微孔過濾技術(shù)在線切割工作液系統(tǒng)中的應(yīng)用

齊文春，高堅(jiān)強(qiáng)，郭麗華，黃 鶯

（1.蘇州科技學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州215011；2.蘇州新火花機(jī)床有限公司，江蘇蘇州215128）

微孔過濾技術(shù)在線切割工作液系統(tǒng)中的應(yīng)用

齊文春1，高堅(jiān)強(qiáng)2，郭麗華1，黃 鶯1

（1.蘇州科技學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州215011；2.蘇州新火花機(jī)床有限公司，江蘇蘇州215128）

電火花線切割加工工作液系統(tǒng)中產(chǎn)生的分解物主要有兩類：一類是微米級(jí)的固體顆粒；另一類是亞微米級(jí)的懸浮物。目前紙質(zhì)濾芯的過濾精度一般在5～7 μm，只能過濾部分固體顆粒。將微孔過濾技術(shù)應(yīng)用于以水基工作液為工作介質(zhì)的線切割加工機(jī)床工作液系統(tǒng)中，能很好地解決工作液過濾難度大的問題，對(duì)于線切割加工中產(chǎn)生的固體顆粒和懸浮物都能起到過濾作用，過濾效果好。雖然該技術(shù)目前還不適用于油劑型的乳化液工作液系統(tǒng)，但在水基工作液系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為提升往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床工作液過濾系統(tǒng)的過濾效果提供了一個(gè)非常有效的途徑。

電火花線切割加工；工作液系統(tǒng)；過濾；微孔過濾技術(shù)

在往復(fù)走絲型電火花線切割機(jī)床中，如果工作液系統(tǒng)的過濾效果不佳，一方面，工作液中的雜質(zhì)微粒會(huì)使工作介質(zhì)的電導(dǎo)率和放電間隙發(fā)生變化，影響放電過程的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響零件的尺寸精度、一致性精度及加工效率；另一方面，工作液中的雜質(zhì)微粒會(huì)影響流場(chǎng)特性，加大工作液進(jìn)入放電間隙的阻力，使高壓噴液方式難以實(shí)現(xiàn)，尤其在小能量放電加工時(shí)，由于放電間隙小，其難度就更大，從而制約了加工精度和效率的提高。由于工作液過濾難度較大，長期循環(huán)使用會(huì)使工作液變臟、切割性能變壞，所以工作液使用一段時(shí)間（約1～2周）就要更換[1]。因此，如何提高線切割工作液系統(tǒng)的過濾效果，是線切割加工領(lǐng)域一個(gè)急待解決的現(xiàn)實(shí)問題。

1 工作液系統(tǒng)的現(xiàn)狀

1.1 工作液介質(zhì)的使用現(xiàn)狀

往復(fù)走絲電火花線切割加工目前經(jīng)常使用的工作液介質(zhì)主要有油基型、水基型以及水油混合型3類[2-3]。

油基型工作液是最早應(yīng)用于線切割機(jī)床的工作液，其代表產(chǎn)品是油酸鉀皂乳化液DX-1，兌水后呈乳白色。因其含油量較高，加工中的潤滑性及防銹性都較好；工作液偏堿性，常溫下的電導(dǎo)率為300～600 μS/cm；工作液適于加工300 mm厚度以下的工件，在此厚度范圍內(nèi)，其加工機(jī)械性能較好，具有良好的潤滑性、排屑性及冷卻性，且加工穩(wěn)定。該工作液的缺點(diǎn)是加工效率相對(duì)較低、不能滿足多次切割要求、加工間隙較小、大厚度加工時(shí)排屑困難、工作液的過濾有難度、工作液使用排放處理不符合綠色能源環(huán)保要求等。因此，這類工作液適合于普通的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床，不適合具有多次切割功能的“中走絲”機(jī)床。

