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(tái)高速走絲簡(jiǎn)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(guó)特有的線切割機(jī)床品種，至今已有50年的歷史。但與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比，仍存在很多問(wèn)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(lái)對(duì)往復(fù)走絲線切割加工原理的研究無(wú)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(chǎng)中積累，形成一個(gè)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(gè)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(shí)，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(guò)程可分為4個(gè)連續(xù)階段:級(jí)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(jí)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(shí)存在的問(wèn)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(shí)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(wú)法正常工作。

線切割加工時(shí)實(shí)際熔化和汽化的金屬在被拋離時(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)低熔點(diǎn)的金屬來(lái)說(shuō)這種現(xiàn)象屬于過(guò)度保護(hù)，已形成了對(duì)電極絲的電鍍作用，特別是銅、銀和鋁合金。這樣就對(duì)低熔點(diǎn)的金屬特別是低熔點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生較大的加工屑，放電點(diǎn)的壓力p與放電峰值電流Im成正比，與放電時(shí)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(guò)小的話，也會(huì)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(diǎn)、持續(xù)時(shí)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(wú)宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí)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(lái)說(shuō)，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(duì)流，因此，在流體中熱對(duì)流與熱傳導(dǎo)同時(shí)發(fā)生。

鎢、鉬、石墨等材料的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)很高，所以難以電蝕。而熔點(diǎn)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(diǎn)的金屬在高溫下極易生成氧化物，來(lái)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(yáng)離子。因此，處于負(fù)極的鉬絲極易把正離子吸引過(guò)來(lái)，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(guò)渡粘附就成了問(wèn)題。如何減少粘附一直以來(lái)是需要研究和解決的問(wèn)題。

3 電火花線切割工作液應(yīng)用現(xiàn)狀

實(shí)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(duì)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(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)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(lái)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(jì)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(duì)工作液的加工性能及操作工藝性能不甚了解;對(duì)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(shí);對(duì)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(shí)不足。

無(wú)論是哪種類型工作液的改進(jìn)和提高，都是針對(duì)切割厚度、切割速度、切割表面粗糙度、切割精度、及延長(zhǎng)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(duì)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(shí)，進(jìn)一步改善表面粗糙度，一直以來(lái)也是往復(fù)走絲線切割需要研究的課題之一。但對(duì)于低熔點(diǎn)金屬材料，特別對(duì)于有色金屬這方面還沒(méi)有針對(duì)性的工作液。低熔點(diǎn)的金屬材料，相對(duì)高熔點(diǎn)金屬材料更易蝕出，無(wú)論電參數(shù)怎樣改變，都沒(méi)有解決鉬絲粘附黃銅的問(wèn)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(shí)，巨大的熱量也會(huì)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(dòng)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(shí)，放電通道消失，工作液又起到滅弧降溫的作用，等待下一個(gè)脈沖的到來(lái)，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(shí)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(duì)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(zhǎng)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(duì)較好，但加工出的工件不易清洗，特別是熔點(diǎn)金屬，長(zhǎng)久使用會(huì)導(dǎo)致機(jī)床不好清潔，冷卻效果也會(huì)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(duì)集中，不允許短路，同時(shí)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(méi)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(gè)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(shí)間久了會(huì)銹蝕機(jī)床和工件，不僅無(wú)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(duì)于低熔點(diǎn)金屬，特別是較薄低熔點(diǎn)材料的金屬加工，怎樣控制爆炸劑劑量問(wèn)題有待研究和實(shí)驗(yàn)。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(rùn)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(shí)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(guò)濾精度等。適當(dāng)?shù)墓ぷ饕簤毫Γ梢杂行У嘏懦娢g物等，同時(shí)還可以增強(qiáng)其對(duì)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(shí)，針對(duì)低熔點(diǎn)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(lái)分析線切割加工黃銅為什么會(huì)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(wú)氧化劑存在時(shí)，銅比較耐蝕;當(dāng)酸、堿中含氧化劑時(shí)，銅會(huì)發(fā)生腐蝕。

工作液多呈強(qiáng)堿性，如無(wú)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(duì)低熔點(diǎn)的金屬材料會(huì)造成大的腐蝕。

針對(duì)銅被廣泛應(yīng)用及其在某些條件下容易受到腐蝕的特點(diǎn)，人們采用了很多方法來(lái)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(yǔ)

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(duì)一般金屬材料及高熔點(diǎn)的材料可通過(guò)增加電導(dǎo)率來(lái)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(wèn)題。如何針對(duì)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(lái)線切割工作液的研究方向。

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