高速走絲電火花線切割工作液失效研究

陸霖琰 劉志東 田宗軍 魏 為

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

0 引言

高速走絲電火花線切割是具有中國特色的電火花加工技術(shù)，它使用的工作介質(zhì)經(jīng)歷了煤油、普通乳化液、線切割專用乳化液及合成工作液等發(fā)展階段。目前國內(nèi)普遍使用的線切割工作介質(zhì)有乳化液、水基合成液和介于這兩者之間的復(fù)合工作液［1］。工作液的性能主要取決于它的成分、濃度及臟污程度等多種因素。目前切割條件下引起的工作液各性能變化還相當(dāng)復(fù)雜且不可控，導(dǎo)致了切割狀態(tài)的判斷主要依靠個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，因此尋找工作液失效的表征指標(biāo)，以便及時(shí)監(jiān)控工作液狀態(tài)，以保證切割工藝指標(biāo)的穩(wěn)定，已成為急需解決的問題，并且這也是高速走絲電火花線切割機(jī)床向進(jìn)一步可控化發(fā)展的需要。

1 試驗(yàn)條件

機(jī)床采用蘇州開拓電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DK7732“中走絲”機(jī)床;電極絲:鉬絲，φ0.18mm，長300m;試件:模具鋼Cr12，厚60mm;工作液:佳潤JR3A復(fù)合乳化膏與自來水按1∶50配制，水箱容積為40L，此時(shí)電導(dǎo)率為3830μS/cm，加工過程中未進(jìn)行過濾;測量工具:DDS－12A電導(dǎo)率儀、WY32R手持折光儀、MITUTOYO工具測量顯微鏡、pH精密試紙(測試范圍8.2～10)、烏氏黏度計(jì);加工電參數(shù):脈寬32μs、占空比1∶6，功率管4只，起始穩(wěn)定切割電流約3.3A;連續(xù)加工中每間隔10h測量工作液的電導(dǎo)率、濃度、pH值、黏度及切割效率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 工作液失效的表征

工作液失效的表征到目前為止并沒有統(tǒng)一的指標(biāo)，一般認(rèn)為在機(jī)床狀態(tài)良好的情況下，工作液切割效率降低了15%～20%就可以判定為工作液失效［2］。在此條件下對比試驗(yàn)中工作液失效前后工件的表面粗糙度分別為Ra=4.4μm和Ra=4.2μm，表面微觀形貌分別如圖1、圖2所示。

圖1 工作液起始階段表面微觀形貌

圖2 工作液失效階段表面微觀形貌

可見，工作液失效前后工件的表面粗糙度值相差不大，由圖1和圖2的表面微觀形貌圖可以看出工作液失效前后表面微觀形貌基本不變，因此采用切割效率來表征工作液失效會更為直觀和準(zhǔn)確。但在實(shí)際加工中，由于切割材料、厚度等不同，使得切割效率的計(jì)算沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，即使切割標(biāo)準(zhǔn)工件可使計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，但這需要在切割大型工件時(shí)，中途停下來切割標(biāo)準(zhǔn)工件，這顯然是不實(shí)際的。為此，筆者研究了連續(xù)加工中工作液電導(dǎo)率、蝕除產(chǎn)物濃度、pH值、黏度這4個(gè)性能指標(biāo)與切割效率的變化關(guān)系，以尋找與切割效率相關(guān)聯(lián)的指標(biāo)［3］。

2．2 工作液電導(dǎo)率和切割效率的變化關(guān)系

從圖3的切割效率曲線可以看出連續(xù)加工中的切割效率可以分為3個(gè)階段:0～60h為效率小幅上升并回落階段;60～160h為效率平穩(wěn)階段;160～210h為效率急速下降階段。第一階段:切割效率先上升到一個(gè)最高峰值107mm2/min，然后下降到起始效率值100mm2/min。第二階段:切割效率長時(shí)間維持在100mm2/min左右。第三階段:加工160h后切割效率開始迅速下降，210h后切割效率降為 82mm2/min，切割總面積達(dá)1.071m2。按習(xí)慣的判斷標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)工作液的使用壽命已到，因此工作液使用壽命時(shí)間為210h(如果按一天實(shí)際切割 10h、平均效率在 90 mm2/min左右、工作液箱40L左右計(jì)算，JR3A乳化膏的使用壽命大約是3周)。

圖3 工作液電導(dǎo)率與切割效率曲線

從圖3可以看出切割效率與電導(dǎo)率存在十分緊密的聯(lián)系，在第一階段的起始期切割效率隨著電導(dǎo)率的上升而提高到最高值，然后效率下降到起始值。說明電導(dǎo)率對切割效率有一個(gè)最佳值，超過最佳值后，切割效率不再提高［4］。在第二階段電導(dǎo)率與切割效率都維持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。第三階段，隨著電導(dǎo)率的迅速上升，切割效率迅速下降，并且從宏觀上看，切割變得不穩(wěn)定，電流表指針擺幅較大。從工作液起始階段的放電波形(圖4)與工作液失效階段的放電波形(圖5)可以看出，失效時(shí)的擊穿延時(shí)和空載波形明顯增多，脈沖的利用率則大幅度降低，切割效率下降。從圖5失效階段的脈沖放電波形看，放電存在較高比例的擊穿延時(shí)現(xiàn)象，說明此時(shí)加工中的極間狀態(tài)仍然維持良好狀態(tài)。