水基型工作液是20世紀(jì)80年代末研發(fā)出的產(chǎn)品，近十年才真正得到大量推廣使用。這類工作液呈堿性，常溫下初始電導(dǎo)率為1200～1800 μS/cm；不含礦物油，清洗、冷卻效果都優(yōu)于油基型工作液，且滲透性特強(qiáng)。由于其電導(dǎo)率是油基型工作液的兩倍以上，因此放電間隙較大，也便于冷卻液在加工件的間隙中清洗排屑，切割效率比油基型工作液提高15%～35%，加工工件的表面粗糙度值能降低0.5～1級(jí)。因此，在加工大厚度工件時(shí)，水基型工作液優(yōu)勢(shì)明顯。由于水基工作液不含礦物油，在使用中不存在油污的影響，工件清洗方便，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境清潔，無異味，不燃燒，安全可靠，加工中對(duì)人體基本無害；廢液的處理比油基型工作液簡單，大大減少了環(huán)境污染，且存放保質(zhì)期長，使用壽命長，可長時(shí)間使用、不更換。因此，這類工作液既可用于普通往復(fù)走絲線切割機(jī)床，也可用于“中走絲”機(jī)床，是工作液的主要發(fā)展方向。目前，水基工作液需注意和解決的關(guān)鍵問題是機(jī)床工作臺(tái)面和工件切割面易生銹的問題。

水油混合型工作液又被稱為復(fù)合型微乳化工作液，簡稱復(fù)合工作液，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代中期，大量推廣使用也在近十年。這類工作液可獲得較理想的加工表面粗糙度，工件表面質(zhì)量很好，切割斷面的顏色十分悅目，切割效率也比單一的油基型高，很好地融合了前兩種產(chǎn)品的加工品質(zhì)。用于大厚度工件加工時(shí)，工作液的冷卻滲透性能和排屑性能令人滿意，也易獲得較好的加工精度，并解決了單一使用某種工作液的弊端。這類工作液已在“中走絲”機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用，目前存在的問題主要是產(chǎn)品靜置存放時(shí)間較長易出現(xiàn)分層；另外，由于含有油性物質(zhì)，過濾處理難度比水基工作液大。

1.2 工作液過濾系統(tǒng)的現(xiàn)狀

線切割加工產(chǎn)生的分解物主要有2類：一類是來自加工工件和電極絲放電腐蝕熔化氣化后的金屬產(chǎn)物，這類產(chǎn)物一般以固體顆粒狀形態(tài)存在，放置一段時(shí)間后會(huì)沉淀或被磁鐵吸附，顆粒大小與放電能量有關(guān)，通常是幾微米至十幾微米大小數(shù)量級(jí)；另一類是來自于工作液分解及工件材料氣化狀態(tài)分解后的極微細(xì)產(chǎn)物，這類產(chǎn)物一般以懸浮物的方式存在于工作液中，即使長時(shí)間放置也不會(huì)沉淀，懸浮物的大小通常是亞微米數(shù)量級(jí)。圖1是采用激光多普勒技術(shù)對(duì)某工作液懸浮物的粒度大小及分布進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果，可看出，懸浮物大小通常只有0.07～0.8 μm，大部分集中在0.3～0.5 μm尺寸段內(nèi)。

圖1 線切割工作液懸浮物分布圖

目前，往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的工作液過濾方式主要有自然沉淀過濾、紙質(zhì)濾芯過濾、磁鐵吸附過濾3種。由于電火花線切割加工機(jī)床目前使用的工作液箱只有幾十升的容量，工作液泵的不斷攪動(dòng)及從機(jī)床回流的臟工作液會(huì)對(duì)箱內(nèi)工作液造成沖擊，箱內(nèi)工作液始終處于動(dòng)態(tài)，要靠自然沉淀的方式解決過濾問題幾乎是不可能的。由于目前紙質(zhì)濾芯的過濾精度一般在5～7 μm，顯然也只能過濾部分固體顆粒，隨著使用時(shí)間的延長，紙質(zhì)濾芯會(huì)堵塞，從而影響過濾的進(jìn)行，過濾效果有限，故紙質(zhì)濾芯過濾方式只適用于一般的粗加工場(chǎng)合，對(duì)于精密小能量加工基本達(dá)不到過濾要求。

