劉志東 王振興 張 艷 徐安陽

南京航空航天大學,南京,210016

0 引言

有關電火花線切割效率提高的研究永遠是電加工行業(yè)永恒的課題,國外低速走絲電火花線切割(low speed wire-cut electrical discharge machining,LSWEDM)的最大切割效率在300mm2/min沉寂了一段時間后,近來有了新的突破。由于窄脈寬高峰值電流脈沖電源的開發(fā),在與其他條件(各種控制方式、供液條件、復合電極絲等)配合下,可使最高切割效率達到350～500 mm2/min[1]。近年來高速走絲電火花線切割(high speed wire-cut electrical discharge machining,HSWEDM)隨著“中走絲”機床(具有多次切割功能的HSWEDM)工藝的逐步推廣及復合工作液的普遍使用,其最高穩(wěn)定切割效率已從以往的100mm2/min左右躍居到目前的接近200mm2/min[2]。但達到這個切割效率后,似乎又停滯不前了。針對此本文進行了初步探討。

1 高效切割機理分析

1.1 工作液

高效切割的前提是在不斷絲的條件下,輸入盡可能大的能量,并且維持兩極之間處于正常的放電狀態(tài)。復合工作液的使用之所以能大幅度提高HSWEDM的切割效率,其主要原因之一就是以往采用的乳化液洗滌性能較差,放電后乳化液組分中大量燒蝕的機油與蝕除的金屬顆粒結合在極間會形成大量的黏性蝕除產物,堵塞在切縫內,阻擋了新工作液的進入,使得輸入能量增加后,放電只能在缺乏極間工作液的黏性的且有松散導電能力的膠體介質中進行,極間放電后不能及時消電離和冷卻,因此其放電的波形有較多是從短路直接進入放電狀態(tài)的(圖1)。放電能量增大后,極間冷卻困難,電極絲極易燒斷,工件表面也容易產生因燒傷而導致的黑白交叉條紋。平均加工電流一般需要控制在 3A以內,由此導致HSWEDM實際的切割效率長期徘徊在40～80mm2/min之間[3],而復合工作液相對乳化液而言具有很好的洗滌能力,且放電后不易產生極間黏性蝕除產物,可以保持極間處于正常的冷卻狀態(tài),因此其放電波形有較大比例體現(xiàn)出具有間隙放電特征的放電延時擊穿(圖2),其平均切割電流可以增加到6～7A。這樣首先從能量的輸入而言,可以使得切割效率提高一倍,并且由于極間冷卻、消電離充分,放電能量的利用率大大提高;其次,復合工作液與乳化液相比具有較高的電導率,從而起到較好的電解整平及進一步提高脈沖效率的作用,增加能量的利用率并拓寬切縫;第三,復合工作液由于其電導率較乳化液有較大提高,使放電過程中用于擊穿介質的能量消耗降低,從而有效提高了脈沖放電幾率并降低了能量損失,提高了加工效率;第四,由于極間工作液充分,對放電通道的壓縮明顯,因此在放電過程中產生的爆炸壓較大,蝕除產物的排出更加徹底。上述這些因素綜合導致了使用復合工作液后,正常放電的比例大大提高,單位電流切割效率達到30mm2/(min?A),比乳化液的單位電流切割效率20mm2(min?A)提高了50%,因此選用正確的工作液以維持極間保持正常的冷卻及消電離狀態(tài)是大能量切割條件下提高切割效率的首要條件。

圖1 乳化液條件下的放電波形

圖2 復合工作液條件下的放電波形

1.2 極間供液形式及放電間隙

由于復合工作液優(yōu)異的冷卻和洗滌性能改善了極間放電狀態(tài),一次切割效率獲得成倍提高,最高可接近200mm2/min。但如果繼續(xù)增大放電能量,切割效率不會繼續(xù)提高,其問題實質仍是極間放電狀況惡化的結果,而此時主要的問題是大能量切割時投入的放電能量在極間產生了巨大的熱量使進入極間的介質瞬時產生氣化、分解,如果極間工作液得不到及時補充將使后續(xù)放電在只有部分工作液或者無工作液的極間狀態(tài)下進行,將使得放電狀態(tài)嚴重惡化,致使切割效率無法進一步提高。為此在大能量切割時必須考慮變更原有傳統(tǒng)的澆注式冷卻方式。也就是說,采用HSWEDM大能量切割時,原來采用的工作液澆注冷卻方式,即無壓力的工作液僅僅依靠附著在電極絲上并隨其高速帶入極間的冷卻方式已不再適用,必須采取高壓強迫噴液的方式盡快補充極間汽化掉的工作液。由于復合工作液具有較強的洗滌性,加工中不易產生膠體物質,蝕除產物易于排出,極間切縫較為通暢,為其高壓噴入提供了有利條件,因此采用復合工作液仍然是噴液方式的首選。為此需進行以下系統(tǒng)改進：首先,對原澆注式噴嘴進行改進,采用共軸式高壓噴嘴,以減小噴液對電極絲的沖擊;其次,為降低噴液對電極絲產生沖擊引起的擾動,可以增加電極絲導絲器,以提高加工區(qū)電極絲的剛性。其噴嘴結構如圖3所示。

