往復(fù)走絲線切割復(fù)合工作液壽命表征的研究

李明明，劉志東，李凌鈴，岳偉棟

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

往復(fù)走絲線切割復(fù)合工作液壽命表征的研究

李明明，劉志東，李凌鈴，岳偉棟

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

研究了往復(fù)走絲電火花線切割加工過程中切割效率、工件表面形貌、蝕除效率、電導(dǎo)率、工作液折光率及pH值的變化規(guī)律，并檢測(cè)了放電加工波形。分析認(rèn)為：以往采用切割效率來衡量工作液使用性能的方法缺乏科學(xué)性，而采用蝕除效率作為復(fù)合工作液壽命的表征指標(biāo)更加科學(xué)，且蝕除效率的變化與加工時(shí)的放電脈沖利用率有很大關(guān)聯(lián)性，為建立往復(fù)走絲線切割復(fù)合工作液壽命的評(píng)價(jià)體系指明了方向。

電火花線切割加工；工作液；壽命表征；蝕除效率；脈沖利用率

復(fù)合工作液作為一種洗滌和冷卻性能好、切割工藝指標(biāo)可獲得大幅提升且環(huán)保性較好的產(chǎn)品，在往復(fù)走絲電火花線切割工作液市場(chǎng)上已占有相當(dāng)?shù)姆蓊~[1-2]。它作為電火花線切割脈沖放電的介質(zhì)，對(duì)加工工藝指標(biāo)有很大的影響。但隨著復(fù)合工作液的循環(huán)使用，其冷卻和洗滌性能將發(fā)生改變，直至最終失效，從而影響切割效率、表面質(zhì)量等加工工藝指標(biāo)。因此，尋找復(fù)合工作液使用壽命的表征指標(biāo)，及時(shí)判斷工作液使用狀況，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[3]。

1 復(fù)合工作液的壽命

對(duì)于往復(fù)走絲電火花線切割加工而言，工作液的使用壽命始終是一個(gè)模糊的概念。通常，操作人員習(xí)慣于將工作液切割效率的降低作為壽命縮短的簡(jiǎn)單判斷依據(jù)。切割效率與切割面積之間的關(guān)系見圖1，一般呈現(xiàn)切割效率先上升、后降低的規(guī)律，所以當(dāng)工作液切割效率降低到一定程度后，就可認(rèn)為工作液已經(jīng)失效[4]。但事實(shí)上工作液切割效率的變化并不能真正反映工作液的實(shí)際工作情況，因?yàn)殡姌O絲直徑在加工中會(huì)因損耗而逐步變細(xì)，從而會(huì)導(dǎo)致整個(gè)加工中蝕除效率的變化。所謂蝕除效率，是指在單位時(shí)間內(nèi)蝕除工件材料的體積，mm3/min。

因此，在電火花線切割加工中調(diào)整加工參數(shù)，直接影響加工的實(shí)際上是工件的蝕除效率。

本文通過對(duì)連續(xù)加工中復(fù)合工作液的蝕除效率、切割效率、電導(dǎo)率、濃度及pH值等重要性能參數(shù)進(jìn)行研究，以尋找能真正表征復(fù)合工作液壽命的指標(biāo)[5]。

2 試驗(yàn)條件

加工設(shè)備采用HF320Z往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床（圖1），試驗(yàn)條件見表1。每切割20 000 mm2測(cè)量一次工作液的電導(dǎo)率、pH值和電極絲直徑，并計(jì)算電流蝕除速率。所用到的測(cè)量工具有：數(shù)字存儲(chǔ)示波器、電流探頭、電導(dǎo)率儀、手持折光儀、超聲波清洗器、電子數(shù)顯千分尺、pH精密試紙等。