2 微孔過濾技術(shù)的應(yīng)用

微孔過濾技術(shù)作為一項(xiàng)新型精密過濾技術(shù)，目前已在化工、生物、醫(yī)藥、廢水處理等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用[4]，高分子微孔濾芯對(duì)水溶液中0.3 μm微粒的過濾效率一般可接近100%，所以絕大多數(shù)液體經(jīng)一次過濾就可得到清澈、透明的濾液[5]。采用反吹法可將微孔濾芯表層截留的絕大部分微粒吹掃除去，且再生效率很高，一般超過95%～98%，因此，采用反吹再生技術(shù)可使高分子精密微孔濾芯連續(xù)使用二年以上[5]。

2.1 微孔過濾技術(shù)的過濾原理

圖2是基于微孔過濾技術(shù)的線切割加工工作液過濾器結(jié)構(gòu)示意圖。該過濾器主要由罐體、進(jìn)液管道、出液管道、濾芯固定板、微孔濾芯和廢液渣出口等組成。正常過濾時(shí)，臟工作液經(jīng)進(jìn)液管道進(jìn)入罐體內(nèi)，在一定壓力的作用下，臟工作液中的被過濾微粒在微孔濾芯外側(cè)表面形成吸附膜，臟工作液經(jīng)吸附膜和微孔濾芯的微孔膜過濾后，再從微孔濾芯內(nèi)側(cè)空腔及出液管道流出，實(shí)現(xiàn)臟工作液的澄清與過濾。

圖2 基于微孔過濾技術(shù)的線切割加工工作液過濾器結(jié)構(gòu)

圖3是基于微孔過濾技術(shù)的精密過濾器過濾原理示意圖。精密過濾器中的微孔濾芯采用微孔高分子材料或微孔陶瓷材料制成，濾芯的微孔平均孔徑比被過濾微粒雜質(zhì)的平均直徑要大一些，選擇適合微孔精度的微孔濾芯，并使被過濾的工作液通過微孔濾芯時(shí)形成合適的壓力差，含有懸浮物微粒的臟工作液在壓力作用下流向微孔濾芯表面。開始時(shí)，較小的懸浮物微粒會(huì)進(jìn)入或通過微孔濾芯中的孔隙；隨后，在懸浮物微粒與微孔濾芯表面之間的吸附力及拱橋效應(yīng)等綜合作用下，懸浮物微粒會(huì)吸附在微孔濾芯外表面上，形成一層吸附膜。這是一層多孔狀吸附膜，能有效阻止之后的懸浮物微粒繼續(xù)通過，但液體能繼續(xù)通過，從而起到過濾臟工作液中懸浮物微粒的作用，而不會(huì)堵塞微孔濾芯中的孔隙。微孔濾芯的數(shù)量取決于微孔濾芯的結(jié)構(gòu)形式和過濾面積，根據(jù)過濾系統(tǒng)的流量要求及單根濾芯的過濾面積來確定微孔濾芯的數(shù)量。

圖3 基于微孔過濾技術(shù)的精密過濾器過濾原理

精密微孔過濾技術(shù)既不是表面過濾，也不是深層過濾，而是表層過濾。其過濾現(xiàn)象是大孔徑毛細(xì)孔過濾小顆粒，而不是小孔徑毛細(xì)孔過濾大顆粒。過濾機(jī)理是表層吸附與孔口架橋?yàn)橹?，表面機(jī)械篩濾為輔[5]。

利用大于正常過濾時(shí)壓力差的壓縮空氣或罐體內(nèi)的工作液可對(duì)微孔濾芯進(jìn)行反沖再生，將這層吸附膜及少量已進(jìn)入微孔濾芯的微粒雜質(zhì)吹離微孔濾芯，再對(duì)從廢液渣出口排出的廢渣進(jìn)行回收處理，從而使微孔濾芯達(dá)到多次反復(fù)循環(huán)使用和無排放保護(hù)環(huán)境的目的。