圖3 噴水結構

圖4為常壓澆注(液體壓力為0)狀態(tài)下采集的放電波形圖,圖 5為高壓噴液(噴液壓力為0.5MPa)狀態(tài)下采集的放電波形圖。從圖4可以看出,采用常壓澆注式的冷卻方式,極間放電狀態(tài)已經惡化,放電擊穿延時波形較少,單個脈沖放電波形中常伴隨較多的微短路現(xiàn)象,說明此時極間工作液的損失較多,極間排屑效果較差,同時極間較多的蝕除產物在鉬絲的帶動下彼此之間易發(fā)生短暫的接觸,在兩極間容易形成瞬時“搭橋”,從而導致微短路頻發(fā)。即使是偶爾出現(xiàn)的空載狀況,也由于極間工作介質的物理狀態(tài)已由單一的液態(tài)轉化為氣液兩相狀態(tài),電解電流大大降低。

相同條件下,圖5表現(xiàn)出不同的放電狀態(tài)。由于采用高壓強迫噴液,強化了極間供液,使得極間能夠獲得充足的液體放電介質,因而處于正常的具有放電擊穿延時的間隙狀態(tài),提高了脈沖的利用率。

圖4 常壓澆注狀態(tài)下采集的放電波形

圖5 高壓噴液狀態(tài)下采集的放電波形

以往對于放電間隙的寬窄通常認為HSWEDM單邊放電間隙基本在0.01mm左右,該結論的得出主要是由于當時采用的工作介質是乳化液且平均切割電流在3A以下,因此也就可以得出：對于HSWEDM,極間的冷卻主要是依靠附著在電極絲上的工作液帶入切縫而進行的結論。但在使用復合工作液且在較高放電能量條件下所獲得的放電間隙則完全不同。在本文實驗條件下,使用復合工作液后,平均加工電流為3A時,實際單邊放電間隙超過0.03mm(未考慮切割面的腰鼓形),且隨著切割能量的增大以及工作介質洗滌能力的增強而增大。目前,在采用大脈沖峰值電流和適當的脈沖寬度時獲得的單邊放電間隙完全可以達到甚至超過0.05mm[4],從而為極間高壓噴液的工作提供保障。

1.3 蝕除形式

采用大能量高效切割,由于單位脈沖放電能量大、蝕除速度快,極間蝕除產物在短時間內迅速增多且顆粒體積較大,引起極間工作液的介電強度下降,為此需要較長時間的消電離過程,這樣必然會影響切割效率的提高,所以在大能量高效切割時,如何將電蝕產物及時、迅速地排出放電間隙非常重要。由兩相流動力學理論可知[5],固體懸浮顆粒尺寸(體積)愈小,其慣性越小,流體越容易將其帶走;反之,則難以被快速帶走。另外,固相顆粒聚集程度越高,越難以被流體沖走,反之越分散,越易被流體沖走。故當放電加工時,極間蝕除產物顆粒越大,越難以排除,久之便容易產生集聚,使排屑難度加大,同時在兩極間易形成“搭橋”,引起短路,造成加工不穩(wěn)定。因此在電火花線切割中,蝕除顆粒尺寸(體積)越小、越分散,越有利于蝕除產物的排出和極間放電的穩(wěn)定。

電火花加工蝕除產物顆粒的形狀大小在很大程度上與電火花蝕除形式有關。蝕除形式主要有[6]：①氣化、蒸發(fā),金屬直接由固液態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)或如同水的沸騰那樣被去除;②熔化,此時,金屬先被熔化,然后在陰極或陽極表面被高壓炸散成小液滴而被去除;③熱震,由熔化和沸騰著的表面以小顆粒狀脫落下來。一般這三種蝕除形式相互伴隨,各方式所占比例取決于工件材料的性質、放電能量、脈沖頻率、占空比、加工面積和其他機床參數。因此在工件材料一定的條件下,可以通過改變電參數來調節(jié)三種蝕除方式所占的比例,以期達到盡可能提高氣化、蒸發(fā)方式的比例并降低熔化、熱震方式比例的目的。氣化、蒸發(fā)的方式蝕除的金屬基本可以通過熱蒸氣的形式直接排出放電間隙或經冷卻后轉化為極微小顆粒,便于工作液將其帶出放電間隙,以提高極間放電穩(wěn)定性。顯然,提高單脈沖放電能量密度有利于蝕除方式向氣化、蒸發(fā)的方式轉變,而提高峰值放電電流、縮短脈沖放電時間,可有效提高單脈沖放電能量密度。因此在大能量高效切割時,應選擇大峰值放電電流,同時在保證較大的平均電流的基礎上縮小脈寬。

