往復(fù)走絲線切割工作液應(yīng)用現(xiàn)狀與分析

彭 麗*

(成都工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，成都 611730)

1963年張維良創(chuàng)新性地研制出第一臺高速走絲簡易數(shù)控線切割樣機(jī)，1967—1968年，上海復(fù)旦與上海交通電器廠聯(lián)合研制成功了“復(fù)旦型”高速走絲數(shù)控線切割機(jī)床，形成了我國特有的線切割機(jī)床品種，至今已有50年的歷史。但與國外先進(jìn)國家相比，仍存在很多問題，特別是在加工特殊材料方面，前景更是擔(dān)憂。

1 線切割加工原理

一直以來對往復(fù)走絲線切割加工原理的研究無統(tǒng)一定論，通常認(rèn)為其基本原理是:自由正離子和電子在場中積累，形成一個被電離的導(dǎo)電通道。在此階段，兩極間形成電流，導(dǎo)致離子間發(fā)生碰撞，形成一個等離子區(qū)，并很快升高到8 000～12 000℃，在通道表面瞬間熔化一些材料。同時，電極和工作液的汽化形成氣泡，且其壓力不斷上升。然后電流中斷，溫度突然降低，引起氣泡爆炸，產(chǎn)生的沖擊力把熔化的物質(zhì)拋出，并在工作液中重新凝結(jié)成小的球體，被電介液排走。

往復(fù)走絲線切割機(jī)加工每次放電蝕出材料的微觀過程可分為4個連續(xù)階段:級間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道;介質(zhì)熱分解、電極材料熔化、汽化熱膨脹;電蝕產(chǎn)物的拋出;級間介質(zhì)的消電離。

從20世紀(jì)90年代起，往復(fù)走絲線切割機(jī)廣泛用于貴金屬及稀有金屬加工。由于線切割加工輪廓所需余量較少，可以有效地節(jié)約貴金屬材料，減少消耗，降低成本。這些金屬具有特殊的理化性能，因而往復(fù)走絲線切割加工時存在的問題較多。首先易產(chǎn)生較大的加工屑，其次電極絲極易粘附加工屑。而加工屑較大也不易冷卻，將嚴(yán)重影響加工零件的表面粗糙度及加工精度，以致加工一定時間后出現(xiàn)噴嘴堵塞、導(dǎo)輪及其他機(jī)床零件受損等情況，無法正常工作。

線切割加工時實際熔化和汽化的金屬在被拋離時，向四處飛濺，除絕大分部拋入工作液中收縮成小顆粒外，由于線切割工作液中的電解質(zhì)，還有一小分部飛濺度覆、吸附在對面的電極絲表面上。很多文獻(xiàn)及線切割工作液研究者認(rèn)為這種互相飛濺度覆及吸附的現(xiàn)象對電極絲的損耗起到減少和補(bǔ)償?shù)淖饔茫?0］，但筆者認(rèn)為對低熔點的金屬來說這種現(xiàn)象屬于過度保護(hù)，已形成了對電極絲的電鍍作用，特別是銅、銀和鋁合金。這樣就對低熔點的金屬特別是低熔點較薄材料的加工相當(dāng)不利，電蝕產(chǎn)物越大越難以冷卻，被電極絲粘附電蝕物可能性更大。

2 加工屑粘附的原因分析

彭麗等［1］認(rèn)為:脈沖電源參數(shù)搭配不當(dāng)會產(chǎn)生較大的加工屑，放電點的壓力p與放電峰值電流Im成正比，與放電時間t成反比。當(dāng)Im確定后，p隨著t的增加而減少，從而使加工屑的直徑及體積變大，導(dǎo)致加工屑的熱慣性增大即不易冷卻。因此，較寬的脈沖寬度易產(chǎn)生較大的加工屑，并易粘附到電極絲上;如果脈沖寬度較窄但間隔過小的話，也會產(chǎn)生較大的加工屑。

