彭 麗 樊 越 邵甄胰 程 明 林陽(yáng)軍

(成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730)

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乳化液對(duì)線切割加工黃銅性能影響的實(shí)驗(yàn)

彭 麗 樊 越 邵甄胰 程 明 林陽(yáng)軍

(成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730)

從線切割加工黃銅存在的主要問(wèn)題：切割顆粒大，電蝕物粘附鉬絲，表面粗糙度差，特別是加工薄件時(shí)問(wèn)題尤為突出，從乳化液pH值進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)不同pH值切割實(shí)驗(yàn)對(duì)比 ，實(shí)驗(yàn)證明pH值在8.80～8.41之間時(shí)電蝕物粘附鉬絲改善明顯，此時(shí)表面粗糙度有所改善。從而得出結(jié)論：切割黃銅薄件與乳化液pH值相關(guān)。此結(jié)論不僅對(duì)加工黃銅具有前所未有的改善，對(duì)加工有色金屬具有非常重要的意義。

線切割加工；乳化液；黃銅；pH值；電蝕物；粘附；表面粗糙度

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，線切割機(jī)因?yàn)檩喞庸に璧挠嗔可?，精度較高，機(jī)械加工中廣泛使用。對(duì)加工貴金屬材料更能有效地節(jié)約資源，充分利用很少余量加工出所需精密零件，特別是在加工航空雷達(dá)方面的零件尤為突出。但貴金屬材料具有其特殊的理化性能，因而線切割加工時(shí)存在著較突出的問(wèn)題。如：電蝕物顆粒大、電蝕物易粘附在電極絲上、造成堵塞乳化液冷卻不暢等。隨著加工時(shí)間的延長(zhǎng)，將影響電極絲的放電性能，短路、斷絲時(shí)常發(fā)生，加工不穩(wěn)，工件的表面質(zhì)量嚴(yán)重受損，加工工件精度無(wú)法保證。然而在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究中，很少有對(duì)線切割加工貴金屬、有色金屬遇到問(wèn)題時(shí)的解決辦法，幾乎是空白。解決的方法：常常通過(guò)改變脈寬、脈間、功效管等來(lái)改變加工條件，而冷卻液、加工溫度在一般生產(chǎn)中并不重視。為了進(jìn)一步提高線切割加工效率，我們主要針對(duì)乳化液對(duì)線切割加工黃銅性能影響進(jìn)行研究。

在切割過(guò)程中，冷卻液的作用主要為降低切割時(shí)的鉬絲及工件的溫度，潤(rùn)滑和沖洗切割留下的電蝕物。在對(duì)不同廠家及多種乳化液進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)高速走絲線切割機(jī)乳化液全部呈堿性，而且為了追求加工效率堿性越來(lái)越強(qiáng)pH值接近10～11。本文通過(guò)在不同pH值下進(jìn)行薄件黃銅的切割對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀察切割的現(xiàn)象、過(guò)程及結(jié)果，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行探索與實(shí)踐。

1 線切割加工特點(diǎn)

電火花線切割機(jī)(wire cut electrical discharge machining簡(jiǎn)稱WEDM)，是電加工范疇，1943年由前蘇聯(lián)拉扎林科夫婦研究開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)受火花放電腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因，發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時(shí)高溫可以使局部的金屬熔化、氣化而被蝕除掉，從而開(kāi)創(chuàng)和發(fā)明了電火花加工方法。線切割機(jī)也是1960年發(fā)明于前蘇聯(lián)，我國(guó)是第一個(gè)用于工業(yè)生產(chǎn)的國(guó)家。其基本物理原理是由正離子和電子在場(chǎng)中積累，很快形成一個(gè)被電離的導(dǎo)電通道。在這個(gè)階段，兩板間形成電流，導(dǎo)致粒子間發(fā)生無(wú)數(shù)次碰撞，形成一個(gè)等離子區(qū)，并很快升高到8 000～12 000 ℃的高溫，在兩導(dǎo)體表面瞬間熔化一些材料，同時(shí)，由于電極和電介液的汽化，形成一個(gè)氣泡，此時(shí)它的壓力規(guī)律上升直到非常高。而電流中斷，溫度突然降低，引起氣泡內(nèi)向爆炸，產(chǎn)生的動(dòng)力把溶化的物質(zhì)拋出彈坑，而被腐蝕的材料在電介液中重新凝結(jié)成小的球體，并被電介液排走。通過(guò)NC控制的監(jiān)測(cè)和管控，伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行，使這種放電現(xiàn)象均勻一致，從而達(dá)到加工物被加工，使其成合乎要求的尺寸大小及形狀精度的產(chǎn)品零件。

