浸液式往復走絲電火花線切割加工研究

張偉建，劉志東，邱明波

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016）

往復走絲電火花線切割機床（俗稱“高速走絲電火花線切割機床”）是我國獨創(chuàng)的電加工設備，被廣泛應用于模具制造和零件加工業(yè)。目前，具有多次切割功能的往復走絲電火花線切割機床（俗稱“中走絲機床”）較大程度地提高了加工工藝水平，但由于其本質(zhì)還是往復走絲線切割加工，故因導向器磨損過快、運絲換向時產(chǎn)生的振動沖擊較大、電極絲損耗等因素造成的電極絲空間穩(wěn)定性問題并沒有從根本上得到解決[1]，“中走絲機床”的加工精度也沒有實質(zhì)性的突破，依然無法滿足精密模具的制造要求。

往復走絲電火花線切割加工一般采用噴液冷卻方式，工作液隨電極絲帶入放電間隙[2]，噴液會對電極絲產(chǎn)生擾動，電極絲上下走絲時對加工區(qū)域冷卻不均勻，工作液對電極絲阻尼作用不相同，造成電極絲空間位置保持性差，從而影響了加工工藝水平尤其是切割精度的進一步提高。對此，本文提出在往復走絲電火花線切割加工平臺上實現(xiàn)浸液冷卻方式，并對其加工精度、表面質(zhì)量、電極絲損耗等進行工藝實驗研究。

1 極間工作液的影響

往復走絲電火花線切割加工是用半柔性的鉬絲作為工具電極，并通過電極與工件之間的脈沖放電作用進行加工的。在絲筒電機帶動下，絲筒高速轉動帶動鉬絲進行往復運動和導輪轉動[3]。因此，放電加工時，由于放電力的作用及絲筒的換向沖擊、導輪徑向跳動和軸向竄動、噴液對電極絲的擾動等各種因素，均會造成電極絲空間位置的變化，其振動方程為：

式中：ρ 為電極絲的密度；F 為電極絲的張力；f 為電極絲的橫向力。

研究發(fā)現(xiàn)，在未切入工件之前，這種振動是可觀的，其振幅有時會超過1 mm，但當電極絲切入工件之后，經(jīng)過切縫中工作液對電極絲的阻尼作用，振動振幅將大幅衰減[4]。因此，保持放電間隙工作液充足、均勻，將有利于減小電極絲空間位置的變化。工作液的阻尼作用力F表達式為：

式中：Q 為阻尼系數(shù)；ρ 為間隙中工作液密度；v 為工作液流速；A為間隙中電極絲的面積。

由此可知，極間工作液的阻尼作用力F 與間隙中工作液密度ρ、流速的平方v2及間隙中電極絲的面積A 成正比。其中，ρ、v 與加工中的冷卻洗滌條件和電極絲運動速度密切相關。

當極間冷卻洗滌條件差、工作液得不到及時補充時，工作液對電極絲的阻尼力減小，會使蝕除產(chǎn)物無法及時隨工作液排出，在放電間隙形成堆積，此時極間冷卻和消電離不正常，造成微短路甚至產(chǎn)生微電弧放電等不正常放電現(xiàn)象，還會造成電極絲張力發(fā)生較大變化，電極絲撓度增大，進而影響加工精度。當極間冷卻洗滌狀況良好，極間放電間隙工作液得到及時補充，蝕除產(chǎn)物能及時排出放電間隙，工作液對電極絲產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的阻尼作用，電極絲張力均勻、空間穩(wěn)定性好，工件加工精度較高。此外，工作液附著在電極絲上作高速運動，其流速與電極絲的運動速度有關。電極絲運動速度越快，工作液流速越快，工作液阻尼作用較大，電極絲穩(wěn)定性好，工件加工精度高；相反，運絲速度越慢，工作液流速慢，工作液阻尼作用弱，電極絲穩(wěn)定性差，工件加工精度低。

2 不同冷卻方式的分析

2.1 極間狀態(tài)對比分析

往復走絲電火花線切割加工一般采用噴液冷卻方式，當切割工件厚度不大時，工作介質(zhì)在電極絲帶動下進入切縫并對工件和電極絲進行冷卻較易做到。此時，極間放電間隙工作液充足，電極絲及工件表面能得到及時冷卻，蝕除產(chǎn)物能及時排出，切割表面較光滑、平整。但當切割工件較厚時，隨電極絲帶入的工作液在切縫內(nèi)逐漸損耗，電極絲在工件出口處相當長的距離內(nèi)將處于基本無工作介質(zhì)保護膜的狀態(tài)（圖1），從而會在冷卻條件極為惡劣甚至沒有冷卻的條件下進行放電。由于不能及時將蝕除產(chǎn)物帶走，表面將殘留許多蝕除產(chǎn)物及放電高溫形成的碳化合物，使放電在蝕除產(chǎn)物與工作介質(zhì)的混合體甚至是膠體介質(zhì)內(nèi)進行，這種放電因為工件表面得不到充分冷卻，將產(chǎn)生嚴重燒傷層，影響加工工件表面的完整性。

