基于复合工作液的电火花线切割技术研究（上）

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电火花线切割工艺指标主要包括切割效率、精度及表面完整性等项目，在切割效率方面目前低速走丝电火花线切割(WEDM-LS)一次切割最高效率已经可达500m m²/min，中档WEDM-LS实用的一次切割最高效率为150m m²/min左右[1]，而我国独有的高速走丝电火花线切割(WEDMHS)自上世纪80年代以来实用的一次切割最高效率仍徘徊在60～80 mm²/min，其它工艺指标也与WEDM-LS的相差甚远，差距十分明显。我国的电火花线切割技术如何发展的问题已成为业内关注的焦点。

一、目前WEDM-HS存在的主要问题及分析WEDM-HS技术存在的主要问题首先是切割效率偏低，由此带来诸如多次切割工艺实用意义不大，导致切割精度与表面质量无法大幅度改善等一系列问题；其次切割表面存在黑白交叉条纹也是影响WEDM-HS切割表面宏观质量的一个重要问题。

电火花线切割稳定加工的前提首先必须保证在切割过程中不断丝。断丝的机率主要随着放电能量和切割厚度的增加而加大，即与电极丝在放电通道内所受到的离子轰击、冷却状态及停留时间密切相关。切割的效率和表面粗糙度也与极间冷却与消电离并恢复绝缘状态有关。目前普遍使用含有机械油5％左右的乳化液作为工作介质，切割完毕后出现两个现象：首先切割完毕的试件是粘附在基体上的，一般需要用力甚至敲击才可以使其与基体脱离；其次切割完毕的试件表面覆盖着胶粘的甚至是粉末状的蚀除产物，需用煤油才能刷洗干净。这主要是伴随着放电通道内10000°C以上的高温，乳化液将分解生成大量的含碳高分子化合物并与金属蚀除产
物反应生成胶体状或颗粒状物质所致。如图1所示，这些物质粘附在切缝内，并主要在切缝出口部位堆积，严重影响电蚀产物的排除，并阻挡了新鲜工作介质进入切缝。由于两极间不能保证存在不断更新的工作介质，将直接影响正常放电的延续甚至是在混有大量胶体物质的间隙内进行放电并产生电弧放电，从而使工件和电极丝表面得不到及时冷却，绝缘状态不正常，造成正常放电比例降低，切割速度降低，工件表面烧伤，换向条纹严重并使加工质量恶化，同时损伤电极丝的耐用度，严重时引起烧丝。因此选用乳化液作为工作介质对于极间通道内冷却状态的改善、消电离并恢复绝缘状态均有较大的影响，甚至粘稠状产物反而会对电极丝起到“保温”作用，并且工件愈高，运丝速度愈慢，电极丝在加工区域停留时间将愈长，断丝的机率自然就会增加。而乳化液在极间放电时将分解成胶体或颗粒状物质是一种必然的现象，所以使用乳化液必然会大大限制切割工艺指标的提高。极间冷却状态恶化其最直接的结果将导致WEDM-HS必须以十分保守的放电能量换取不断丝的加工状况。目前使用乳化液为工作介质时一般平均切割电流都在3A以内，在这种放电能量条件下是不可能获得较高切割效率的。

图1 使用乳化液切缝状态示意图

因此在使用乳化液作为工作介质的前提下以往对于高频脉冲电源的改进以及运丝系统的完善包括增加运丝速度等措施均对切割效率的提高收效甚微，这就是目前WEDM-HS切割效率长期徘徊在很低水平的根本原因。

此外由于乳化液的使用将导致蚀除产物在切缝出口部位堆积，在存在大量蚀除产物且冷却不充分的条件下产生的放电将导致碳黑物质反粘在工件表面并可能引起工件表面烧伤，产生黑白交叉条纹(图2)，因此切割表面的黑白交叉条纹一般出现在电极丝运丝的出口处，颜色是由工件内部向外逐渐变深，并且由于重力的作用，在上下喷液基本对称时，电极丝自下向上运丝时由于蚀除产物的排出能力比电极丝自上而下运丝时弱，工件上部的条纹会比下部的条纹颜色深且长(如图3所示)，在条纹处的工件表面质量要低于无条纹处。洗涤能力越差的乳化液切割表面的条纹就会越明显。因此WEDMHS切割时产生黑白交叉条纹其根本的原因仍然是工作介质的洗涤性问题。目前人们只能通过增加乳化液的浓度、添加一些洗涤性物质和增加脉间来改善切缝内的冷却和洗涤状态，减弱条纹的颜色。

图2 使用乳化液后的有条纹切割表面

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图3 切割面产生黑白交叉条纹原因示意图

因此必须选用在放电过程中尽量不生成粘稠状高分子化合物的非油或少油性工作液，从而保证切缝内工作介质的均匀与流动才能达到改善放电状态的目的。

试验证明，当选用洗涤性良好且油性比例严格控制的复合工作液后(如佳润系列的JR1A、JR3A)，切割完毕工件自动落下，切割表面只有一层薄膜状物质，表面没有换向条纹，证明其极间呈现图4所示的均匀冷却状况。在此冷却条件下，可以采用较大的放电能量(平均切割电流6－7A)进行长期稳定切割，切割效率已超过200m m ²/min。

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图4 使用佳润复合工作液切缝状态示意图

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图5、6为分别采用乳化液和JR1A复合工作液在相同的加工条件下获得的加工表面形貌图。

图5 使用乳化液切割表面形貌

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图6 使用佳润复合工作液切割表面形貌

从图中可以看到洗涤能力较差的乳化液切割表面存在大量的毛刺和烧伤痕迹，同时存在较多未被及时带走而残留在切割表面的金属液滴；而洗涤能力较强的复合工作液切割表面比较光滑、平整，表面残存的金属液滴也较少。从采集的典型放电波形观察，对于洗涤能力较差的乳化液，由于极间充满导电的胶体或颗粒物质，采集到的放电波形基本没有击穿延时，较多比例的脉冲在起始时即呈现短路状态，并且在放电过程中电压跳动较大(图7)，说明放电过程中间隙状态不稳定；而在使用复合工作液条件下(图8)，放电波形呈现出间隙放电的典型特征－放电击穿延时现象，并且洗涤条件愈好(如切割厚度较低时)，放电击穿延时的比例就愈高，放电电压的波动也较小，说明极间区域存在较均匀的工作介质从而体现出间隙放电的特征。

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图7 使用乳化液典型放电波形

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图8 使用佳润复合工作液典型放电波形

在采用复合工作液后，由于切缝内可以得到均匀的冷却，切缝内工作介质在电极丝的带动下可以贯穿流动，因此换向条纹可以做到很淡甚至完全没有，图9为采用复合型工作液JR1A在与图2相同的切割参数条件下获得的无条纹切割表面。

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图9 用佳润复合工作液切割的无条纹表面