氣液雙介質(zhì)電火花線切割精加工研究

滕 凱，孫 濤，伍文進，馬秀麗

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

1 引言

往復(fù)走絲電火花線切割工作介質(zhì)的研發(fā)與應(yīng)用，經(jīng)歷了由煤油、油基工作液（乳化液）到水基工作液的發(fā)展過程。目前，廣泛采用的水基工作液在加工過程中存在大量電蝕產(chǎn)物，增大了液體的電導(dǎo)率，影響伏安特性，加工表面質(zhì)量難以進一步提高[1]。為此，文獻[2]將氣中放電加工技術(shù)引入到電火花線切割精加工中。研究表明，氣中加工較液中加工，具有加工表面質(zhì)量高、無電解腐蝕、放電間隙窄、加工過程清潔環(huán)保等特點。文獻[3]進行了霧中線切割加工研究，發(fā)現(xiàn)霧中加工較氣中切割速度高，切削更鋒利，加工屑附著少。文獻[4?6]對Cr12MoV模具鋼進行了多介質(zhì)電火花線切割加工研究，實驗結(jié)果表明，液中粗加工，霧中半精加工，氣中精加工的表面粗糙度、直線度均優(yōu)于單一介質(zhì)的切割結(jié)果。但研究也發(fā)現(xiàn)，氣中加工存在加工不穩(wěn)定，電極絲熱疲勞損傷等情況。為此，常用氣液雙介質(zhì)代替氣、液單一工作介質(zhì)，進行電火花線切割對比實驗，以便進一步提高表面加工質(zhì)量，降低電極絲損耗。

2 正交實驗研究

2.1 實驗條件

實驗設(shè)備為蘇州寶瑪DK7763D型中走絲線切割機床；實驗材料為Cr12MoV模具鋼；厚度尺寸為50mm；工作液為BM?06GP高頻水基工作液，按1：5.5與水配制；電極絲為Φ0.18mm 鉬絲；放電參數(shù)為脈沖寬度2μs，脈沖間隔8μs，峰值電流10A，加工電壓75V。

為了進一步提高Cr12MoV 模具鋼精加工表面質(zhì)量，降低電極絲損耗，在線切割上、下支架上分別加裝了氣液雙介質(zhì)供給裝置，如圖1所示。

圖1 氣液雙介質(zhì)供給裝置Fig.1 Gas Liquid Double Medium Supply Device

當電極絲自上而下運絲時，電極絲由儲絲筒通過上支架導(dǎo)輪進入上噴水板，穿過上導(dǎo)絲器的上導(dǎo)模（孔徑Φ0.192mm、Φ0.195mm、Φ0.198mm）進入儲液腔，拖拽工作液穿過上導(dǎo)絲器下導(dǎo)模（孔徑與上導(dǎo)模一致），在其表面形成一層液體保護膜（厚度2μm，4μm，6μm），隨后進入極間參與火花放電，放電結(jié)束后又依次通過下噴水板、下導(dǎo)絲器、下支架導(dǎo)輪返回儲絲筒。若電極絲自下而上運絲時，則供給方式相同、方向相反。

2.2 實驗設(shè)計

氣液雙介質(zhì)線切割精加工重點研究進給速度A，切削深度B，液膜厚度C，運絲速度D等工藝參數(shù)對加工表面質(zhì)量和電極絲損耗的影響[7]。實驗設(shè)計了3水平4因素（L9（34））的正交試驗，正交試驗設(shè)計因素水平，如表1所示。

表1 實驗水平表Tab.1 Experimental Level Table

2.3 實驗分析

通過正交試驗得到了氣液雙介質(zhì)下Cr12MoV模具鋼電火花線切割的表面粗糙度指標極差分析表，如表2所示。由表2可知，影響表面粗糙度的主次因素依次為切削深度B、液膜厚度C、進給速度A和運絲速度D，最優(yōu)參數(shù)組合為B2C2A1D1。即液膜厚度為4μm，切削深度為20μm，進給速度100μm/s，運絲速度為2.5m/s時，Cr12MoV模具鋼表面加工質(zhì)量最優(yōu)[7]。由于進給速度、運絲速度對表面加工質(zhì)量影響較小，為了排屑順暢、加工穩(wěn)定，提高切割速度，降低電極絲損耗，在多介質(zhì)加工對比實驗中，選取進給速度為150μm/s、運絲速度為5m/s，重點分析液膜厚度、切削深度對表面加工質(zhì)量和電極絲損耗的影響。

