電火花線切割使用復(fù)合工作液的技術(shù)研究
WEDM-HS工藝指標(biāo)大幅度提高的可行性分析
1、 WEDM-HS放電間隙分析
以往通常認(rèn)為WEDM-HS單邊放電間隙基本在0.01m m左右，這主要是因為采用乳化液為工作介質(zhì)時切割能量都局限在較小的范圍內(nèi)，并且用普通量具測量出的放電間隙是個虛值，由于脈沖電源的峰值電流較低，放電通道內(nèi)金屬的蝕除形式以熔化為主，因此放電點周邊存在較多的毛刺及凝固金屬液滴(圖5)，進一步減少了有效的放電間隙，但如果改用洗滌能力較強的復(fù)合工作液，其放電間隙將會提高且隨著放電能量的增加，放電間隙也會大大增寬。
在采用復(fù)合工作液時經(jīng)過測微顯微鏡直接測量工件表面的切縫寬度可得出在平均加工電流4安培時實際單邊放電間隙已超過0.03mm(未考慮切割面的腰鼓度)，且隨著切割能量的繼續(xù)增加以及工作介質(zhì)洗滌能力的增強而加大。因此在工作介質(zhì)洗滌性能較好的情況下WEDM-HS完全可以通過增加脈沖電源的峰值電流而獲得更大的放電間隙[2]甚至獲得與WEDMLS相近的放電間隙。因此在保持極間清潔的狀態(tài)下完全可以采用與WEDM-LS類似的工作介質(zhì)高壓噴射的方式協(xié)同高速運絲所產(chǎn)生的對工作介質(zhì)的引流作用，并借助工作介質(zhì)良好的洗滌作用獲得極佳的極間冷卻效果及對蝕除產(chǎn)物的沖洗作用，從而獲得更高的切割效率及良好的切割表面質(zhì)量。
2、WEDM-HS電極絲電流承載能力分析
處于高速運行的WEDM-HS電極絲在冷卻充分的條件下是完全可以承受平均電流20安培以上的短路電流的(Ф0.18mm)，這只需通過正常運行的電極絲與工件短路就可得以驗證。但目前正常加工條件下一般都采用3.0A以內(nèi)的平均加工電流進行切割，其根本的原因仍是放電間隙內(nèi)不確定的極間冷卻狀態(tài)所致，如果很好地解決了工作介質(zhì)的洗滌性問題，保證工作介質(zhì)在放電間隙內(nèi)獲得均勻流動，同時借助具有良好洗滌作用的工作介質(zhì)的高壓噴射沖洗作用，在電極絲高速運行的條件下，使用同等直徑的高速運行的鉬絲應(yīng)具有比低速運行的黃銅絲更好的冷卻條件與電流承載能力，可以采用更大的放電能量進行切割從而獲得更高的穩(wěn)定切割速度。表1為兩種走絲加工方式下加工條件對照表。
目前WEDM-LS用鍍鋅電極絲已經(jīng)可以達(dá)到承受峰值超過700安培或平均值超過45安培的大電流切割的要求[3]，對比表1可以看出當(dāng)選用了洗滌能力良好的工作介質(zhì)并采用高壓噴液的冷卻方式后，伴隨著對WEDM-HS脈沖電源的深入研究，WEDM-HS應(yīng)該可以獲得切割效率及表面質(zhì)量的顯著提高。
3、電極絲運絲速度分析
WEDM-HS與WEDM-LS的最直接區(qū)別體現(xiàn)在走絲速度方面，但在采用洗滌性良好的工作介質(zhì)后，WEDM-HS的走絲速度是完全可以降低的。WEDM-HS采用工作介質(zhì)電極絲帶入的方式進行冷卻，電極絲的高速運行有助于工作介質(zhì)的進入與蝕除產(chǎn)物的排出。以往通常認(rèn)為這種冷卻方式的采用主要是因為放電間隙較窄，工作介質(zhì)不能噴入所致，實際根本原因還是因為采用乳化液時，放電后產(chǎn)生大量的含碳蝕除產(chǎn)物形成的膠體狀物質(zhì)粘附在切縫內(nèi)使得工作介質(zhì)不能噴入所致，因此只有通過增加運絲速度來降低電極絲停留在工作區(qū)域的時間，同時提高蝕除產(chǎn)物的帶出量。從圖1可看到，對于在切縫出口處堆積著粘性膠體狀物質(zhì)的情況單純靠增加運絲速度來提高工作介質(zhì)的帶入量和蝕除產(chǎn)物的排出量以達(dá)到提高加工穩(wěn)定性及切割效率的效果其作用是有限的，這也是為何以往WEDM-HS絲速增加到10m/s后切割速度并未再繼續(xù)增加的主要原因。
圖10 走絲速度與切割效率關(guān)系圖
但對于使用復(fù)合工作液而言在實際切割過程中，運絲速度實際上可以大大降低(試驗條件：切割厚度30mm，材料：Cr12淬火見圖10)，在走絲速度為5m/s以上條件下，切割效率基本不變。因此選用復(fù)合工作液切割時，運絲速度將可以大幅度降低，由此可以提高傳動導(dǎo)輪、軸承和電極絲導(dǎo)絲器的使用壽命，提高運絲系統(tǒng)的精度和保持性。如果噴液的條件進一步改善，絲速應(yīng)還可以進一步降低。