彭麗等［2］認(rèn)為:和電蝕量有關(guān)的金屬材料性能主要是熱學(xué)性能(熱學(xué)常數(shù))。由于電極及工件材料不同，因而熱學(xué)性能也不一樣。材料的蝕出主要取決于金屬材料的熱學(xué)性能、熱傳導(dǎo)性、材料的熔點、持續(xù)時間及其他因素等。發(fā)生在電極上材料的蝕出稱為損耗，發(fā)生在工件材料上的蝕出稱為去除材料。

熱傳導(dǎo)是介質(zhì)內(nèi)無宏觀運動時的傳熱現(xiàn)象，它在固體、液體和氣體中都可發(fā)生，但嚴(yán)格來說，只有在固體中才是純粹的熱傳導(dǎo)。而流體即使處于靜止?fàn)顟B(tài)，由于溫度梯度所造成的密度差而產(chǎn)生自然對流，因此，在流體中熱對流與熱傳導(dǎo)同時發(fā)生。

鎢、鉬、石墨等材料的熔點、沸點很高，所以難以電蝕。而熔點較低的黃銅、合金、鋁合金等是容易蝕出的材料，且更容易產(chǎn)生較大電蝕產(chǎn)物。而且低熔點的金屬在高溫下極易生成氧化物，來不及冷卻的氧化物變得不穩(wěn)定，極易分解成正離子。由往復(fù)走絲線切割加工原理可知，鉬絲是負(fù)極，被加工零件是正極，而分解的正離子是一種極易得到電子的陽離子。因此，處于負(fù)極的鉬絲極易把正離子吸引過來，當(dāng)正離子得到電子就還原成金屬原子，進(jìn)而粘附在鉬絲上。少量的粘附可以增加鉬絲壽命，但過渡粘附就成了問題。如何減少粘附一直以來是需要研究和解決的問題。

3 電火花線切割工作液應(yīng)用現(xiàn)狀

實踐證明:電火花線切割加工在液體介質(zhì)中進(jìn)行最為穩(wěn)定，并且工作液的性質(zhì)對很多加工工藝指標(biāo)如切割速率、切割表面粗糙度和切精度等都有很大影響。電火花線切割在加工過程中產(chǎn)生的瞬時局部高溫易造成電極絲的損傷，影響加工質(zhì)量，并導(dǎo)致其使用壽命變短，因而需要一種冷卻性能較好的液體來達(dá)到冷卻的目的。

隨著線切割機(jī)床加工性能的提高、功能設(shè)計及技術(shù)進(jìn)步的演變，線切割工作液從早期單一油劑型產(chǎn)品發(fā)展到如今的三大類產(chǎn)品:即油劑型、水基型及水油混合型。雖然產(chǎn)品眾多，但有相當(dāng)一部分使用者對工作液的加工性能及操作工藝性能不甚了解;對在相同條件下如何利用相應(yīng)的工作液，使加工件獲得更好的內(nèi)在質(zhì)量，缺乏足夠地認(rèn)識;對線切割機(jī)床電火花放電技術(shù)中作為液體介質(zhì)的工作液，在保障線切割加工穩(wěn)定，提高切割速度，加工精度及加工件的粗糙度，降低鉬絲損耗方面的功效認(rèn)識不足。

無論是哪種類型工作液的改進(jìn)和提高，都是針對切割厚度、切割速度、切割表面粗糙度、切割精度、及延長工作液、鉬絲壽命等做文章［3－9］。很多人為追求高效率，高厚度等不斷改進(jìn)工作液，而忽略工作液對特殊材料加工工作性能的要求。而切割速度和表面粗糙度總是矛盾的，怎樣在改善切割速度的同時，進(jìn)一步改善表面粗糙度，一直以來也是往復(fù)走絲線切割需要研究的課題之一。但對于低熔點金屬材料，特別對于有色金屬這方面還沒有針對性的工作液。低熔點的金屬材料，相對高熔點金屬材料更易蝕出，無論電參數(shù)怎樣改變，都沒有解決鉬絲粘附黃銅的問題，即使增加工作液的濃度，也只是增強(qiáng)洗滌效果而已。