電火花線切割機(jī)按走絲速度可分為高速往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)(reciprocating type high speed wire cut electrical discharge machining俗稱“快走絲”)和低速單向走絲電火花線切割機(jī)(low speed one-way walk wire cut electrical discharge machining俗稱"慢走絲")和立式自旋轉(zhuǎn)電火花線切割機(jī)(vertical wire electrical discharge machining machine tool with rotation wire)三類。

慢走絲線切割是電火花線切割的一種，英文簡(jiǎn)寫(xiě)是(WEDM-LS)。是利用連續(xù)移動(dòng)的細(xì)金屬絲(稱為電極絲)作電極，對(duì)工件進(jìn)行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成型。它主要用于加工各種形狀復(fù)雜和精密細(xì)小的工件。但成本很高，對(duì)于工作環(huán)境和乳化液要求都比較高。很多企業(yè)不宜普及。本文主要研究高速往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)加工黃銅薄件的切割實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

2 H62黃銅及線切割工作液

2.1 H62黃銅的特點(diǎn)

H62黃銅表示平均含銅量為62%的普通黃銅，其中，H是漢字“黃”的拼音字母的第一個(gè)字母，62是銅元素的平均含量；在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入其它元素的銅合金稱特殊黃銅，仍以“H”表示，后面會(huì)跟其它添加元素的化學(xué)符號(hào)和平均成份，如H62為含銅量為60.5%～63.5%，余量為鋅含量；而HAl59-3-2則表示其銅含量57%～60%，鋁含量為2.5%～3.5%，鎳含量為2%～3%，其余為鋅含量。

H62具有良好的力學(xué)性能，熱態(tài)下塑性好，冷態(tài)下塑性也可以，切削性好，易釬焊和焊接，耐蝕，但易產(chǎn)生腐蝕破裂。此外價(jià)格便宜，是應(yīng)用廣泛的一個(gè)普通黃銅品種。H62(即四六黃銅)。在室溫下β相較α相硬得多，因而可用于承受較大載荷的零件。α+β兩相黃銅可在600 ℃以上進(jìn)行熱加工。α+β兩相黃銅顯微組織：α為亮白色的固溶體，β是CuZn為基的有序固溶體。強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)H62黃銅高溫變形時(shí)的空洞有抑制作用。H62黃銅熔點(diǎn)較低906.0 ℃。

2.2 高速走絲線切割機(jī)乳化液的作用

高速走絲電火花線切割機(jī)加工的穩(wěn)定前提首先必須保證切割過(guò)程中不斷絲。然而斷絲是隨放電能量和切割厚度增加而加劇，即與電極絲在放電通道內(nèi)所受到離子轟擊、冷卻狀態(tài)及停留時(shí)間密切相關(guān)。在多年切割實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)由于線切割機(jī)切割原理導(dǎo)致與切割材料也密切相關(guān)。

目前普遍使用含有機(jī)油5%左右的乳化液作為工作介質(zhì)，切割完畢后出現(xiàn)兩個(gè)現(xiàn)象：一是切出的工件粘附在余料基體上，一般需要用力甚至敲擊才可以使其與余料基體脫離；二是工件表面覆蓋著膠粘的甚至是粉末狀的蝕出產(chǎn)物，需要煤油甚至汽油才能刷洗干凈。這主要是放電通道內(nèi)10 000 ℃以上的高溫，是乳化液分解成膠體狀或顆粒狀的物質(zhì)所致。這些物質(zhì)粘附在切縫內(nèi)，并主要在切縫的出口堆積，嚴(yán)重影響電蝕產(chǎn)物的排出，并阻擋新的乳化液介質(zhì)進(jìn)入切縫。

由于兩極間不能維持不斷更新工作介質(zhì)，從而直接影響正常放電的延續(xù)，甚至在混有大量膠體物質(zhì)的間隙內(nèi)進(jìn)行放電并產(chǎn)生電弧放電，從而使工件和電極絲表面得不到及時(shí)冷卻，絕緣狀態(tài)不正常，造成正常放電比例降低，切割速度降低，工件表面燒傷，換向條紋嚴(yán)重等一系列問(wèn)題，同時(shí)損失電極絲的耐用度，嚴(yán)重時(shí)引起燒絲。因此乳化液對(duì)于極間通道冷卻、消電離均有大的影響，粘稠狀的產(chǎn)物會(huì)對(duì)電極絲起到“保溫”的作用，工件越厚，運(yùn)絲越慢，電極絲通過(guò)加工區(qū)域的時(shí)間越長(zhǎng)，斷絲的幾率自然會(huì)增加。乳化液在極間放電時(shí)將分解成膠體或顆粒狀物質(zhì)是一種必然現(xiàn)象， 所以使用乳化液必然會(huì)大大限制切割工藝指標(biāo)的提高，極間冷卻狀態(tài)惡化其最直接的結(jié)果是導(dǎo)致高速走絲必須以十分保守的放電能量換取不斷絲的加工狀況。目前使用乳化液為工作介質(zhì)時(shí)一般平均切割電流都在3 A以內(nèi)，在這種放電能量條件下是不可能獲得較高切割效率的。