表2 極差分析表Tab.2 Range Analysis Table

3 工作介質(zhì)對加工表面質(zhì)量的影響

Cr12MoV 模具鋼分別在水基工作液（澆注式）、氣液雙介質(zhì)（液膜厚度2μm、4μm、6μm）及大氣（常壓）工作介質(zhì)中進行第三次切割加工的切割試件，如圖2（a）所示。從圖中可以看出，氣中加工表面有明顯的拉痕，這是由于蝕除粒子排除不暢，導(dǎo)致切割不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)電極絲短路、切割暫?，F(xiàn)象。液中加工排屑順暢，冷卻充分，加工穩(wěn)定，表面均勻。氣液雙介質(zhì)加工表面質(zhì)量與液膜厚度有關(guān)，液膜較薄或較厚均可引起加工表面碳化，液膜厚度適中時，才能夠獲得更高的表面加工質(zhì)量。由圖2（b）可知，三種不同液膜厚度的氣液雙介質(zhì)加工表面粗糙度均好于液中加工，也優(yōu)于氣中加工。當電極絲液膜厚度逐漸增大時，表面粗糙度由Ra1.67μm先減小到Ra1.37μm后又增大Ra143μm，表明在其他參數(shù)不變的條件下，液膜厚度為4μm時，表面加工質(zhì)量最優(yōu)。

圖2 工作介質(zhì)對表面粗糙度的影響Fig.2 Influence of Working Medium on Surface Roughness

由圖3可知，液中加工表面粗糙度隨著切削深度的增加逐漸降低，這是由于當切削深度大于電極絲半徑時，有效降低了電極絲震動，改善了表面加工質(zhì)量。

圖3 切削深度對表面粗糙度的影響Fig.3 Influence of Cutting Depth on Surface Roughness

大氣介質(zhì)中加工表面粗糙度隨著切削深度的增加先降低后增大，當切削深度達到20μm 時，表面粗糙度最優(yōu)，達到Ra1.65μm；氣液雙介質(zhì)加工表面粗糙度變化與氣中加工類似，但隨著切削深度的增加，氣液雙介質(zhì)加工粗糙度先大于氣中加工，后又小于氣中加工，當切削深度達到20μm時，表面粗糙度最優(yōu)，達到Ra1.42μm。當切削深度達到25μm時，大氣與氣液雙介質(zhì)加工表面粗糙度均略有增大，這由于切削量增大，極間單位面積放電量減少，蝕除量增大，此時極間排屑困難，放電間隙減小，短路現(xiàn)象增多，導(dǎo)致表面粗糙度增大。此外，切削深度由10μm 至25μm增大過程中，大氣和氣液雙介質(zhì)中加工的表面粗糙度均小于液中加工。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，線切割精加工微觀表面質(zhì)量差異與極間工作介質(zhì)的擊穿方式與過程有關(guān)。不同工作介質(zhì)火花放電瞬間產(chǎn)生的放電合力主要由靜電力、爆炸沖擊力、氣泡壓力等組成，其會在加工面沿厚度方向產(chǎn)生不同的形狀誤差，成為影響表面加工質(zhì)量的重要因素。理論上真空的介電常數(shù)為1，水的相對介電常數(shù)為82，大氣的相對介電常數(shù)為1.000585，由靜電力理論分析得知，靜電力與加工介質(zhì)的相對介電常數(shù)成正比[2]：

式中：FS—電極絲單位長度的靜電力（N）；r—電極絲半徑（mm）；h=r+Dr；Dr—加工間隙（mm）；U0—外加電壓（V）；ε0—真空介電常數(shù)；εs—相對介電常數(shù)。

水基工作液為連續(xù)相工作介質(zhì)，極間電場理論上為均勻電場，如圖4（a）所示。當極間電場強達到108Vm時，工作液介質(zhì)被擊穿，正負帶電粒子在電場作用下高速沖擊兩極表面，形成放電通道，瞬間產(chǎn)生強有力的爆炸力。

圖4 不同介質(zhì)極間電場示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Electric Field Between Different Dielectric Poles

津格爾曼的放電爆炸力公式為[6]：

由式（1）、式（2）可知，在其他條件相同時，工作液介質(zhì)較大氣介質(zhì)的瞬間放電合力大很多。放電點的金屬熔化與氣化時，放電通道弧注內(nèi)溫度高達10000℃，瞬時壓力高達10MPa，其急速膨脹而噴爆出來，并在電極內(nèi)部產(chǎn)生巨大的反向沖擊力。又由于液體介質(zhì)的密度較氣體介質(zhì)大，在放電過程中壓縮放電通道的能力強，放電產(chǎn)生的放電合力強且集中，形成的放電凹坑直徑小而深度大，如圖5（a）所示。

圖5 氣、液介質(zhì)切割表面微觀圖Fig.5 Micro Drawing of Cutting Surface of Gas and Liquid Medium

直接影響了加工表面質(zhì)量。放電過程中，工作液的汽化和冷卻作用，帶走了大量的熱量；電極絲的拖拽作用，快速排出了電蝕產(chǎn)物，使極間快速冷卻并恢復(fù)絕緣狀態(tài)，大大減少二次放電，有利于線切割的穩(wěn)定加工，減少表面的碳化[7?9]。

