往復(fù)走絲電火花線切割蝕除產(chǎn)物顆粒對(duì)放電加工的影響

李謝峰，劉志東，李明明

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

電火花線切割加工是機(jī)械制造領(lǐng)域中一種重要的加工技術(shù)[1,2]。隨著電火花線切割加工要求的不斷提高，對(duì)影響加工的各種因素的研究更加深入且細(xì)致，而過濾系統(tǒng)是影響其加工的重要因素之一。目前，在對(duì)單向走絲電火花線切割機(jī)床多年的研究過程中發(fā)現(xiàn)，隨著加工時(shí)間的增加，如不及時(shí)清洗水箱內(nèi)的幾道過濾網(wǎng)，就易引起堵塞，補(bǔ)充水供應(yīng)不上，導(dǎo)致機(jī)床報(bào)警甚至停機(jī)；而此時(shí)的去離子水不僅影響零件的加工表面質(zhì)量，且極易對(duì)機(jī)床工作液箱及零部件造成腐蝕[3]。在往復(fù)走絲電火花線切割加工中，一般只采取簡單的過濾系統(tǒng)，主要目的是防止噴水板堵塞，基本上沒有考慮過濾的精度對(duì)切割加工的影響；且加工蝕除產(chǎn)物對(duì)放電狀態(tài)影響的研究也較少。本文設(shè)計(jì)了一種新型的過濾系統(tǒng)，通過控制過濾不同大小的蝕除產(chǎn)物顆粒，進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，分析了蝕除產(chǎn)物對(duì)放電加工的影響。

1 新型過濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的工作液過濾系統(tǒng)見圖1，主要通過過濾棉過濾工作液中的雜質(zhì)。工作液進(jìn)入工作液箱后，工作液中的蝕除產(chǎn)物會(huì)沉淀或在磁鋼作用下加速沉淀，最后再通過水泵直接將工作液送至加工區(qū)。其缺點(diǎn)是大顆粒蝕除產(chǎn)物不能完全過濾。由于磁鋼與工作液的接觸面積小，磁性強(qiáng)度不高，磁場(chǎng)分布不均勻（靠近磁鋼磁力線密集，遠(yuǎn)離磁鋼磁力線稀疏），且蝕除產(chǎn)物具有一定的動(dòng)能，必然造成大顆粒蝕除產(chǎn)物無法完全被磁鋼吸附，進(jìn)而造成噴水板堵塞，影響切割工藝指標(biāo)。

圖1 傳統(tǒng)過濾系統(tǒng)示意圖

新設(shè)計(jì)的過濾系統(tǒng)見圖2。首先，工作液通過磁性分離器將大顆粒蝕除產(chǎn)物充分過濾，因?yàn)榇判苑蛛x器的磁棒是高強(qiáng)度釹制磁鐵，且有多個(gè)磁棒均勻分布在箱體中，與工作液的接觸面積大，磁場(chǎng)分布較均勻，工作液與磁棒充分接觸，有利于蝕除產(chǎn)物的吸附；隨后，工作液流入工作液箱，進(jìn)行二次沉淀，再通過高壓水泵將工作液送入紙芯過濾器；最后，利用水閥調(diào)整，供給加工區(qū)域冷卻。

圖2 新型過濾系統(tǒng)示意圖

2 顆粒大小對(duì)極間的影響

從圖3 可看出，蝕除產(chǎn)物的顆?；旧洗笥? μm，大部分都在5～10 μm 之間，而一般放電間隙約為10 μm，所以，只有≤10 μm 的蝕除產(chǎn)物才能完全進(jìn)入放電間隙。進(jìn)入放電間隙的蝕除產(chǎn)物對(duì)放電加工的影響主要有兩方面：①顆粒較大時(shí)，易造成異常放電（微短路或短路），從而增加疏松接觸放電幾率，惡化工件表面質(zhì)量，加速電極絲損耗，降低切割速度（圖4a）；②顆粒較小時(shí)，易促成正常放電，提高切割速度。這是因?yàn)槲g除產(chǎn)物在極間縮短了正負(fù)極之間的距離，增加了有效脈沖利用率，提高了切割速度；同時(shí)，使異常放電的出現(xiàn)幾率降低，減少了對(duì)電極絲的損傷，從而降低了電極絲的損耗[4]，也改善了工件表面質(zhì)量（圖4b）。

圖4 蝕除產(chǎn)物顆粒在放電間隙中的狀況

因此，從理論分析可知，蝕除產(chǎn)物顆粒在3～10 μm 時(shí)，有利于切割工藝指標(biāo)的提高。

3 試驗(yàn)論證

3.1 試驗(yàn)條件

加工試驗(yàn)條件見表1。采用3 種不同規(guī)格的折疊紙芯（表2），在相同電源參數(shù)下進(jìn)行工藝指標(biāo)對(duì)比試驗(yàn)，切割加工兼顧了4 個(gè)切割方向。圖5 是加工現(xiàn)場(chǎng)的照片。

