高速走絲電火花線切割工作液失效研究

陸霖琰 劉志東 田宗軍 魏 為

南京航空航天大學，南京，210016

0 引言

高速走絲電火花線切割是具有中國特色的電火花加工技術，它使用的工作介質經歷了煤油、普通乳化液、線切割專用乳化液及合成工作液等發展階段。目前國內普遍使用的線切割工作介質有乳化液、水基合成液和介于這兩者之間的復合工作液［1］。工作液的性能主要取決于它的成分、濃度及臟污程度等多種因素。目前切割條件下引起的工作液各性能變化還相當復雜且不可控，導致了切割狀態的判斷主要依靠個人的經驗進行，因此尋找工作液失效的表征指標，以便及時監控工作液狀態，以保證切割工藝指標的穩定，已成為急需解決的問題，并且這也是高速走絲電火花線切割機床向進一步可控化發展的需要。

1 試驗條件

機床采用蘇州開拓電子技術有限公司生產的DK7732“中走絲”機床;電極絲:鉬絲，φ0.18mm，長300m;試件:模具鋼Cr12，厚60mm;工作液:佳潤JR3A復合乳化膏與自來水按1∶50配制，水箱容積為40L，此時電導率為3830μS/cm，加工過程中未進行過濾;測量工具:DDS－12A電導率儀、WY32R手持折光儀、MITUTOYO工具測量顯微鏡、pH精密試紙(測試范圍8.2～10)、烏氏黏度計;加工電參數:脈寬32μs、占空比1∶6，功率管4只，起始穩定切割電流約3.3A;連續加工中每間隔10h測量工作液的電導率、濃度、pH值、黏度及切割效率。

2 試驗結果與分析

2．1 工作液失效的表征

工作液失效的表征到目前為止并沒有統一的指標，一般認為在機床狀態良好的情況下，工作液切割效率降低了15%～20%就可以判定為工作液失效［2］。在此條件下對比試驗中工作液失效前后工件的表面粗糙度分別為Ra=4.4μm和Ra=4.2μm，表面微觀形貌分別如圖1、圖2所示。

圖1 工作液起始階段表面微觀形貌

圖2 工作液失效階段表面微觀形貌

可見，工作液失效前后工件的表面粗糙度值相差不大，由圖1和圖2的表面微觀形貌圖可以看出工作液失效前后表面微觀形貌基本不變，因此采用切割效率來表征工作液失效會更為直觀和準確。但在實際加工中，由于切割材料、厚度等不同，使得切割效率的計算沒有統一標準，即使切割標準工件可使計算標準統一，但這需要在切割大型工件時，中途停下來切割標準工件，這顯然是不實際的。為此，筆者研究了連續加工中工作液電導率、蝕除產物濃度、pH值、黏度這4個性能指標與切割效率的變化關系，以尋找與切割效率相關聯的指標［3］。

2．2 工作液電導率和切割效率的變化關系

從圖3的切割效率曲線可以看出連續加工中的切割效率可以分為3個階段:0～60h為效率小幅上升并回落階段;60～160h為效率平穩階段;160～210h為效率急速下降階段。第一階段:切割效率先上升到一個最高峰值107mm2/min，然后下降到起始效率值100mm2/min。第二階段:切割效率長時間維持在100mm2/min左右。第三階段:加工160h后切割效率開始迅速下降，210h后切割效率降為 82mm2/min，切割總面積達1.071m2。按習慣的判斷標準，此時工作液的使用壽命已到，因此工作液使用壽命時間為210h(如果按一天實際切割 10h、平均效率在 90 mm2/min左右、工作液箱40L左右計算，JR3A乳化膏的使用壽命大約是3周)。

圖3 工作液電導率與切割效率曲線

從圖3可以看出切割效率與電導率存在十分緊密的聯系，在第一階段的起始期切割效率隨著電導率的上升而提高到最高值，然后效率下降到起始值。說明電導率對切割效率有一個最佳值，超過最佳值后，切割效率不再提高［4］。在第二階段電導率與切割效率都維持比較穩定的狀態。第三階段，隨著電導率的迅速上升，切割效率迅速下降，并且從宏觀上看，切割變得不穩定，電流表指針擺幅較大。從工作液起始階段的放電波形(圖4)與工作液失效階段的放電波形(圖5)可以看出，失效時的擊穿延時和空載波形明顯增多，脈沖的利用率則大幅度降低，切割效率下降。從圖5失效階段的脈沖放電波形看，放電存在較高比例的擊穿延時現象，說明此時加工中的極間狀態仍然維持良好狀態。