2.2 基于微孔過濾技術(shù)的過濾流程

對(duì)于具有多次切割功能的電火花線切割機(jī)床來說，精加工時(shí)的放電能量小，最小放電間隙只有4～5 μm，放電產(chǎn)物固體顆粒大小只有1～3 μm，懸浮物大小僅0.3～0.5 μm，顯然用現(xiàn)有的紙質(zhì)濾芯過濾是達(dá)不到過濾要求的。本文提出了一種基于微孔過濾技術(shù)的線切割工作液系統(tǒng)過濾方法，其過濾流程見圖4。

圖4 基于微孔過濾技術(shù)的線切割工作液系統(tǒng)過濾流程圖

在該工作液過濾系統(tǒng)中，為了減少微孔過濾濾芯的過濾負(fù)擔(dān)，需對(duì)線切割加工產(chǎn)生的臟工作液進(jìn)行初級(jí)過濾，大量的固體顆粒在這一階段被過濾清除，然后再進(jìn)行微孔精密過濾。含有各類雜質(zhì)微粒的臟工作液流回工作液箱后，首先經(jīng)磁性、濾網(wǎng)、紙質(zhì)濾芯或用自然沉淀等方法對(duì)臟工作液中大部分幾微米至十幾微米大小數(shù)量級(jí)的固體顆粒雜質(zhì)進(jìn)行過濾，經(jīng)初級(jí)過濾后，只剩下少量粒度較小的固體微粒和懸浮物，這些分解物再經(jīng)微孔過濾技術(shù)進(jìn)行精密過濾。目前的微孔過濾技術(shù)可過濾0.2 μm以上的固體微粒和懸浮物雜質(zhì)，所以經(jīng)微孔過濾技術(shù)過濾后的工作液基本能滿足線切割加工的過濾要求。

利用反沖再生技術(shù)將過濾過程中吸附在微孔濾芯表面的吸附膜（廢渣）和極少量已進(jìn)入微孔濾芯的微粒雜質(zhì)吹離微孔濾芯，并從廢液渣出口排出，對(duì)廢渣可進(jìn)行回收處理，從而使微孔濾芯達(dá)到多次反復(fù)循環(huán)使用并做到無排放保護(hù)環(huán)境的目的。

使用該技術(shù)對(duì)某“中走絲”線切割機(jī)床加工中使用的水基工作液進(jìn)行實(shí)際過濾，選用過濾精度為0.2 μm的陶瓷微孔濾芯，經(jīng)長時(shí)間過濾使用，過濾

后的工作液檢測(cè)不到微粒粒度在0.2 μm以上的微粒雜質(zhì)，工作液清潔透明，過濾效果很好。但經(jīng)多次試驗(yàn)，目前該微孔過濾技術(shù)對(duì)于油劑型的乳化液還不適用。

3 結(jié)論

（1）將微孔過濾技術(shù)應(yīng)用于以水溶性水基工作液為工作介質(zhì)的線切割加工機(jī)床工作液系統(tǒng)中，能很好地解決工作液過濾難度較大的問題，對(duì)于線切割加工產(chǎn)生的固體顆粒和懸浮物都能起到過濾的作用，過濾后的工作液清潔透明，過濾效果很好。

（2）微孔過濾屬于精密液體澄清過濾技術(shù)，過濾機(jī)理是表層吸附與孔口架橋?yàn)橹?、表面機(jī)械篩濾為輔。微孔過濾濾芯可采用反吹技術(shù)進(jìn)行再生，以達(dá)到長期使用的目的，有利于降低成本；同時(shí)可采用反吹技術(shù)對(duì)廢渣進(jìn)行回收處理，避免產(chǎn)生廢液排放，滿足了無排放的環(huán)境保護(hù)要求，是今后工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。

（3）由于線切割加工對(duì)象范圍廣泛，使線切割工作液中的分解物種類很多，有導(dǎo)電和不導(dǎo)電、導(dǎo)磁和不導(dǎo)磁、固體顆粒和懸浮物、有機(jī)物和無機(jī)物等；且分解物粒度大小分布范圍廣，從零點(diǎn)幾微米到十幾微米。為了提高微孔過濾技術(shù)的過濾效果，減輕微孔濾芯的過濾負(fù)擔(dān)，一定要對(duì)臟工作液進(jìn)行初級(jí)過濾，使大部分的固體顆粒在初級(jí)過濾階段被過濾清除掉。