三、基于復(fù)合工作液的電火花線切割技術(shù)發(fā)展方式探討
1、高效率切割WEDM-HS采用復(fù)合工作液改善了極間的洗滌狀態(tài)后，還可以通過脈沖電源的改進提高放電間隙，從而進一步改善極間的洗滌狀態(tài)，適合更高切割能量進行高效率切割的需求。表2為某廠改進后的WEDM-HS(機床加裝了導(dǎo)絲器和恒張力裝置)脈沖電源改進前后在同樣使用復(fù)合工作液條件下切割情況對比表。
切割完畢后工件表面的微觀形貌如圖11、12所示，由上述的圖、表發(fā)現(xiàn)，在采用普通矩形波脈沖電源時，放電間隙較窄，在6.5A大能量加工時將產(chǎn)生加工不穩(wěn)定現(xiàn)象，短路和電弧放電的脈沖增多，此時雖然平均加工電流增大，但有效的放電脈沖并沒有增加反而可能降低，因此在這種情況下切割電流繼續(xù)增加，加工速度基本不變，但斷絲的機率會增加。而當(dāng)采用了高低壓復(fù)合脈沖電源后由于單邊放電間隙增加了接近0.01mm，從而改善了極間的洗滌狀況，使切割電流到6.5安培后仍可以保持穩(wěn)定加工的狀態(tài)，電流還可以繼續(xù)增加，同時通過高壓的引弧作用增加了脈沖的擊穿機率，提高了切割效率。
圖11 普通矩形波電源6A切割表面形貌
圖12 高低壓復(fù)合脈沖電源6A切割表面形貌
對于WEDM-HS，電極絲的損耗也是一項很重要的指標(biāo)，要降低電極絲的損耗首先必須減少放電過程中離子對電極絲的轟擊作用，并使電極絲盡量減少對放電能量的吸收，這就需要電極絲表面能夠快速汽化，使電極絲表面在得到冷卻的同時把熱能釋放回放電通道內(nèi)，形成汽化壓力，從而提高對蝕除產(chǎn)物的排除能力，因此只有保持極間均勻冷卻作用才可使得工作介質(zhì)在電極絲表面形成一層吸附膜，類似“防彈衣”的作用(如圖4示)，以減緩正離子對電極絲的轟擊作用，同時通過工作介質(zhì)自身的揮發(fā)帶走大量的熱量，以降低電極絲的損耗并提高電極絲的耐用度。而對于不能保證極間均勻冷卻的切割情況，電極絲在通過放電間隙的同時也是蝕除產(chǎn)物將電極絲表層附著的工作介質(zhì)保護膜抹干的過程，當(dāng)切割工件較厚時，電極絲在工件出口處的相當(dāng)長距離內(nèi)將處于基本無工作介質(zhì)保護膜狀態(tài)(如圖1所示)，并且是在冷卻條件極為惡劣的條件下進行放電，這樣電極絲的損耗自然就會增加，同時斷絲的機率也會大大增大。這也就是采用高低壓復(fù)合波后因為放電間隙加大，在同樣能量切割時其絲損耗仍然較低，且同時還可以維持較高切割效率的原因。
W EDM-HS除了針對于普通金屬材料的高效率切割應(yīng)用外其研究領(lǐng)域還應(yīng)拓展到超高厚度切割、特種材料切割(磁鋼、聚晶金剛石、航空材料如鋁，鎂，鈦合金等軟性金屬材料、半導(dǎo)體硅片材料等)等方面。
2、“中走絲”電火花線切割自本世紀(jì)初國內(nèi)有數(shù)家WEDMHS生產(chǎn)企業(yè)通過對WEDM-HS機床的改造，實現(xiàn)了在W EDM-HS上的多次切割加工(在國內(nèi)該類機床被俗稱為“中走絲”)。較大地提高了WEDM-HS的工藝水平，且由于該類機床具有較高的性價比而逐步被廣大的中小企業(yè)用戶所接受，對于“中走絲”而言，使用過程中的運行成本并未增加，但切割的工藝指標(biāo)尤其是切割表面粗糙度卻有較大幅度降低。
一組多次切割的典型加工參數(shù)如表3所示，一次切割及四次切割后工件表面顯微照片如圖13、14所示。但該類機床的切割精度仍比WEDM-LS存在較大差距，且精度的保持性也需要進一步提高。究其原因在于：“中走絲”機床雖然對現(xiàn)有的WEDMHS運絲系統(tǒng)進行了改進，但其基本結(jié)構(gòu)仍然沒有質(zhì)的變化；由于電極絲的反復(fù)使用，在切割過程中必然存在電極絲的損耗，從而影響放電間隙并最終降低了切割精度；此外有關(guān)理論修正量與實際修正量的差異與規(guī)律及WEDM-HS的放電機理等問題還有待于進一步探索。
圖13 一次切割表面(×400)
圖14 四次切割表面(×400)
3 、基于復(fù)合工作液的WEDM-LS機床
