郭翠霞，劉康，謝文玲，周順勇

(1.四川理工學院機械工程學院，四川自貢643000;

2.四川理工學院自動化與電子信息學院，四川自貢643000)

中走絲線切割機具有多次切割功能［1］:一次切割成形，二次切割提高形狀精度，三次及以上切割提高工件表面質(zhì)量。隨著多次切割技術(shù)在快走絲電火花線切割機床上的成功應用，低成本地改善了線切割的加工表面質(zhì)量和精度，無疑是一種適應國情的技術(shù)進步。但中走絲線切割機的多次切割技術(shù)仍存在切割精度忽高忽低、精度保持性差的缺點［2］。大量資料和工廠實踐表明:工作液作為放電介質(zhì)，對加工工藝性指標影響較大，其中工作液的電導率起主要因素。據(jù)文獻［3］介紹:為了減小工作液對MSWEDM加工工藝性指標的影響，采用兩套不同的工作液循環(huán)供給系統(tǒng)來滿足粗加工、精加工的加工需求，并根據(jù)機床加工狀態(tài)，對工作液供給系統(tǒng)實現(xiàn)智能交換控制。要實現(xiàn)工作液智能交換控制，必須研究工作液電導率對多次切割工藝性指標的影響規(guī)律，從而確定精加工工作液電導率上限值，保證工作液智能控制系統(tǒng)的可行性。

1 試驗條件

機床:采用四川深揚數(shù)控機械有限公司生產(chǎn)的DKN280BZ中走絲線切割機床;電極絲:鉬絲，直徑φ0.18 mm，鉬絲補償量0.01 mm;試件:模具鋼Cr12，厚28 mm;工作液:采用乳化膏與自來水按質(zhì)量比1∶40配制，水箱容積為32 L，此時電導率為4 500 μs/cm，加工過程中未進行過濾;測量工具:DDBJ-350便攜式電導率儀，SRM-1F型表面粗糙度測量儀，千分尺;加工工藝參數(shù)如表1所示;實驗通過添加KOH電解質(zhì)改變工作液電導率，其工作液電導率的變化與實際電火花線切割加工中變化趨勢基本一致［4］。

表1 3次切割工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

每調(diào)節(jié)一次電導率為一組，共調(diào)節(jié)了13組，每組切割3個試件，并對每組試件測量后的實驗數(shù)據(jù)取平均值，選取10組數(shù)據(jù)進行分析。

2.1 工作液電導率對加工狀態(tài)的影響分析

表2中記錄了整個加工過程中的加工電壓、加工電流的實驗數(shù)據(jù)。在整個實驗加工過程中:第一次高速切割時，工作電壓大約為83～85 V，工作電流在4.1～4.2 A變化，加工電流、電壓變化不大，加工處于穩(wěn)定狀態(tài);第二次修切時，在試件1—6加工過程中，工作電壓大約為65～67.5 V，工作電流在1～1.6 A變化，加工過程還處于比較穩(wěn)定的狀態(tài);但是與前6個試件相比，第7個試件的加工電流發(fā)生了突變，由原來的1.6 A突變?yōu)?.2 A，加工電流表處于非穩(wěn)定狀態(tài)，在1.6 A和3.2 A之間來回晃動;之后，第8～10個試件電流穩(wěn)定在3.2 A，第7—10個試件的加工電壓相對還穩(wěn)定在85 V;在第三次精修過程中，加工電壓穩(wěn)定在44～45 V，但加工電流由原始的0.4 A增加到0.7 A。所以，就加工電壓、加工電流穩(wěn)定性而言，工作液的電導率變化對精加工穩(wěn)定性影響較大，對粗加工影響較小。

表2 加工電壓、電流實驗數(shù)據(jù)

