SiC納米介質(zhì)電火花線切割高速低損加工研究*

馬秀麗 滕凱 孫濤 張磊

（①徐州機(jī)電技師學(xué)院，江蘇 徐州 221131；②徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

高速走絲電火花線切割作為一種非接觸式的電火花特種加工技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、裝備制造和航空航天等領(lǐng)域。為了進(jìn)一步提高線切割加工的切割速度和表面質(zhì)量，相繼進(jìn)行了氣體、水霧和混粉工作液等不同介質(zhì)的脈沖火花放電試驗(yàn)與研究。王彤等[1?4]分別在工作液、氣體與水霧等介質(zhì)中進(jìn)行了電火花放電對(duì)比研究。研究發(fā)現(xiàn)，氣體、水霧介質(zhì)較工作液介質(zhì)中的加工表面粗糙度、尺寸精度和形位公差均有所提高，但也存在電火花放電間隙小，排屑困難，加工不穩(wěn)定的情況。張威等[5]在常規(guī)介質(zhì)中添加了質(zhì)量濃度為10 g/L 的TiC粉末，研究發(fā)現(xiàn)，混粉介質(zhì)較常規(guī)介質(zhì)電火花加工表面更加平整，裂紋減少，表面質(zhì)量和表面硬度均得到提高。白雪等[6]發(fā)現(xiàn)當(dāng)混粉介質(zhì)被擊穿時(shí)，均勻分布在電場(chǎng)中的SiC顆粒，迅速串聯(lián)、擴(kuò)展，在兩極之間形成多條放電通道，能夠增大放電間隙，減小短路率，提高加工穩(wěn)定性。

目前，混粉電火花加工研究主要集中在電火花成型加工領(lǐng)域，針對(duì)電火花線切割的研究較少。尤其在高速走絲電火花線切割加工研究方面，未見有基于納米級(jí)混粉工作液介質(zhì)的線切割高速低損加工研究。為此，采用SiC納米混粉工作液作為介質(zhì)進(jìn)行電火花線切割試驗(yàn)研究。利用SiC納米微粒，降低極間絕緣性，增大放電間隙，拓展放電通道，分散放電點(diǎn)，以此提高電火花線切割加工的切割速度和表面質(zhì)量，并降低電極絲損耗。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

線切割雙介質(zhì)供液系統(tǒng)集成了常規(guī)和納米介質(zhì)兩個(gè)供液系統(tǒng)。如圖1b所示，常規(guī)介質(zhì)供液系統(tǒng)的水基工作液由噴液板12的常規(guī)供液入口6進(jìn)入，通過噴嘴器11的通液孔7流入噴嘴螺母8與噴嘴器11之間的儲(chǔ)液腔，最后從兩者之間的縫隙（常規(guī)供液出口10）噴出。常規(guī)供液系統(tǒng)的供液量大，噴液壓力低，對(duì)電極絲3的擾動(dòng)較小。納米介質(zhì)供液系統(tǒng)的混粉工作液由供液導(dǎo)管2的混粉供液入口1進(jìn)入，通過導(dǎo)絲器5與噴嘴器11相連通的儲(chǔ)液腔，從噴嘴器11的混粉供液出口9噴出。納米介質(zhì)供液系統(tǒng)的噴液壓力較高，工作液直接徑向作用于電極絲3上，導(dǎo)致電極絲振動(dòng)加劇。為此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了導(dǎo)模4來降低電極絲的振動(dòng)。

圖1 線切割雙介質(zhì)供液系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用機(jī)床為DK7763D高速走絲電火花線切割機(jī)床；電極絲為鉬絲，直徑0.18 mm；試驗(yàn)件材料為Cr12MoV模具鋼，板材厚度20 mm。常規(guī)介質(zhì)為BM-01水基工作液，與水的配比為1∶10。納米介質(zhì)為在常規(guī)介質(zhì)中加入SiC納米微粉，制備成混粉懸浮工作液；SiC粒徑50 nm，密度3.2 g/cm3，比表面積60 m2/g，濃度0.1～0.9 g/L；抗沉降穩(wěn)定劑為蒙脫土K10（Bentonite clay K-10），濃度0.3～0.5 g/L；分散劑為羧甲基纖維素鈉(CMC)，濃度0.5～0.7 g/L。線切割具體加工工藝參數(shù)見表1。

表1 線切割工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 工作介質(zhì)對(duì)電火花線切割加工的影響

由圖2可知，在其他加工條件不變的情況下，隨著混粉濃度的升高，電火花線切割加工的切割速度逐步提高，表面粗糙度逐步降低。當(dāng)混粉濃度為0.3 g/L時(shí)，切割速度達(dá)到最大值120 mm2/min，較常規(guī)工作液提高了22.16%；表面粗糙度降低到最小值8.07 μm，較常規(guī)工作液降低了15.05%。隨著混粉濃度的繼續(xù)增高，切割速度先明顯降低，后又趨于緩和；表面粗糙度則變化較小，僅略有增大。分析認(rèn)為，放電間隙中充滿的SiC納米微粒，將放電介質(zhì)中的單一放電通道擴(kuò)展為多個(gè)火花通道，使得到達(dá)電極的脈沖能量在空間上被分割，電極表面放電點(diǎn)增多[7]。同時(shí)，隨著半導(dǎo)體微粒的加入，極間隔離減小，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，當(dāng)相鄰兩微粒之間的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，迅速在兩極間擴(kuò)展、串聯(lián)，形成放電時(shí)間更短，蝕除面更分散的放電通道，有利于放電間隙的增大和放電穩(wěn)定性的提高[7?10]。但當(dāng)混粉濃度過高時(shí)，放電加工短路率增高，電弧放電增多，導(dǎo)致切割速度、表面加工質(zhì)量有所降低。