（4）微孔過濾技術(shù)采用的濾芯主要有高分子精密微孔濾芯和陶瓷精密微孔濾芯，而采用精密微孔濾芯的數(shù)量與濾芯的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、單根濾芯過濾面積、過濾精度、過濾流量等因素有關(guān)，主要根據(jù)過濾系統(tǒng)的過濾流量及單根濾芯過濾面積來確定。對(duì)于不同的過濾系統(tǒng)要求，需根據(jù)過濾溶液種類及過濾精度要求選擇合適的材質(zhì)和過濾精度的濾芯，并確定合適的過濾壓力和流量，才能使微孔過濾技術(shù)發(fā)揮出良好的過濾效果。

4 展望

精密微孔濾芯作為一種新型的過濾材料，以其良好的凈水性能和再生性能在工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。現(xiàn)將該技術(shù)推廣應(yīng)用到線切割領(lǐng)域，并已初步獲得了效果。但目前該技術(shù)的應(yīng)用仍存在許多問題有待進(jìn)一步研究和探討，如微孔過濾產(chǎn)品的過濾精度的進(jìn)一步提高，孔徑分布均勻程度的嚴(yán)格控制，微孔過濾產(chǎn)品對(duì)不同種類工作液的適應(yīng)性，針對(duì)不同種類工作液的過濾系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)控制，初級(jí)過濾與微孔精密過濾的優(yōu)化匹配，微孔過濾技術(shù)目前還不適用油劑型乳化液等。總之，微孔過濾技術(shù)作為一種新的富有前景的精密過濾技術(shù)，在線切割領(lǐng)域得到初步應(yīng)用后，已使工作液的過濾效果得到了極大的提高，且解決了廢渣排放的環(huán)保問題，這為往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床工作液過濾系統(tǒng)過濾效果的提升提供了一個(gè)非常有效的途徑。

[1] 蔡樂安.連續(xù)加工中線切割工作液對(duì)加工的影響[J].電加工與模具，2002（4）：21-24.

[2] 于儁.淺談電火花線切割機(jī)床工作液發(fā)展現(xiàn)狀[J].電加工與模具，2011（增刊）：31-34.

[3] 潘傳藝.中走絲電火花線切割工作液的應(yīng)用與發(fā)展[J].模具制造，2011（5）：97-100.

[4] 宋顯洪，宋志黎.化工生產(chǎn)上的液體精密過濾與最新過濾技術(shù)[J].化工裝備技術(shù)，2003（3）：8-12.

[5] 宋顯洪，宋志黎，陳金富，等.液體澄清過濾技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2009，37（2）：42-46.

The Application of Microporous Filtration Technology in WEDM Working Fluid System

Qi Wenchun1，Gao Jianqiang2，Guo Lihua1，Huang Ying1
（1.Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011，China；2.Suzhou New Spark Machine Tool Co.,Ltd，Suzhou 215128，China）

There are mainly two kinds of decomposition product generated by the WEDM working fluid system.One kind is few micron grade size solid particles，and the another is submicron suspension.The filtration precision of paper filter which could deal with only a part of solid particles generally is 5～7 microns.When microporous filtration technology is applied to WEDM working fluid system which uses water-based fluid as working fluid，the problems of filtration difficulties of the working liquid is well solved.Both solid particles and suspended solids generated during wire cutting process can be filtered effectively and filtering effect is outstanding.Although，the technology could not be applied to emulsion working fluid system currently，but it provides a very effective way to improve the filtering effect for reciprocating wire cutting machine working liquid filtration system with the successful application in water-based working fluid system.

WEDM；working fluid system；filtration；microporous filtration technology

TG661

A

1009-279X（2014）03-0031-04

2013-12-30

蘇州市吳中區(qū)工業(yè)科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012-20）第一作者簡介：齊文春，男，1961年生，副教授。