表1 試驗(yàn)條件

表2 折疊紙芯的規(guī)格

圖5 加工現(xiàn)場(chǎng)照片

3.2 絲損與過濾的關(guān)系

從圖6 可看出，1 號(hào)紙芯加工后的絲損最大，3號(hào)紙芯加工后的絲損最小。反映出蝕除產(chǎn)物顆粒為3～5 μm 時(shí)，有利于降低電極絲損耗。

圖6 3 種紙芯的電極絲直徑損耗對(duì)比

3.3 切割速度與過濾的關(guān)系

試驗(yàn)中，采用1 號(hào)紙芯時(shí)，切割速度最慢，為97 mm2/min；采用2 號(hào)和3 號(hào)紙芯時(shí)的切割速度相近，分別為106、109 mm2/min。反映出蝕除產(chǎn)物顆粒為3～8 μm 時(shí)，有利于提高切割速度。

3.4 表面質(zhì)量與過濾的關(guān)系

從圖7 可看出，采用1 號(hào)紙芯加工的工件表面質(zhì)量最差，表面粗糙度值為Ra 5.677 μm；采用2號(hào)、3 號(hào)紙芯加工的工件表面質(zhì)量相近，表面粗糙度值分別為Ra 5.154 μm和Ra 4.963 μm，且采用3號(hào)紙芯切割的工件表面比2 號(hào)更光亮。說明蝕除產(chǎn)物顆粒為3～5 μm 時(shí)，有利于提高工件表面質(zhì)量。

3.5 工作液壽命與過濾的關(guān)系

在機(jī)床狀態(tài)良好的情況下，以切割速度降低15%～20 %為工作液失效的判定依據(jù)[6]，并將工作液失效前所切割的面積定義為工作液壽命。

從圖8 可看出，蝕除產(chǎn)物顆粒的大小對(duì)工作液壽命的影響很大。采用1 號(hào)紙芯時(shí)的工作液壽命最短，說明工作液含有較多的大顆粒蝕除產(chǎn)物，易堵塞放電間隙，造成工作液排屑能力下降，從而影響切割速度。

圖7 工件表面質(zhì)量對(duì)比

圖8 切割面積對(duì)比

4 放電波形分析

從圖9 可看出，采用3 種過濾紙芯進(jìn)行加工，按放電擊穿時(shí)間排序依次為：1 號(hào)＜2 號(hào)＜3 號(hào)。因?yàn)楫?dāng)附著在電極絲或工件表面的蝕除產(chǎn)物顆粒變大時(shí)，就會(huì)減小放電間隙，并快速形成放電通道，使放電擊穿時(shí)間變短。此外，蝕除產(chǎn)物顆粒的大小對(duì)峰值電流和間隙電壓基本沒有影響。

圖9 正常放電波形對(duì)比

從圖10 可看出，采用1 號(hào)紙芯時(shí)，放電波形中出現(xiàn)大量短路和微短路的異常放電，說明蝕除產(chǎn)物與電極絲的接觸幾率很大，加大了電極絲損耗和斷絲幾率，工件表面質(zhì)量惡化，切割速度降低；采用2號(hào)紙芯時(shí)，放電波形中存在少量的短路和微短路波形，也有一定量較短的擊穿延時(shí)的正常放電波形，說明蝕除產(chǎn)物與電極絲的接觸幾率較小，產(chǎn)生較少的異常放電，降低了電極絲損耗，同時(shí)縮短放電間隙，提高脈沖有效率，使切割速度得到提高；采用3號(hào)紙芯時(shí)，放電波形基本上沒有短路波形，存在極少數(shù)的微短路和一定量較長時(shí)間的擊穿延時(shí)的正常波形，說明蝕除產(chǎn)物與電極絲的接觸幾率很小，基本上無異常放電，大大降低了電極絲損耗，提高了切割速度，改善了工件表面質(zhì)量。由此說明：8～10 μm 的蝕除產(chǎn)物顆粒是惡化加工工藝指標(biāo)的主要因素，而3～5 μm 的蝕除產(chǎn)物顆粒有利于提高加工工藝指標(biāo)。

圖10 放電波形對(duì)比

5 小結(jié)

在設(shè)計(jì)的新型工作液系統(tǒng)條件下，通過不同規(guī)格的紙芯過濾器進(jìn)行工藝試驗(yàn)，研究出最佳蝕除產(chǎn)物顆粒范圍為3～5 μm；在相同切割面積下，電極絲損耗下降25 %～50 %，切割速度提高2 %～12.4 %，表面粗糙度值Ra 下降3.7 %～12.6 %，工作液壽命增加25 %～50 %。

[1]趙萬生.特種加工技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]曹鳳國.電火花加工技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]陳平.數(shù)控電火花線切割機(jī)床過濾系統(tǒng)的改進(jìn)[J].電加工與模具，2012（4）：59－61.

[4]張旭東，李謝峰.往復(fù)走絲電火花線切割在高速加工的電極絲壽命研究[J].模具工業(yè)，2012，38（4）：44－49.

[5]陸霖琰.復(fù)合工作液對(duì)高速往復(fù)走絲電火花線切割加工影響研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[6]劉志東.高速走絲電火花線切割工作介質(zhì)發(fā)展方向研究[J].新技術(shù)新工藝，2006（11）：70－73.