當(dāng)采用洗滌性良好的復(fù)合工作介質(zhì)后，由WEDM-HS加工后工件放電間隙及絲速降低后對切割效率產(chǎn)生的影響分析，自然會想到如果采用復(fù)合工作液；采用黃銅絲作為工具電極；用低速走絲的運絲方式；采用改進的脈沖電源(所謂改進其中一個主要方面是增加峰值電流，增大放電間隙)；采用強迫沖液方式應(yīng)該就會具備WEDM-LS加工的基本條件，也就是說可以生產(chǎn)出具有中國特色的采用復(fù)合工作液作為放電介質(zhì)的經(jīng)濟型W EDM-LS。從目前所做的一些基礎(chǔ)研究來分析，該研究思路應(yīng)該是可行的。目前國內(nèi)能夠進行WEDM-LS機械部分生產(chǎn)的廠家有不少，具有較好的生產(chǎn)基礎(chǔ)。但在研制的過程中同樣會面臨著一些新的難題有待于進一步研究。
4、雙運絲系統(tǒng)精密電火花線切割機床
該方案是在目前“中走絲”線切割機床的平臺上，增加一套低速運絲系統(tǒng)如圖15所示，利用WEDM-LS運絲系統(tǒng)可以保持較高的電極絲空間位置精度及穩(wěn)定性，在精加工時用低速運絲系統(tǒng)進行一次或多次切割，從而達(dá)到較好的表面質(zhì)量和切割精度目的。而對于切割厚度較高的工件如果加工要求不是很高，仍用高速走絲或“中走絲”方案進行切割，維持較高的切割效率和一般的切割精度，其切割方案及預(yù)期效果如表4所示。
圖15 雙運絲系統(tǒng)精密電火花線切割機床結(jié)構(gòu)示意圖
1、機床床身 2、X軸拖板 3、Y軸拖板 4、下導(dǎo)輪 5、上下導(dǎo)絲器 6、上導(dǎo)輪 7、高度調(diào)節(jié)升降機構(gòu) 8、上線臂 9、過渡輪 10、恒張力機構(gòu) 11、立柱 12、黃銅絲盤 13、鉬絲 14、運絲筒 15、黃銅絲收絲過輪 16、運絲機構(gòu)換向控制開關(guān) 17、黃銅絲18、廢黃銅絲收絲機構(gòu) 19、廢絲箱 20、下線臂21、回液管 22、過濾裝置 23、復(fù)合工作液 24、高壓泵 25、系統(tǒng)驅(qū)動模塊 26、高頻電源模塊 27、計算機控制系統(tǒng) 28、噴液系統(tǒng)
雙運絲系統(tǒng)精密電火花線切割機床的研制，將對于我國電加工產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步及電加工理論的發(fā)展具有較大地促進作用，預(yù)期其工藝指標(biāo)將接近目前中檔WEDM-LS水平，同時具有很高的性價比，而且比WEDM-LS具有較低的運行成本，將開拓出一個符合中國國情的精密電火花線切割機床發(fā)展方向。
5、機床結(jié)構(gòu)的其它改進措施
WEDM-HS運絲時易產(chǎn)生工作介質(zhì)的霧化和飛濺，因此在機床設(shè)計時應(yīng)采用封閉方式最大限度減少工作液的飛濺，同時對于機床的運絲系統(tǒng)布局進行調(diào)整，營造一個清潔的操作環(huán)境。使用復(fù)合工作液后可以在機床上配備壓縮空氣裝置，采用壓縮空氣冷卻機床的導(dǎo)輪軸承，在壓縮空氣的作用下，使軸承室中具有一定氣壓，使工作介質(zhì)不能流入軸承室，避免了工作介質(zhì)中的金屬粉末對軸承造成磨損?？梢匝娱L軸承壽命4～5倍[4]，同時配備的壓縮空氣槍可以作為機床工作臺的清潔工具。
四、結(jié)束語
本文從理論和實驗兩方面分析了WEDM-HS極間放電的特點，指出阻礙WEDM-HS工藝指標(biāo)提高的根本原因是極間十分惡劣的間隙狀態(tài)所造成的，一旦解決了極間洗滌性問題，影響WEDM-HS工藝指標(biāo)的許多問題將會迎刃而解，在WEDM-HS上實行的多次切割工藝也會逐步進入實用階段，且對高頻電源的改進也必將在工藝指標(biāo)方面獲得較顯著的成效。從理論方面也分析了WEDM-HS會獲得比WEDM-LS更好的極間冷卻條件，許多在WEDM-LS上已經(jīng)成熟應(yīng)用的成果有可能經(jīng)過針對性的研究和改進而應(yīng)用在WEDM-HS上，可以預(yù)言在不久的將來WEDM-HS的切割效率將會有更大幅度的提高，并且其它方面的加工工藝指標(biāo)也將會得到顯著的改善。同時也說明了我國基于復(fù)合工作液的電火花線切割技術(shù)的四種發(fā)展方向。
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