圖1 噴液式極間加工狀態(tài)

以目前的控制系統(tǒng)為基礎，對機床下線臂、導輪等結構及夾具進行改造，采用復合工作液作為工作介質(zhì)，實現(xiàn)浸液式加工，運絲原理見圖2。工件在整個加工過程中完全浸沒在復合工作液中。

圖2 浸液運絲結構示意圖

采用浸液冷卻洗滌方式的現(xiàn)場照片見圖3，其極間加工狀態(tài)示意見圖4。浸液式冷卻條件下，工作液將電極絲完全包裹，切縫內(nèi)工作液也很均勻，阻尼效果較噴液式好很多，同時消除了噴液式冷卻對電極絲的擾動，提高了工件加工精度。

在相同的加工參數(shù)下，分別采用浸液式、噴液式切割150 mm 厚的Cr12 材料，采集到的放電加工波形見圖5和圖6。

圖3 浸液加工現(xiàn)場照片

圖4 浸液式極間加工狀態(tài)

圖5 浸液式放電加工波形

圖6 噴液式放電加工波形

可看出，浸液式加工的放電波形呈現(xiàn)出間隙放電的典型特征——放電擊穿延時現(xiàn)象，放電擊穿延時的比例較高，放電電壓的波動較小，說明極間區(qū)域存在較均勻的工作介質(zhì)，極間放電間隙冷卻洗滌均勻，電極絲空間位置穩(wěn)定性好。而噴液加工采集到的放電波形基本沒有擊穿延時，有的脈沖在起始時即呈現(xiàn)短路狀態(tài)，有的脈沖放電過程中電壓跳動較大，說明極間放電間隙工作液不均勻，電極絲抖動較大，放電狀態(tài)不穩(wěn)定。

2.2 電極絲損耗對比分析

選用直徑0.18 mm 的鉬絲，厚80 mm 的Cr12材料，分別采用浸液式、噴液式進行電極絲絲損實驗，選取的電參數(shù)見表1。

表1 切割電參數(shù)

由圖7 可看出，浸液式加工的電極絲損耗明顯小于噴液式加工。這是因為浸液式加工時，極間工作液充足，電極絲表面始終有液體保護膜包裹，這層保護膜形成類似“防彈衣”的作用，可吸收部分正離子的轟擊能量，并通過自身的氣化將轟擊產(chǎn)生的大量熱量帶走，減少放電通道內(nèi)熱量對電極絲產(chǎn)生的熱疲勞影響，極大降低了電極絲的損耗[6]。同時，由于工作液中的鐵離子在外加電場作用下發(fā)生陰極沉積[7]，在電極絲表面形成鍍覆層，一定程度地補償了鉬絲的損耗，延長了電極絲的使用壽命。

而在噴液式加工時，特別當電極絲自下往上運動時，極間工作液不充分，電極絲不能得到及時冷卻，部分電極絲表面沒有液體保護膜的包裹，受到正離子的轟擊，電極絲損傷嚴重。此外，電極絲在張力與放電加熱的作用下，將較快地產(chǎn)生塑性變形并被拉長，電極絲損耗增加，耐用度降低。

圖7 電極絲損耗對比圖

3 浸液式、噴液式切割實驗對比

噴液式加工時，工作液隨電極絲帶入到放電間隙的多少，除了與加工厚度有關，還與電極絲運絲速度有關。因此，在不同絲速下進行浸液式、噴液式加工實驗，對比腰鼓度（即平直度，指中部尺寸與上部、下部尺寸最大偏差的絕對值）、尺寸精度（指尺寸變化范圍的大小，即最大加工尺寸減去最小加工尺寸的絕對值）、表面粗糙度、切割效率的區(qū)別。實驗條件及切割參數(shù)見表2和表3。

表2 實驗條件

表3 切割電參數(shù)