3.1 工作液的功能

根據(jù)線切割加工的原理，工作液必須具有一定的絕緣性能，其作用是讓脈沖電源的電壓能有效擊穿電介質(zhì)，形成放電通道，從而產(chǎn)生巨大的熱量使被加工材料熔化、汽化。同時，巨大的熱量也會導(dǎo)致放電電介質(zhì)在放電通道周圍急速膨脹，從而以爆炸的形式帶動熔化和汽化后金屬拋離放電通道。在進(jìn)入脈沖間隔期間時，放電通道消失，工作液又起到滅弧降溫的作用，等待下一個脈沖的到來，形成下一次的放電通道。再配合進(jìn)給系統(tǒng)從而使加工能繼續(xù)下去，得到所需的形狀。所以工作液同時起到放電通道形成消失，降溫和排除蝕出材料的作用。

不同的化學(xué)性能對其功能有一定的影響。冷卻功能主要是減少工件變形，提高加工精度，延長電極絲壽命，進(jìn)而加大切削速度和進(jìn)給量，提高生產(chǎn)率。水基的合成乳化液冷卻性能相對較好，但加工出的工件不易清洗，特別是熔點金屬，長久使用會導(dǎo)致機(jī)床不好清潔，冷卻效果也會受影響。其冷卻性能還和噴嘴結(jié)構(gòu)以及工作液流量、噴射方式等有關(guān)。

3.2 工作液的主要性能要求

工作液要求具有適中的介電性能。使放電能力相對集中，不允許短路，同時在放電加工結(jié)束后，有利于電極間絕緣狀態(tài)的恢復(fù)。工作液的介質(zhì)電導(dǎo)率的大小沒有統(tǒng)一定論，如何尋找電導(dǎo)率的最佳值呢?筆者認(rèn)為可以遵循以下幾個原則:1)要有優(yōu)良的防銹性能。工作液如果防銹性能不好，時間久了會銹蝕機(jī)床和工件，不僅無法正常加工，還將破壞設(shè)備和被加工工件。因此防銹性能是線切割工作液的重要條件之一。2)要有一定的爆炸力。用較小的電流能夠切割較厚的工件，并有利于排除熔化金屬微粒。但對于低熔點金屬，特別是較薄低熔點材料的金屬加工，怎樣控制爆炸劑劑量問題有待研究和實驗。3)要有較好的冷卻性和沖洗性，以保持機(jī)床和工件的清潔，并減少粘性物的殘留。4)要有良好的潤滑性。以降低電極絲成本，提高表面加工精度從而提高表面加工質(zhì)量。同時保證加工出的工件能正常取出，且容易清洗。5)工作液應(yīng)環(huán)保，不應(yīng)產(chǎn)生有害氣體。6)還應(yīng)考慮工作液的流量、壓力的穩(wěn)定性、供液方式和工作液的過濾精度等。適當(dāng)?shù)墓ぷ饕簤毫?，可以有效地排除電蝕物等，同時還可以增強(qiáng)其對電極絲的冷卻效果;工作液上下沖液的壓力要均勻、穩(wěn)定;工作液的供給要充分，盡量包裹住電極絲，使工作液迅速順利進(jìn)入加工區(qū)，達(dá)到穩(wěn)定加工的目的;還可增加濾液裝置，避免堵塞噴嘴影響冷卻效果。

4 線切割工作液的改進(jìn)

工作液能否在提高加工效率和表面粗糙度等工藝指標(biāo)的同時，針對低熔點材料的加工進(jìn)行改進(jìn)?

往復(fù)走絲線切割機(jī)使用的電極絲都是鉬、鎢和鎢鉬絲。王光君等［11］研究了在鉬粉上鍍銅，結(jié)果表明:鉬粉上鍍銅與溫度和pH值成正比關(guān)系。我們可以考慮從工作液的pH值入手來分析線切割加工黃銅為什么會粘附更多的銅屑。

劉仁輝等［12］提出:銅屬半貴金屬，與平衡氫電極相比，具有較正的電位，但和氧電極電位相比，電位較負(fù)。所以在大多數(shù)條件下可能進(jìn)行陰極吸氧腐蝕，而不可能從酸中析出氫。當(dāng)酸、堿中無氧化劑存在時，銅比較耐蝕;當(dāng)酸、堿中含氧化劑時，銅會發(fā)生腐蝕。

