蚀除产物的冲洗作用，从而获得更高的切割效率及更好的表面切割质量。

2.3走丝速度对于切割速度的影响WEDM-HS电极丝的高速运动有助于切缝内工作介质的进入与蚀除产物的排出。以往研究认为这种冷却方式的采用主要是因为放电间隙较窄，工作介质不能强迫喷入所致，实际根本原因还是因为采用乳化液为工作介质后，放电产生的大量碳黑及与蚀除产物反应生成胶体状物质粘附堵塞在切缝内使得工作介质不能喷入所致，因此只有通过增加运丝速度来降低电极丝停留在工作区域的时间且提高蚀除产物的带出量。但对于在切缝出口处堆积着粘性胶体状物质的情况单纯靠增加运丝速度来提高工作介质的带入量和蚀除产物的带出量以达到提高加工稳定性，提供切割效率的效果作用是有限的，这也是为何WEDM-HS丝速增加到一定程度后切割速度并未再继续增加的主要原因。

如果使用洗涤性良好的工作介质，使得切缝内的洗涤状态均匀，再采用强迫喷液的方法进一步改善极间的冷却状况，此时再降低运丝的速度，减少机床的振源，从而达到提高切割工艺指标的目的应是可行的。为工件厚度30mm，材料Cr12淬火，采用JR1A复合工作液和DX乳化液加工效率与运丝速度的关系对比图，由图中可以看出采用JR1A工作液走丝速度降低到5m/s左右对加工速度基本没有影响。以往普遍认为WEDM-HS的运丝速度不能低于8m/s，速度太低后将会大大影响切割效率与切割稳定性，并且由于极间不能充分冷却，丝速过低后，断丝的几率将大大增加，这一结论对于采用以DX乳化液为代表的工作介质应该是适合的，但对于洗涤能力较强的工作介质而言在实际切割过程中，走丝速度实际上可以大大降低。因此如果极间冷却条件进一步改善，采用强迫喷液的方式，在保证极间工作介质可以对两极均匀冷却作用的前提下，丝速是可以大幅度降低甚至降低到WEDM-LS的丝速水平的。

走丝速度与切割效率关系图经过降低运丝速度并采用普通喷液方式所获得的切缝宽度测量结果表明，在相同的放电能量条件下，分别采用9m/s及0.2m/s的运丝速度，所获得的切缝宽度分别为：0.1795mm及0.1828mm（电极丝直径0.12mm，切割电流2.2-2.4A），说明切缝宽度主要取决于切割能量与冷却介质，与丝速关系不大。

2.4走丝速度对切割表面形貌的影响丝速切割0.2m/s丝速切割在选用洗涤性良好的JR1A工作液及在传统的冷却方式条件下，采用9m/s及0.2m/s的运丝速度所获得的切割工件表面形貌如、所示。由图中可以发现采用与WEDM-LS相近的运丝速度后切割表面残留的金属液滴较大，说明极间的冷却状态有所下降，同时放电凹坑呈现出长条形状，说明走丝速度大幅度降低后对于同样脉冲放电持续时间，放电作用的区域会拉长。但在如此低的走丝速度及传统的冷却条件下，切割仍然可以比较稳定的延续，只是切割效率降低了一半左右，因此如果采用提高峰值电流增加放电间隙，同时采用强迫喷液方式改善极间的冷却状态，必然可以恢复到原来的切割速度状态。

3结束语由上述分析可知如果采用具有良好洗涤性的工作介质，以黄铜丝作为工具电极，用低速走丝的运丝方式；选用改进的脉冲电源（所谓改进其中一个主要的方面是增加峰值电流以增大放电间隙）；采用强迫冲液方式就应该具备了WEDM-LS加工的基本条件，从目前所做的基础性研究分析，该研究思路应该是可行的。也就是说可以生产出具有我国特色的采用复合工作液作为放电介质的经济型WEDM-LS.当然还有相当多的工作需要开展，由于工作介质的差别，与使用去离子水的传统WEDM-LS相比其极间的放电机理和特性还需要进一步研究，脉冲放电的形式和极间状态变化后需要采取的加工策略、工作介质的指标控制等都有待进一步探讨，此外如何将传统WEDM-LS的一些成熟技术移植到采用复合工作液为工作介质的WEDM-LS上还需要做深入的研究。但可以预言具有我国特色的经济型WEDM-LS将会成为我国电火花线切割加工方式的一种补充，并可替代一部分入门型的WEDM-LS.