因此在使用乳化液作為工作介質(zhì)的前提下，長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)對(duì)高頻脈沖電源的改進(jìn)及運(yùn)絲系統(tǒng)的完善結(jié)構(gòu)等措施對(duì)切割效率的提高均收效甚微，這就是高速走絲線切割的切割效率長(zhǎng)期徘徊在很低水平的根本原因。線切割工作液一般要求有一定的絕緣性能、較好的洗滌性能、較好的冷卻性能和對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)人體無(wú)危害。工作液的配置也相當(dāng)重要，太濃、太淡時(shí)，均會(huì)引起斷絲和加工不穩(wěn)定，影響所有切割工藝指標(biāo)，一般濃度比例根據(jù)所使用工作液不同，都標(biāo)有配比濃度比例范圍。切割速度要求高或大厚度工件切割時(shí)，濃度適當(dāng)?shù)托?，這樣加工比較穩(wěn)定，且不易斷絲。但工作液濃度比也不能太低，否則將使工作液絕緣性能降低，電阻率減小，冷卻能力增強(qiáng)，但降低了對(duì)工件的潤(rùn)滑作用，不利于排屑，也容易斷絲。

2.3 加工黃銅的問(wèn)題

線切割工作液能否在提高加工效率和改善加工表面粗糙度的同時(shí)對(duì)特殊材料的加工進(jìn)行改進(jìn)？ 如針對(duì)低熔點(diǎn)材料及黃銅， 該材料的特點(diǎn)是線切割加工易蝕除，電蝕物顆粒大，電蝕產(chǎn)物極易粘附于電極絲。往復(fù)走絲線切割機(jī)床使用的電極絲材料多為鉬、鎢或鎢鉬絲。王光君等研究了在鉬粉上鍍銅，采用化學(xué)鍍方法對(duì)平均粒度為3 μm 的鉬粉進(jìn)行化學(xué)鍍銅， 溫度控制在55～75 ℃，pH 值控制在11.5～13 范圍內(nèi)。結(jié)果表明，鉬粉上鍍銅在溫度一定、pH值為12 左右時(shí)效果最佳。還有很多關(guān)于鉬粉和鎢粉鍍銅的研究都是在堿溶液和一定溫度下進(jìn)行的。如何控制線切割工作液堿性及溫度就是線切割加工黃銅出現(xiàn)問(wèn)題的主要因素。瞬時(shí)溫度無(wú)法控制，只能從乳化液的酸堿性入手，對(duì)不同pH值下的切割對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行探索與研究。

3 H62黃銅薄件切割實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

按要求正常比例配制冷卻液，并測(cè)出pH值、室內(nèi)溫度；切割材料銅板，厚度5 mm；切割形狀15 mm× 15 mm 的正方形；在相同電參數(shù)情況下，用pH調(diào)節(jié)劑，在不同pH值工作液中進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)對(duì)比，主要觀察不同pH值工作液中切割黃銅薄件，電蝕物粘附鉬絲的程度及粗糙度的變化。我們已經(jīng)用長(zhǎng)時(shí)間切割實(shí)驗(yàn)證明，電參數(shù)和工作液濃度有一定的變化，但不顯著，也沒(méi)解決根本問(wèn)題。

選擇脈寬8 μs、脈沖間隔1:15、功放管2只，適當(dāng)?shù)慕M合搭配，切割效率控制一致=20 mm2/min進(jìn)行切割，并觀察切割過(guò)程中的現(xiàn)象,鉬絲在不同pH值切割后直徑變化如表1。

每次切割前測(cè)量鉬絲直徑，切割完后測(cè)量鉬絲的直徑，切割三個(gè)樣件后用煤油洗表面。

完成一組pH值后，向冷卻液中加入pH調(diào)節(jié)劑，降低pH值，找到幾組典型變化趨勢(shì)進(jìn)行比較。

使用線切割機(jī)型號(hào)：DK7745；生產(chǎn)廠家：成都無(wú)線電專用設(shè)備廠。

使用工作液型號(hào)：JR-1A復(fù)合型電火花線切割工作液(乳化膏)；廠家：浙江佳潤(rùn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 切割條件