圖4 工作液起始階段放電波形圖

圖5 工作液失效階段放電波形圖

通過以上分析可知，連續(xù)加工中復(fù)合工作液的電導(dǎo)率與切割效率存在一定的對應(yīng)變化關(guān)系，因此電導(dǎo)率可作為衡量復(fù)合工作液失效的指標(biāo)之一。切割效率下降15%～20%時(shí)對應(yīng)的復(fù)合工作液電導(dǎo)率范圍為5900～6800μS/cm。

2．3 濃度與工作液電導(dǎo)率關(guān)系

乳化膏組分中含有一定量的電解質(zhì)，因此工作液濃度提高，電導(dǎo)率也會上升。一定濃度下的工作液在加工過程中，由于工作液的外濺、霧化以及高溫下的氣化等會使工作液產(chǎn)生損耗并導(dǎo)致濃度發(fā)生變化［5］。試驗(yàn)中每隔10h采用WY32R手持折光計(jì)測量工作液(未過濾)的濃度(測量會存在一定誤差，但它是目前測量工作液濃度常用的儀器)，濃度變化曲線如圖6所示。并測量210h時(shí)經(jīng)過3～5微米級過濾的工作液的濃度，其數(shù)值比未過濾時(shí)小0.3%，可知過濾對濃度的變化影響很小，因此采用折光計(jì)測量的濃度曲線有效。

圖6 工作液濃度變化曲線

由圖6可知，在整個(gè)加工過程中工作液濃度略有增加，說明工作液的損耗主要是以整體損耗為主。濃度變化小，因此加工中工作液電導(dǎo)率的上升可以基本排除濃度因素的影響。

2．4 蝕除產(chǎn)物濃度與工作液電導(dǎo)率、切割效率的關(guān)系

本試驗(yàn)中由于工作液產(chǎn)生整體損耗，加工210h至失效后，剩余質(zhì)量為11.7kg。假設(shè)蝕除產(chǎn)物質(zhì)量未損耗(實(shí)際上蝕除產(chǎn)物也會隨工作液損耗一部分)，其總質(zhì)量為 2kg(按放電間隙30μm［6］，蝕除產(chǎn)物成分為鐵計(jì)算)，由此可知工作液失效時(shí)蝕除產(chǎn)物所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多為17%，但由于重力等作用會使蝕除產(chǎn)物聚沉在工作液箱底部，導(dǎo)致懸浮在工作液中的實(shí)際蝕除產(chǎn)物含量要比17%小很多。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為加工中蝕除產(chǎn)物的增加會導(dǎo)致工作液失效［7］，為了解實(shí)際情況，本試驗(yàn)在新配制的復(fù)合工作液中逐步增加高速走絲電火花線切割的蝕除產(chǎn)物，研究了蝕除產(chǎn)物對復(fù)合工作液的電導(dǎo)率和切割效率的影響。測得含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)蝕除產(chǎn)物下的電導(dǎo)率和切割效率曲線，如圖7所示。

圖7 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)蝕除產(chǎn)物的電導(dǎo)率與切割效率曲線

由圖7可知，隨著蝕除產(chǎn)物的增加，電導(dǎo)率略有上升，切割效率基本保持不變，由此可知加工中不斷增多的蝕除產(chǎn)物是以分子形式出現(xiàn)的，并不會產(chǎn)生多余的離子，因此對工作液的電導(dǎo)率和切割效率的影響很小。

從工作液起始階段放電波形(圖4)和含18%蝕除產(chǎn)物放電波形(圖8)可以看出增加蝕除產(chǎn)物后，放電波形擊穿電壓和峰值電流基本不變，說明電導(dǎo)率變化不明顯，放電脈沖利用率也基本保持不變，切割效率基本相同。從蝕除產(chǎn)物的SEM圖(圖9)可知蝕除產(chǎn)物顆粒絕大多數(shù)是數(shù)微米的團(tuán)聚球形顆粒，只有少數(shù)10μm以上的球形顆粒，這相對于放電間隙30μm要小很多。因此蝕除產(chǎn)物在具有良好洗滌性的復(fù)合工作液和電極絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)(10m/s)下能及時(shí)排出放電間隙，不會造成極間蝕除產(chǎn)物的堆積，極間狀態(tài)仍維持比較穩(wěn)定的放電狀態(tài)。