圖2 混粉濃度對(duì)切割加工的影響

圖3a為常規(guī)介質(zhì)電火花極間放電示意圖。由圖可知，電極絲與工件之間充滿均勻的液體工作介質(zhì)，當(dāng)兩極之間施以電壓，便產(chǎn)生了均勻電場(chǎng)。隨著電極絲的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，極間間隙變小，電場(chǎng)強(qiáng)度逐步加強(qiáng)，此時(shí)正、負(fù)帶電粒子在電場(chǎng)力作用下雪崩式碰撞電離，致使介質(zhì)中的電流迅速增大，從而擊穿液體介質(zhì)，瞬間形成仿垂體狀的等離子放電通道。

圖3b為納米介質(zhì)電火花極間放電示意圖。與常規(guī)介質(zhì)不同，納米介質(zhì)中混有分散相SiC微粒，微粒在電場(chǎng)中被極化而產(chǎn)生的電場(chǎng)與外電場(chǎng)疊加，使得極間均勻電場(chǎng)畸變。在介質(zhì)擊穿過程中，通道擴(kuò)張壓力遠(yuǎn)大于自生磁場(chǎng)的約束力和運(yùn)動(dòng)阻力，等離子體沿徑向向外運(yùn)動(dòng)，使放電通道迅速擴(kuò)張[7]。由于電子質(zhì)量比正離子質(zhì)量小、加速度大，放電通道在陽極拓展明顯大于與陰極，整個(gè)放電通道成喇叭口狀。又由于放電間隙的增大，致使單位面積上的放電能量大大減弱，提高了工件表面加工質(zhì)量。

圖3 電火花極間放電示意圖

如圖4a所示，在小脈沖間隔，大峰值電流切割條件下，常規(guī)工作液單個(gè)脈沖放電形成的放電凹坑大，加工表面重鑄凸臺(tái)高，存在明顯的蝕除材料冷卻再黏連情況[9?11]，容易造成拉弧放電、短路等情況，降低了切割速度和加工表面質(zhì)量。由圖4b可見，混粉工作液較常規(guī)工作液的加工表面要平整的多，單個(gè)脈沖放電被SiC納米微粒分散，形成若干個(gè)均勻的小放電凹坑，重鑄層也較薄，基本不存在明顯的凸臺(tái)，表面加工質(zhì)量大大提升。另外，加工表面的冷縮微孔洞多且均勻，表明極間冷卻效果好，放電較充分，有利于切割速度的提升。

圖4 不同工作介質(zhì)的蝕除微觀表面

研究發(fā)現(xiàn)，線切割極間放電通道形成后，便以差動(dòng)方式進(jìn)行移動(dòng)（見圖3）。蝕除面的長度約為走絲速度與脈沖寬度乘積的一半。通過對(duì)比兩種介質(zhì)的電蝕表面發(fā)現(xiàn)，納米介質(zhì)較常規(guī)介質(zhì)的蝕除面長度明顯加大，這表明納米介質(zhì)的放電通道的拓展更快、更大。

2.2 工作介質(zhì)對(duì)電極絲損耗的影響

圖5為納米介質(zhì)與常規(guī)介質(zhì)電極絲初始火花放電電蝕表面微觀圖。由圖中可以看出，納米介質(zhì)放電痕輪廓清晰，蝕除面平整，沒有明顯的灼傷。常規(guī)介質(zhì)放電痕輪廓較模糊，蝕除面不平整，電蝕表面有灼傷，存在明顯的蝕除材料冷卻再黏連情況。

圖5 不同介質(zhì)電極絲初始電蝕表面

分析認(rèn)為，放電間隙的增大，極間放電條件的改善，放電通道的擴(kuò)大可有效降低電極絲的損耗。在電火花放電絕緣間隙不變的條件下，導(dǎo)電微粉的混入，無疑增大了極間的實(shí)際放電間隙，降低了瞬間放電合力對(duì)電極絲的轟擊力。SiC納米微粒削弱了電蝕產(chǎn)物對(duì)脈沖放電的引發(fā)作用，使得放電分布于整個(gè)加工表面，單位面積上瞬間放電合力小，放電通道擴(kuò)展快，蝕除表面較平整[12]。此外，納米微粒比表面積大、吸附性強(qiáng)，有利于增加電極絲拖拽能力，增強(qiáng)極間的導(dǎo)熱能力，改善極間的放電條件，有效降低了電極絲的損耗。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在Cr12MoV模具鋼105mm2（切割截面積）的切割量下，納米介質(zhì)的電極絲損耗為1.21 μm（直徑減?。^常規(guī)介質(zhì)降低21.87%。

3 結(jié)語

（1）在脈沖寬度45 μs，脈沖間隔200 μs，峰值電流25 A，混粉濃度0.3 g/L的加工條件下，SiC納米介質(zhì)較常規(guī)介質(zhì)的切割速度提高22.16%，表面粗糙度降低15.05%，電極絲損耗降低21.87%。

（2）SiC納米微粒使極間的電場(chǎng)畸變，在電場(chǎng)力作用下，將單個(gè)脈沖放電通道拓展為多個(gè)，放電點(diǎn)分散，改善了加工表面質(zhì)量，降低了電極絲損耗。

（3）SiC納米微粒降低了工作介質(zhì)的電阻率，使工作介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度降低，極間的擊穿間隙增大，有利于工件切割速度的提高。