工作液多呈強(qiáng)堿性，如無錫膏狀線切割工作液的pH值為11～12，成都DX－1工作液的pH值為10～11，模德模德40型水液體的pH值為10～12，南京特種油廠生產(chǎn)的DX－1和DX－2型線切割工作液的pH值為9～10。因此，工作液對低熔點的金屬材料會造成大的腐蝕。

針對銅被廣泛應(yīng)用及其在某些條件下容易受到腐蝕的特點，人們采用了很多方法來防護(hù)銅，其中較普遍的是在工作液中添加各種緩蝕劑［13］。

5 結(jié)語

資料［14－17］表明:線切割工作液的堿性強(qiáng)弱不同，它在常溫下的電導(dǎo)率也不同，針對一般金屬材料及高熔點的材料可通過增加電導(dǎo)率來提高線切割加工效率。往復(fù)走絲線切割機(jī)成本低，加工范圍廣泛，不僅可以加工貴金屬，而且可以加工工程陶瓷材料和結(jié)構(gòu)陶瓷材料。但由于工程陶瓷材料和結(jié)構(gòu)陶瓷材料等材料的特殊性，其在線切割加工中也存在問題。如何針對不同的特殊材料，在線切割工作液中添加不同的添加劑，應(yīng)該是未來線切割工作液的研究方向。

［1］彭麗，程明，李虹霖.電火花線切割加工黃銅內(nèi)孔槽的工藝研究［J］.電加工與模具，2010(3):59 －62.

［2］彭麗，劉世民.防銹鋁合金的電火花線切割加工工藝［J］.電加工與模具，2003(5):49－51.

［3］林長俊.線切割電火花線切割乳化液的合成與應(yīng)用［J］.電加工，1991(2):10－12.

［4］劉志東，金慶同.一種新型高速走絲電火花線切割工作液［J］.電加工與模具，2004(4):61－62.

［5］張之義.線切割工作液添加劑的試驗研究［J］.電加工，1993(2):34－37.

［6］劉志東.高速走絲電火花線切割工作介質(zhì)性能要求研究［J］.航空緊密制造技術(shù)，2006(6):29－32.

［7］劉志東.高速走絲電火花超高厚度切割工作液的研制［J］.電加工與模具，2006(4):125－127.

［8］楊鵬，宋昌清.電火花線切割液研究進(jìn)展［J］.機(jī)床與液壓，2010(11):143－146.

［9］趙小軍，線切割工作液的應(yīng)用與發(fā)展［J］.模具制造，2011(3):71－74.

［10］李家杰.數(shù)控線切割機(jī)床培訓(xùn)教程［M］.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2012，6.

［11］王光君，王德志，吳壯志，等.鉬粉上化學(xué)鍍銅工藝研究［J］.稀有金屬材料與工程，2008(8):1491－1494.

［12］劉仁輝，劉紅芳，黃志剛，等.銅及銅合金表面鈍化處理研究現(xiàn)狀［J］.世界有色金屬，2010(8):74－75.

［13］王晃，方水浪，丁平.鎢粉化學(xué)鍍銅工藝研究［J］.材料保護(hù)，2004(5):22－23.

［14］王祥東，劉志東，學(xué)榮媛，等.介質(zhì)電導(dǎo)率對鈦合金電火花加工性能的影響研究［J］.電加工與模具，2013(4):19－22.

［15］學(xué)榮媛，劉志東，王祥東，等.工作介質(zhì)粘度對鈦合金電火花加工的影響研究［J］.電加工與模具，2013(6):15 －19.

［16］王祥志，劉志東，薛榮媛等.介質(zhì)氧化特性對鈦合金電火花加工電極損耗的影響研究［J］.電加工與模具，2014(1):5－8.

［17］李明明，劉志東，李凌玲.往復(fù)走絲線切割復(fù)合工作液壽命表征的研究［J］.電加工與模具，2014(2):14－17.