圖6所示為不同高低壓復合脈沖電源放電形式下切割的工件微觀表面。其中圖6a所示為脈沖電源高壓142V、低壓42.5V情況下切割得到的工件微觀表面形貌,圖6b所示為脈沖電源高壓85V、低壓39V情況下切割得到的工件微觀表面形貌。從圖6a可以看出,切割工件表面較為光亮且基本沒有凝固的金屬液滴。分析認為,由于脈沖電源電壓較高,單脈沖放電能量密度較大,致使切割加工中氣化蝕除比例較高,氣化后的蝕除產物容易排除,從而改善了極間洗滌、冷卻狀況,并使切割工件表面較為光亮。圖6b的切割工件表面較為灰暗,其表面存在較多的毛刺和凝固的金屬液滴,說明由于脈沖電源電壓較低,單脈沖放電能量密度有所降低,加工中熔化蝕除比例較高,致使切割工件表面金屬液滴殘留增多,且由于熔化后的蝕除產物較難排除,極間的洗滌、冷卻效果有所下降,切割表面相對較暗,在基本相同的平均切割電流條件下,兩種切割狀況平均切割效率相差5%～10%。

圖6 不同脈沖放電形式下工件微觀表面

2 實驗

根據上述分析的結論,在大能量切割條件下,通過對比常規(guī)澆注式和輔以高壓同軸噴液冷卻方式的HSWEDM切割工件表面形貌和切割效率,檢驗在極間大能量切割條件下,輔以高壓噴液冷卻方式對切割工藝性能具有較好的改善效果。實驗現(xiàn)場照片如圖7所示。

圖7 高壓噴液冷卻方式下的切割現(xiàn)場照片

實驗工件：淬火Cr12模具鋼,厚度為26mm;工作液：佳潤JR3A超濃縮乳化膏,與水按1∶40配比,考慮到沖液后會產生泡沫,適當加入消泡組分加以控制;電極絲：鉬絲,φ0.18mm;運絲速度：10m/s;電極絲長度：100m;噴嘴與工件表面距離：0.5mm;高壓水泵：Grundfos(格蘭富)高壓水泵,CRK2-110。加工參數：脈寬64μs,占空比1∶5,功率管7支,脈沖電源高壓85V,低壓39V。分別做了幾組實驗,為便于分析,取其中三組,結果如表1所示。切割完畢的常壓澆注冷卻(1號)與噴液冷卻(4號、5號)工件表面如圖8所示。

表1 兩種供液方式的實驗結果對比

圖8 兩種極間冷卻方式的切割表面

從實驗結果可以看出,高壓噴液冷卻方式下的切割效率較常壓澆注冷卻方式下的切割效率有大幅提高,突破了平均切割效率長期處于200mm2/min以內的局面,并且在同樣加工參數條件下,切割效率的增幅接近20%,此外,由圖8可以看到,常壓澆注冷卻條件下切割表面帶有大量的由于極間沒有充足工作液冷卻而導致的黑白交叉的燒傷紋,且由于極間得不到及時充分的冷卻,電極絲燒斷的幾率大大增高,而高壓噴液冷卻條件下的切割表面基本沒有燒傷紋,電極絲的使用壽命也大大提高。實驗表明,輔以高壓噴液的HSWEDM在大能量放電加工條件下可以進行高效切割。

3 結論

(1)正確選擇工作液,以實現(xiàn)極間清潔的間隙狀態(tài)及較寬的切縫是實現(xiàn)大能量放電切割的前提。

(2)采用同軸高壓噴液方式,能及時補充因大能量放電加工而氣化的極間工作液,使極間放電和冷卻狀況得到改善,并消除切割表面燒傷紋。

(3)在大能量高效切割時,應選擇大峰值放電電流,同時在保證平均電流較大的基礎上減小脈寬,以盡可能實現(xiàn)以氣化為主的蝕除方式。

[1] 葉軍.數控低速走絲電火花線切割加工技術及市場發(fā)展分析[J].電加工與模具,2005(增刊)：13-16.

[2] 劉志東.基于復合工作液的電火花線切割加工技術研究[J].電加工與模具,2008(增刊)：24-30.

[3] 周大農.電火花線切割加工技術的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].機械工人,2006(6)：17-19.

[4] 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.

[5] 方丁酉.兩相流動力學[M].長沙：國防科學技術大學出版社,1988.

[6] 高上品.電火花加工過程的物理本質[J].機電一體化,1996(3)：29-31.