切割前鉬絲直徑/mmpH切割后鉬絲直徑/mm0.2509.810.2520.2529.340.2530.2539.030.2540.2548.800.2540.2548.410.2530.2538.350.2540.2548.220.2530.2537.960.2530.2537.880.252

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，不同pH的切割樣件圖及局部放大圖見(jiàn)圖1。

由切割數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH等于8.8～8.41之間，鉬絲直徑?jīng)]有變化，說(shuō)明鉬絲粘附電蝕物減少，而且鉬絲顏色比較均勻，在切割過(guò)程中，我們能看到切割電蝕物銅屑隨鉬絲運(yùn)動(dòng)大部分被冷卻液帶出沖走，在清洗樣件表面時(shí)，粘附在表面的銅屑很容易清洗掉，觀察樣件表面，顏色較前幾組更明亮，更接近銅的本色，粗糙度明顯變化，顆粒變細(xì)。

而當(dāng)pH低于8，在pH等于7.96時(shí)切割過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)冷卻液變粘，加工效率下降，僅有少量銅屑能被帶出，而且加工后銅件表面暗淡、無(wú)光。繼續(xù)稀釋工作液使pH之降至7.88時(shí)，切割緩慢，調(diào)整其他參數(shù)，使其切割效率達(dá)20 mm2/min左右，切割完后，觀察冷卻水箱，冷卻液有很多團(tuán)狀漂浮物，而且樣件清洗困難，無(wú)法完全清洗掉表面的電蝕物，表面發(fā)黑，氧化嚴(yán)重，說(shuō)明隨著工作液堿性降低，洗滌功能及冷卻功能降低，切割效率也變低，此時(shí)嚴(yán)重影響切割。此時(shí)的冷卻液也不能再繼續(xù)加工。當(dāng)pH等于7.96～7.88鉬絲直徑也無(wú)變化，當(dāng)pH低于7.88時(shí)，幾乎無(wú)法正常加工。不同pH下切割時(shí)鉬絲直徑變化如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

從長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)切割實(shí)驗(yàn)中我們不難發(fā)現(xiàn)，高速走絲線切割機(jī)工作液必須在堿性環(huán)境下才能正常切割，這個(gè)是早已證明并且已實(shí)現(xiàn)。對(duì)于切割黃銅仍然一樣，但切割黃銅對(duì)工作液要求更高，不僅與pH值有關(guān)，而且加工時(shí)對(duì)pH值更加敏感，這是因?yàn)辄S銅特殊理化性能決定，當(dāng)在pH等于8.41～8.80時(shí)切割效率及切割表面質(zhì)量最佳，此時(shí)電蝕物粘附鉬絲幾乎可以被工作液帶走，鉬絲直徑切割前后沒(méi)有變化。這一發(fā)現(xiàn)無(wú)疑可以使線切割機(jī)加工有色金屬有了新的突破，填補(bǔ)了長(zhǎng)期以來(lái)線切割加工有色金屬的嚴(yán)重問(wèn)題，電蝕物粘附鉬絲，影響加工表面及切割效率等問(wèn)題。

未來(lái)，材料是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。由于往復(fù)走絲線切割機(jī)床成本較低，加工范圍廣，不僅是貴金屬，包括工程陶瓷材料和結(jié)構(gòu)陶瓷材料，由于其具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、超硬、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好等獨(dú)特的優(yōu)良性能，在航天航空、石油化工、儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。怎樣更有效地控制工作液的pH值既可以提高加工效率又可以減少電蝕物粘附鉬絲仍然是以后探索的問(wèn)題。

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Experiments of impact of emulsion on WEDM processing brass performance

PENG Li, FAN Yue, SHAO Zhenyi, CHENG Ming, LIN Yangjun

(Chengdu Technological University, Chengdu 611730, CHN)

From the main problems of WEDM processing brass: cutting particles is large, electrical erosion adheres on molybdenum wire, surface roughness is bad, especially when processing thin plate problem is particularly prominent, from emulsion pH cutting experiments, through different pH cutting experiment contrast, experiments show pH value between 8.41～8.80 electric erosion adhering on molybdenum wire improves, meanwhile the surface roughness improves.Thus draw the conclusion: brass thin cutting is associated with emulsion pH value.This conclusion not only has unprecedented improvement on processing brass, but also has importance for processing non-ferrous.

WEDM processing; emulsion; brass; pH; electric erosion; adhesion on; surface roughness

TG661

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.019

彭麗，女，1964年生，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)楦咚僮呓z線切割機(jī)加工有色金屬工藝研究及質(zhì)量控制，已發(fā)表論文24篇。

(編輯 汪 藝)

2016-09-03)

161126