圖8 含18%蝕除產(chǎn)物放電波形

圖9 放電蝕除產(chǎn)物SEM圖

由以上分析可知，工作液電導(dǎo)率的上升排除了蝕除產(chǎn)物的因素。試驗(yàn)中采用正極性加工，工件材料主要成分是鐵，在電場作用下會發(fā)生電解作用，鐵是活性電極，作陽極時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng):Fe－2e－=Fe2+，又因?yàn)閺?fù)合工作液呈堿性，F(xiàn)e2+能和OH－繼續(xù)反應(yīng)生成Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2還能和氧氣、水繼續(xù)反應(yīng)，最終生成Fe(OH)3。Fe3+與OH－之間的化學(xué)鍵帶有共價(jià)性質(zhì)，它的溶解度小，而溶于水的部分，其中少部分又有可能形成膠體，其余亦能電離出Fe3+，使電導(dǎo)率上升，同時(shí)復(fù)合工作液中的組份在高溫加工條件下可能發(fā)生分解，導(dǎo)致工作液中離子濃度增加，電導(dǎo)率上升［8］。

2．5 工作液p H值與切割效率的變化關(guān)系

pH值的大小反應(yīng)了工作液的酸堿性，工作液的酸堿性要適宜，堿性太強(qiáng)容易腐蝕機(jī)床，新配制的復(fù)合工作液pH值為8.5，呈堿性。采用pH精密試紙(測量范圍8.2～10)測量連續(xù)加工中復(fù)合工作液的pH值，其曲線如圖10所示。從圖10可以看出，pH值增大了0.5，增加的幅度很小。其中pH值出現(xiàn)了兩個(gè)階梯性的增長，這主要是由pH試紙的測量值的標(biāo)定為 8.2、8.5、8.8、9.0、9.3、9.7、10引起的，理論上pH值應(yīng)該是平穩(wěn)升高。通過pH值的變化可知工作液中OH－濃度上升很少，對電導(dǎo)率影響甚小。從而再次證明電導(dǎo)率的升高主要是由工作液中金屬離子增加引起的。

圖10 工作液p H值與切割效率曲線

從圖10中可知，當(dāng)切割效率出現(xiàn)急速變化時(shí)，pH值仍保持不變，兩者之間沒有明顯的對應(yīng)變化關(guān)系，因此不宜選用pH值來衡量復(fù)合工作液失效。

2．6 工作液黏度與切割效率的變化關(guān)系

黏度是液體流動(dòng)阻力大小的一種度量，該阻力來自于液體內(nèi)部的摩擦作用，這主要是由于液體溶劑分子層與相鄰分子層在相對移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力而引起的。黏度值較高時(shí)，液體流動(dòng)性差、流動(dòng)緩慢而呈現(xiàn)黏滯性［9］。

圖11 工作液黏度與切割效率曲線

在同一溫度下測得連續(xù)加工中復(fù)合工作液黏度的變化曲線如圖11所示，從圖中可以看出隨著復(fù)合工作液的使用時(shí)間的增加，其黏度值在小范圍內(nèi)略有上升，這主要是由于在線切割加工過程中，復(fù)合工作液的不斷循環(huán)使用，使其含有了一定量的電蝕產(chǎn)物，同時(shí)由于高溫作用復(fù)合工作液中的水分在不斷減少，復(fù)合工作液濃度略有上升，造成工作液流動(dòng)性略為變差，黏度小幅增大。

對比圖11中黏度和切割效率的變化趨勢可以看出，隨著切割效率的迅速下降，黏度并沒有很明顯增加，兩者沒有對應(yīng)的變化關(guān)系。因此不宜選用黏度指標(biāo)來衡量復(fù)合工作液失效。

2．7 工作液失效后的處理方式

為恢復(fù)失效工作液的性能并保持工作液濃度不變，在失效工作液中逐漸添加新鮮工作液，其電導(dǎo)率和切割效率曲線如圖12所示。隨著新鮮工作液的加入，電導(dǎo)率逐漸降低，切割效率逐漸升高，再次說明了切割效率與電導(dǎo)率的對應(yīng)關(guān)系。但當(dāng)新鮮工作液與失效工作液的質(zhì)量比高達(dá)1∶1時(shí)切割效率才提高為94mm2/min，并沒有恢復(fù)至工作液起始階段的切割效率，因此工作液失效后應(yīng)該徹底更換工作液。

圖12 失效工作液的效率恢復(fù)曲線

3 結(jié)論

(1)通過比較粗糙度、表面微觀形貌和切割效率的變化，得出采用切割效率表征工作液失效更為直觀和準(zhǔn)確的結(jié)論。

(2)電導(dǎo)率的上升主要是由于電解作用產(chǎn)生鐵離子所致，蝕除產(chǎn)物對復(fù)合工作液的電導(dǎo)率基本沒影響。

(3)通過比較復(fù)合工作液電導(dǎo)率、蝕除產(chǎn)物濃度、pH值、黏度與切割效率的變化關(guān)系，得出電導(dǎo)率可作為衡量復(fù)合工作液失效的指標(biāo)的結(jié)論。

(4)工作液失效后應(yīng)徹底更換工作液。

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［8］ 潘湛昌，郭鐘寧，王成勇．高速走絲電火花線切割加工中工作液的電解作用［J］．電加工，1996(2):17-19．

［9］ 張曉燕，魏引煥，任威．快走絲線切割加工中工作液性能對加工質(zhì)量的影響［J］．模具制造，2004(9):63-65．