3.1 尺寸精度及腰鼓度對比分析

由圖8和圖9 可看出，腰鼓度與尺寸精度的變化規(guī)律基本相同。絲速大于8 m/s 時，噴液式加工的工作液隨電極絲帶入切縫較容易，放電間隙中工作液的密度與流動速度與浸液式相同，極間工作液的阻尼作用大致相等，浸液式加工放電區(qū)域外的工作液對電極絲的抖動也能起到一定的阻尼作用，相對噴液式加工，腰鼓度與尺寸誤差要略小一些。當絲速降到4 m/s 時，噴液式加工無法將足夠的工作液帶入放電間隙，冷卻洗滌條件開始惡化，部分蝕除產(chǎn)物無法及時排出，造成放電加工不穩(wěn)定，相對于浸液式加工，尺寸誤差較大。當絲速降到2 m/s 時，浸液式與噴液式加工的尺寸誤差都明顯增大，浸液式加工雖然不用考慮極間工作液補償問題，但由于絲速過慢，放電蝕除產(chǎn)物不能及時隨工作液排出，在放電間隙中堆積，加工工件表面產(chǎn)生積碳燒傷現(xiàn)象，影響了加工工件的尺寸精度；而噴液式加工極間沒有充足的工作液，放電加工狀態(tài)更加惡劣，加工表面積碳燒傷也更嚴重，加工尺寸精度相對浸液式加工更差。

圖8 絲速與腰鼓度的關系曲線

圖9 絲速與最大尺寸偏差的關系曲線

3.2 加工表面質(zhì)量與切割速度對比分析

由圖10 可看出，絲速越慢，切割速度越低。因為切割速度與電極絲空間位置的穩(wěn)定性及極間冷卻洗滌狀態(tài)有關。絲速快，冷卻洗滌條件好，電極絲實際張力大[8]，加工穩(wěn)定性好，故切割速度快。

圖10 絲速與切割速度的關系

浸液式加工的切割速度要低于噴液式加工，主要是由于浸液式加工時，工件浸沒在工作液中，工件表面會發(fā)生電化學漏電反應，造成部分放電加工能量損失，切割速度有所降低。當電極絲的絲速≥4 m/s 時，浸液式加工的切割速度變化不大，因為絲速對其放電間隙冷卻狀態(tài)影響較??；而噴液式加工的切割速度隨著絲速的降低呈明顯下降趨勢，說明絲速降低對極間工作液的帶入產(chǎn)生明顯影響。當絲速低于4 m/s 時，浸液式與噴液式加工的切割速度都明顯降低，浸液式加工由于絲速過低，導致蝕除產(chǎn)物無法及時排出，極間洗滌條件變差，影響放電能量利用率，加工效率降低；而噴液式加工由于極間沒有充足的工作液冷卻，放電狀態(tài)更不穩(wěn)定，切割速度會迅速下降。

線切割加工的表面質(zhì)量與單個放電脈沖能量有關。由圖11 可看出，當絲速大于6 m/s 時，表面粗糙度值變化不大，浸液式加工由于其工件表面產(chǎn)生電解漏電，單個脈沖放電能量會有所損失，表面粗糙度值略低于噴液式加工。

圖11 絲速與表面粗糙度的關系

當絲速低于4 m/s 時，噴液式加工由于極間沒有充足的工作液進行冷卻洗滌，蝕除產(chǎn)物無法及時排出，加工表面出現(xiàn)燒傷條紋；浸液式加工則因為極間工作液充足，冷卻條件好，加工表面質(zhì)量變化不大（圖12）。當絲速為2 m/s 時，浸液式加工的部分表面出現(xiàn)燒傷條紋，主要是由于絲速慢導致極間工作液流速慢，無法及時將產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物全部排出，而噴液式加工極間工作液不足，表面燒傷更嚴重（圖13）。因此，極間放電間隙的冷卻條件對加工表面質(zhì)量會產(chǎn)生重要影響。

圖12 絲速4m/s 時的加工表面形貌

圖13 絲速2m/s 時的加工表面形貌

4 結論

（1）極間工作液對電極絲的阻尼作用能有效抑制電極絲的抖動，而工作液的阻尼作用又與間隙工作液的密度、流速及間隙洗滌性有關，放電間隙工作液越均勻、流速越快，電極絲阻尼作用越好，電極絲空間位置越穩(wěn)定。

（2）相對噴液式加工，浸液式加工由于加工區(qū)域冷卻充分、電極絲表面始終有工作液包裹、電極絲表面會發(fā)生電解沉積反應，故加工時的絲損較小，電極絲使用壽命延長。

（3）噴液式加工的工作液隨電極絲帶入放電間隙，其帶入量與電極絲絲速有直接關系。絲速越低，工作液帶入量越少，極間冷卻洗滌條件惡化，加工不穩(wěn)定；而浸液式加工只需考慮絲速對蝕除產(chǎn)物排屑的影響，由于極間工作液充足，浸入工作液的電極絲會受到均勻的阻尼作用，在相同加工參數(shù)下，浸液式加工能獲得更好的加工精度與表面質(zhì)量。

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