圖4 工作液起始階段放電波形圖

圖5 工作液失效階段放電波形圖

通過以上分析可知，連續加工中復合工作液的電導率與切割效率存在一定的對應變化關系，因此電導率可作為衡量復合工作液失效的指標之一。切割效率下降15%～20%時對應的復合工作液電導率范圍為5900～6800μS/cm。

2．3 濃度與工作液電導率關系

乳化膏組分中含有一定量的電解質，因此工作液濃度提高，電導率也會上升。一定濃度下的工作液在加工過程中，由于工作液的外濺、霧化以及高溫下的氣化等會使工作液產生損耗并導致濃度發生變化［5］。試驗中每隔10h采用WY32R手持折光計測量工作液(未過濾)的濃度(測量會存在一定誤差，但它是目前測量工作液濃度常用的儀器)，濃度變化曲線如圖6所示。并測量210h時經過3～5微米級過濾的工作液的濃度，其數值比未過濾時小0.3%，可知過濾對濃度的變化影響很小，因此采用折光計測量的濃度曲線有效。

圖6 工作液濃度變化曲線

由圖6可知，在整個加工過程中工作液濃度略有增加，說明工作液的損耗主要是以整體損耗為主。濃度變化小，因此加工中工作液電導率的上升可以基本排除濃度因素的影響。

2．4 蝕除產物濃度與工作液電導率、切割效率的關系

本試驗中由于工作液產生整體損耗，加工210h至失效后，剩余質量為11.7kg。假設蝕除產物質量未損耗(實際上蝕除產物也會隨工作液損耗一部分)，其總質量為 2kg(按放電間隙30μm［6］，蝕除產物成分為鐵計算)，由此可知工作液失效時蝕除產物所占的質量分數最多為17%，但由于重力等作用會使蝕除產物聚沉在工作液箱底部，導致懸浮在工作液中的實際蝕除產物含量要比17%小很多。

傳統觀點認為加工中蝕除產物的增加會導致工作液失效［7］，為了解實際情況，本試驗在新配制的復合工作液中逐步增加高速走絲電火花線切割的蝕除產物，研究了蝕除產物對復合工作液的電導率和切割效率的影響。測得含有不同質量分數蝕除產物下的電導率和切割效率曲線，如圖7所示。

圖7 含不同質量分數蝕除產物的電導率與切割效率曲線

由圖7可知，隨著蝕除產物的增加，電導率略有上升，切割效率基本保持不變，由此可知加工中不斷增多的蝕除產物是以分子形式出現的，并不會產生多余的離子，因此對工作液的電導率和切割效率的影響很小。

從工作液起始階段放電波形(圖4)和含18%蝕除產物放電波形(圖8)可以看出增加蝕除產物后，放電波形擊穿電壓和峰值電流基本不變，說明電導率變化不明顯，放電脈沖利用率也基本保持不變，切割效率基本相同。從蝕除產物的SEM圖(圖9)可知蝕除產物顆粒絕大多數是數微米的團聚球形顆粒，只有少數10μm以上的球形顆粒，這相對于放電間隙30μm要小很多。因此蝕除產物在具有良好洗滌性的復合工作液和電極絲的高速往復運動(10m/s)下能及時排出放電間隙，不會造成極間蝕除產物的堆積，極間狀態仍維持比較穩定的放電狀態。

圖8 含18%蝕除產物放電波形

圖9 放電蝕除產物SEM圖

由以上分析可知，工作液電導率的上升排除了蝕除產物的因素。試驗中采用正極性加工，工件材料主要成分是鐵，在電場作用下會發生電解作用，鐵是活性電極，作陽極時發生氧化反應:Fe－2e－=Fe2+，又因為復合工作液呈堿性，Fe2+能和OH－繼續反應生成Fe(OH)2，Fe(OH)2還能和氧氣、水繼續反應，最終生成Fe(OH)3。Fe3+與OH－之間的化學鍵帶有共價性質，它的溶解度小，而溶于水的部分，其中少部分又有可能形成膠體，其余亦能電離出Fe3+，使電導率上升，同時復合工作液中的組份在高溫加工條件下可能發生分解，導致工作液中離子濃度增加，電導率上升［8］。