續(xù)表2

2.2 電導率對切割速度的影響分析

切割速度是指在保持一定的表面粗糙度的切割過程中，單位時間內(nèi)電極絲中心線在工件上切出的面積總和稱為切割速度，單位mm2/min。

圖1 切割速度隨電導率變化關(guān)系曲線

從圖1中可以分析切割速度隨電導率變化趨勢。第一階段 (電導率σ為 4 500 ～ 7 050 μs/cm)，切割速度先增加后減小，繼而逐漸增加。當加入KOH的質(zhì)量千分數(shù)為2.5‰時，電導率為7 050 μs/cm，此時切割速度達到峰值點A，數(shù)值為46.02 mm2/min;第二階段 (電導率σ為7 050～8 750 μs/cm)，切割速度先減小到點B后增加到點C，點B的電導率是7 880 μs/cm(加入質(zhì)量千分數(shù)為3.5‰的KOH)，加工效率為39.94 mm2/min，是此區(qū)間的最低點。點C的電導率為8 750 μs/cm(加入質(zhì)量千分數(shù)為4‰的KOH)，切割速度為43.04 mm2/min，點B與點C的切割速度相差0.07%，變化不大;第三階段 (電導率σ為8 750～11 750 μs/cm)，此階段隨著電導率的增加，切割速度急劇直線下降。點D的電導率為11 750 μs/cm(加入質(zhì)量千分數(shù)為 6‰的KOH)，切割速度為31.16 mm2/min，點C與點D的切割速度相差甚大，達到28%。由此可知，工作液的電導率對多次加工的綜合切割速度影響較大。

當電導率增大到9 430 μs/cm時，切割速度急劇下降。分析其原因［5－6］:(1)如前所述，此時在第二次修切時電流表指針晃動加大，一直在1.8～3.2 A中擺動，使加工穩(wěn)定性降低;(2)電導率增大時，極間的消電離變得困難，使得下一次的放電加工不能正常進行，導致加工不穩(wěn)定，影響切割速度;(3)由于電火花線切割工作機制，在放電加工中不可避免地存在“漏電流”通過極間的工作液，且隨著電導率的增加，“漏電流”越嚴重，導致實際放電加工的能量減少，大部分消耗在極間工作液，使切割速度降低。

2.3 電導率對表面粗糙度的影響分析

電火花線切割加工是在一個極短時間內(nèi)，在一個微小的區(qū)域內(nèi)對金屬進行熔化、汽化，發(fā)生極其復雜的物理、化學反應，工件表面重新元素化，并立即生成新的化合物。放電停止后又急劇冷卻，變液相為固相，表面層在熱冷作用下便會形成新質(zhì)層，產(chǎn)生各種應力，影響工件的表面質(zhì)量［7］。

由圖2可知，隨著電導率的增加，粗糙度呈先慢速減小、后快速增大的趨勢。第一階段 (電導率σ 為 4 500 ～ 9 430 μs/cm)，表面粗糙度Ra值從1.54 μm 到最低 點 1.34 μm。分析其原因是隨著電導率的升高，工作液中的離子數(shù)量增加，加工時電解作用增強;電解對于加工表面具有拋光作用，使得電火花加工表面的表面粗糙度值略有降低。第二階段 (電導率σ為9 430～11 750 μs/cm)，隨著電導率的升高，工作液中的離子數(shù)量不斷增加，表面粗糙度Ra值急劇增大。分析其原因是在較高的電導率的條件下，極間的放電間隙較大，切縫較大，可能超過了正常的放電間隙，就失去了為獲得較理想的加工表面質(zhì)量而進行多次切割的意義了。

圖2 電導率對表面粗糙度的影響曲線

2.4 電導率對工件精度的影響分析

在電火花線切割加工中，被加工工件的形狀精度是指從XY平面看到的加工形狀的平面精度 (即尺寸精度)，以及被加工表面的Z向垂直度 (即腰鼓形)。為了獲得較高的形狀精度，要求被加工表面不但要均勻平滑而且垂直度要小，即切割面的線性度要小。從實踐上看，慢走絲線切割機床加工的工件多為正腰鼓形，即工件中部凹進，而快走絲的卻相反，一般是工件中部凸出。