大氣介質(zhì)的擊穿特性與液體介質(zhì)不同。液中放電通道的形成以電子為主，而氣體容易被擊穿，其放電通道的形成是以電子的轟擊作用為主。當電場強度達到106V m時，大氣介質(zhì)被擊穿，放電通道弧注內(nèi)的溫度和壓力較液中都有所降低，又由于放電通道周圍的氣體介質(zhì)可壓縮性大，對放電通道的壓縮作用小，放電通道擴展快，截面積大，電流密度小，產(chǎn)生的放電痕直徑大而深度小，如圖5（b）所示。然而氣中火花放電排屑困難，很容易過渡到電弧放電狀態(tài)，從而造成拉弧現(xiàn)象甚至短路，影響表面加工質(zhì)量[5]。

氣液雙介質(zhì)的擊穿特性更為復(fù)雜，為氣、液兩相共同參與火花放電。放電時，極間電場首先擊穿大氣介質(zhì)，在兩介質(zhì)分界面感應(yīng)出一定的面電荷，這些面電荷改變了原有電場，從而使得電場強度發(fā)生“折射”，如圖4（c）所示。設(shè)在兩極間構(gòu)成的電場為均勻電場，大氣的介電常數(shù)為εa，工作液的介電常數(shù)為εe，由電介質(zhì)理論可知，大氣電場強度Ea與工作液電場強度Ee的關(guān)系為：

由此可知，雙介質(zhì)火花放電時，電場強度會發(fā)生改變。大氣介質(zhì)首先被擊穿，游離碰撞作用加強，產(chǎn)生出的高能電子又促進液體電離[2?6]，產(chǎn)生大量的氣泡，最后導(dǎo)致?lián)舸┮后w。放電通道在雙介質(zhì)作用下會發(fā)生畸變，工件側(cè)表現(xiàn)為氣中放電特征，電極絲側(cè)表現(xiàn)為液中放電特征。因此，氣液雙介質(zhì)加工具有加工作用力小、放電間隙窄、表面加工質(zhì)量高、表面變質(zhì)層薄、電極絲損耗小等特點。

4 工作介質(zhì)對電極絲損耗的影響

多介質(zhì)電極絲初始電蝕表面，如圖6 所示。由圖中可以看出，液中放電凹坑直徑小而深度大，蝕除曲面比較平滑，沒有明顯的濺射熔瘤。

圖6 多介質(zhì)電極絲初始電蝕表面Fig.6 Initial Etching Surface of Multi?Media Electrode Wire

氣中放電凹坑直徑大而深度小，蝕除面不平整，形狀不規(guī)則，放電表面也有灼傷。液包絲雙介質(zhì)中放電凹坑直徑小且深度小，蝕除面比較平滑，在運絲的反方向有較明顯的濺射熔瘤，但熔瘤較小且比較集中。

分析認為，電極絲表面所形成的放電凹坑是由瞬間放電合力將熔融的金屬材料拋離而形成的[10]。液中瞬間放電合力大，產(chǎn)生的沖擊波大，熔融材料的拋離速度高，可達（100～200）m/s，成為電極絲電腐蝕損耗的主要因素。氣中瞬間放電合力小，放電通道擴展快，蝕除表面較平整，但氣中電極絲對蝕除粒子的拖拽作用大大減弱，極間粒子濃度高，極易造成二次放電，損壞加工表面，灼傷電極絲。當電極絲長時間氣中火花放電（切割量104mm2）時，表面會產(chǎn)生眾多橫向微細裂紋，大大降低電極絲的耐用度。這是由于大氣介質(zhì)的熱傳導(dǎo)、對流散熱能力弱，電極絲吸收了大量熱量，致使放電結(jié)束后電極絲表面溫度仍然較高，遇冷后溫度快速下降，這種溫度的快速變化極易引起電極絲的熱疲勞損傷，大大降低其強度，甚至出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。氣液雙介質(zhì)瞬間放電合力復(fù)雜得多，大小介于液中與氣中之間，由于有液膜的保護作用，大大降低了轟擊力，減少了表面損傷。

5 結(jié)論

在工作液、大氣和氣液雙介質(zhì)中，分別對Cr12MoV模具鋼進行精加工對比實驗，得出以下結(jié)論：

氣液雙介質(zhì)更適合于往復(fù)走絲電火花線切割精加工。其火花放電爆炸力小、放電通道分散擴展快、截面積大，使表面加工質(zhì)量較液中加工有明顯提高；電極絲液體保護膜減弱了極間放電對電極絲的沖擊與熱灼傷，增加了電蝕粒子的排出，提高了極間加工的穩(wěn)定性，使電極絲損耗較氣中加工有明顯降低。