2．5 工作液p H值與切割效率的變化關系

pH值的大小反應了工作液的酸堿性，工作液的酸堿性要適宜，堿性太強容易腐蝕機床，新配制的復合工作液pH值為8.5，呈堿性。采用pH精密試紙(測量范圍8.2～10)測量連續加工中復合工作液的pH值，其曲線如圖10所示。從圖10可以看出，pH值增大了0.5，增加的幅度很小。其中pH值出現了兩個階梯性的增長，這主要是由pH試紙的測量值的標定為 8.2、8.5、8.8、9.0、9.3、9.7、10引起的，理論上pH值應該是平穩升高。通過pH值的變化可知工作液中OH－濃度上升很少，對電導率影響甚小。從而再次證明電導率的升高主要是由工作液中金屬離子增加引起的。

圖10 工作液p H值與切割效率曲線

從圖10中可知，當切割效率出現急速變化時，pH值仍保持不變，兩者之間沒有明顯的對應變化關系，因此不宜選用pH值來衡量復合工作液失效。

2．6 工作液黏度與切割效率的變化關系

黏度是液體流動阻力大小的一種度量，該阻力來自于液體內部的摩擦作用，這主要是由于液體溶劑分子層與相鄰分子層在相對移動時產生的摩擦力而引起的。黏度值較高時，液體流動性差、流動緩慢而呈現黏滯性［9］。

圖11 工作液黏度與切割效率曲線

在同一溫度下測得連續加工中復合工作液黏度的變化曲線如圖11所示，從圖中可以看出隨著復合工作液的使用時間的增加，其黏度值在小范圍內略有上升，這主要是由于在線切割加工過程中，復合工作液的不斷循環使用，使其含有了一定量的電蝕產物，同時由于高溫作用復合工作液中的水分在不斷減少，復合工作液濃度略有上升，造成工作液流動性略為變差，黏度小幅增大。

對比圖11中黏度和切割效率的變化趨勢可以看出，隨著切割效率的迅速下降，黏度并沒有很明顯增加，兩者沒有對應的變化關系。因此不宜選用黏度指標來衡量復合工作液失效。

2．7 工作液失效后的處理方式

為恢復失效工作液的性能并保持工作液濃度不變，在失效工作液中逐漸添加新鮮工作液，其電導率和切割效率曲線如圖12所示。隨著新鮮工作液的加入，電導率逐漸降低，切割效率逐漸升高，再次說明了切割效率與電導率的對應關系。但當新鮮工作液與失效工作液的質量比高達1∶1時切割效率才提高為94mm2/min，并沒有恢復至工作液起始階段的切割效率，因此工作液失效后應該徹底更換工作液。

圖12 失效工作液的效率恢復曲線

3 結論

(1)通過比較粗糙度、表面微觀形貌和切割效率的變化，得出采用切割效率表征工作液失效更為直觀和準確的結論。

(2)電導率的上升主要是由于電解作用產生鐵離子所致，蝕除產物對復合工作液的電導率基本沒影響。

(3)通過比較復合工作液電導率、蝕除產物濃度、pH值、黏度與切割效率的變化關系，得出電導率可作為衡量復合工作液失效的指標的結論。

(4)工作液失效后應徹底更換工作液。

［1］ 劉志東．高速走絲電火花線切割工作介質發展方向研究［J］．新技術新工藝，2006(11):70-73．

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

［4］ 金玉惠，祁云燕，吳栩栩，等．乳化液的電導率對線切割加工的影響［C］//第五屆全國電加工學術年會論文集(線切割加工篇)．南京，1986:6-15．

［5］ 王至堯．電火花線切割工藝［M］．北京:原子能出版社，1987．

［6］ 劉志東．以復合工作液為放電介質的低速走絲電火花線切割可行性研究［J］．航空精密制造技術，2007，43(4):39-42．

［7］ 李明輝．電火花加工理論基礎［M］．北京:國防工業出版社，1989．

［8］ 潘湛昌，郭鐘寧，王成勇．高速走絲電火花線切割加工中工作液的電解作用［J］．電加工，1996(2):17-19．

［9］ 張曉燕，魏引煥，任威．快走絲線切割加工中工作液性能對加工質量的影響［J］．模具制造，2004(9):63-65．