電火花線切割中的位置精度是指所切割輪廓間的相對位置偏差，主要取決于機床本身的精度，即機床的機械精度和控制精度，以及操作過程中所選用的定位方式等。

影響電火花線切割機床的加工精度的因素很多［7－10］，主要有電極絲振動、工作液性能、加工電參數(shù)、鉬絲補償量、工件厚度、上下兩個導向器與工件的間距、走絲速度等。實驗采用的機床使用了智能張緊力系統(tǒng)，將絲的張緊力控制在15 N左右，電極絲振動引起相對誤差較小，可以忽略。同時采用相同的加工工藝條件，因此可以認為影響工件加工精度的主要因素是工作液電導率變化。同時為了排除以上因素引起的尺寸精度誤差，在工作液初始階段 (未加KOH)時加工3個工件，得出由以上因素引起的最大尺寸誤差，此誤差為119 μm。通過實驗研究工作液電導率在多次切割中對工件精度的影響，分析加工工件的尺寸精度、腰鼓形和形狀精度。

2.4.1 電導率對腰鼓形的影響分析

如表3所示，被加工工件的腰鼓度隨工作液電導率的增加變化不大。分析原因是:中走絲線切割機床采用了多次切割技術(shù)，即高速走絲和低速走絲的組合加工方式，相互間彌補了各自腰鼓形狀的誤差。即工件進行了一次高速切割后會呈現(xiàn)中間凸的形狀，二、三次低速精修切割后會呈現(xiàn)中間凹的形狀，二者綜合后，從而對腰鼓形狀進行了有效的抑制，故其腰鼓度在電導率不斷增加時變化微小。

表3 工件腰鼓度隨工作液電導率變化

2.4.2 電導率對尺寸精度的影響分析

尺寸精度指加工后零件的實際尺寸與零件尺寸公差帶中心的相符合程度。常用尺寸差來表征尺寸精度，實驗用最大尺寸差值衡量工件的尺寸精度，即最大尺寸差值等于工件與基本尺寸 (10 mm×10 mm)的最大偏差。

從圖3中可以看出，第一階段 (電導率σ為4 500～9 430 μs/cm)，尺寸差值變化還比較平緩，可知工作液電導率對尺寸差精度的影響較小。第二階段 (電導率σ為9 430～11 750 μs/cm)，隨著電導率的升高，尺寸差急劇直線上升。分析其原因:在較高電導率的條件下，工件蝕除產(chǎn)物劇增，極間的放電間隙較大，從而影響了切縫的寬度，因此工作液電導率超過一定值時，其大小對于加工工件的尺寸精度有較大的影響。

圖3 尺寸差隨電導率的變化曲線

2.4.3 電導率對形狀精度的影響分析

從圖4中可以分析到:隨著電導率的增加，被加工工件的形狀精度變化不大，但總體呈增大的趨勢;當電導率增大到9 430 μs/cm時，形狀精度急劇增大。

圖4 工件形狀精度隨電導率的變化曲線

3 結(jié)論

(1)工作液電導率對加工狀態(tài)存在較大的影響。在整個實驗過程，工作液電導率在4 500～8 750 μs/cm范圍內(nèi)，加工電壓、加工電流變化不大，加工比較穩(wěn)定;但當工作液電導率在9 430 μs/cm左右時，在第二次切割時，加工電流呈不穩(wěn)定狀態(tài)，由1.8 A變?yōu)?.2 A，極間工作液存在著較大的“漏電流”現(xiàn)象。

(2)工作液電導率對切割速度存在較大的影響。隨著電導率的變化，切割速度有最大值，即電導率為7 050 μs/cm，切割速度為46.02 mm2/min;當電導率為8 750 μs/cm時，切割速度急劇下降。

(3)工作液電導率對表面粗糙度存在較大的影響。隨著電導率的變化，表面粗糙度有最低值，即電導率在8 750～9 430 μs/cm范圍內(nèi)，工件表面粗糙度為1.34 μm。當電導率大于9 430 μs/cm時，粗糙度值急劇上升，工件表面粗糙度變差。

(4)工作液電導率對工件精度也存在影響。工作液電導率對工件的腰鼓度變化不大，但對尺寸精度影響較大。當工作液電導率小于等于8 750 μs/cm時，尺寸精度變化微小，但當電導率大于9 430 μs/cm時，尺寸差急劇上升，嚴重影響工件的加工精度。電導率對工件的形狀精度影響不是很大，隨電導率的增大，加工誤差呈總體上升趨勢。

因此，為了保證被加工工件的表面質(zhì)量和加工精度的要求，把工作液電導率為8 750 μs/cm作為精加工工作液的上限值，保證了MSWEDM工作液智能交換的可行性。

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