表1 試驗(yàn)條件

圖1 加工現(xiàn)場(chǎng)照片

3 指標(biāo)變化

3.1 表面質(zhì)量

從本質(zhì)上講，加工時(shí)工作液壽命的降低體現(xiàn)在極間放電狀態(tài)的惡化，它將導(dǎo)致加工過程的短路和微短路次數(shù)增多、放電脈沖利用率降低，從而使加工效率降低，工件表面質(zhì)量下降，甚至使工件表面產(chǎn)生燒傷（圖2）[6]。圖3是與圖2相對(duì)應(yīng)的切割表面微觀照片，開始切割時(shí)的工件表面較平整光滑，且色澤亮白，說明此時(shí)極間排屑、洗滌效果良好（圖3a）；當(dāng)工作液經(jīng)過較長(zhǎng)切割時(shí)間后，工件表面出現(xiàn)殘留液滴，色澤發(fā)暗（圖3b），除此之外，表面還滯留下大量燒焦的微碳粒，說明此時(shí)復(fù)合工作液的極間冷卻性能變差，蝕除產(chǎn)物開始堵塞切縫，工作液進(jìn)入極間較少，因此不利于蝕除產(chǎn)物排出，放電后，蝕除產(chǎn)物會(huì)粘附在加工表面形成碳微粒，并造成工件表面燒傷。

圖2 復(fù)合工作液加工工件

圖3 表面微觀形貌（600×）

3.2 電導(dǎo)率

加工時(shí)，復(fù)合工作液的蝕除效率與工作液的電導(dǎo)率變化見圖4。由圖4發(fā)現(xiàn)，工作液的壽命似乎隨著加工時(shí)電導(dǎo)率的升高而降低。但電導(dǎo)率的變化實(shí)

際上是工作液中離子濃度增加的結(jié)果，而離子濃度增加與工作液的洗滌冷卻性能并無直接關(guān)系。為說明此問題，實(shí)驗(yàn)按不同濃度的配比將JR1A復(fù)合工作液的電導(dǎo)率配置成3～10 mS/cm，其對(duì)應(yīng)的蝕除效率見圖5。

圖4 復(fù)合工作液的蝕除效率與電導(dǎo)率的關(guān)系

圖5 不同濃度配比復(fù)合工作液的蝕除效率與電導(dǎo)率的關(guān)系

從圖5可看出，當(dāng)工作液電導(dǎo)率從3～10 mS/cm范圍變化時(shí)，其蝕除效率變化范圍僅2.4%。由此證明復(fù)合工作液的壽命與加工中的電導(dǎo)率并無直接關(guān)系。因此，電導(dǎo)率不宜用于衡量工作液的壽命。

3.3 濃度

由于測(cè)量溶液的濃度較困難，而溶液的濃度與其折射率存在著一定的關(guān)系，故可利用手持折光儀測(cè)量溶液的折射率來間接反應(yīng)溶液濃度的變化。一定濃度的工作液在加工過程中，由于工作液的外濺、霧化及高溫下的氣化等，會(huì)使工作液產(chǎn)生損耗并導(dǎo)致其濃度發(fā)生變化[7]。實(shí)驗(yàn)中，每切割20 000 mm2，就用手持折光儀通過折光率近似測(cè)量一下工作液濃度變化。由圖6可看出，工作液濃度變化很小，說明復(fù)合工作液的損耗以整體揮發(fā)為主，它與工作液的壽命變化并無直接關(guān)系。因此，不宜選用濃度作為復(fù)合工作液失效的衡量指標(biāo)。

3.4 pH值

采用pH精密試紙測(cè)量連續(xù)加工中復(fù)合工作液的pH值，其變化曲線見圖7?？煽闯?，連續(xù)切割600 000 mm2工件，工作液pH值的變化范圍很小，只比初始切割時(shí)的8.5增加了0.5。由于工作液濃度略微增加，會(huì)使工作液中的OH-濃度略有增加，導(dǎo)致其pH值也隨之增加，但增幅很小。因此，pH值也不能反映復(fù)合工作液性能的變化。

圖6 復(fù)合工作液蝕除效率與濃度變化的關(guān)系

圖7 復(fù)合工作液蝕除效率與pH值變化的關(guān)系

3.5 蝕除效率與切割效率

從圖8和圖9可看出，在復(fù)合工作液中連續(xù)切割，電極絲呈先變粗、后慢慢變細(xì)的趨勢(shì)。這是由于用表面光滑的新電極絲進(jìn)行切割時(shí)，在放電高溫的作用下，電極絲放電區(qū)域會(huì)產(chǎn)生熔化，甚至氣化；當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，電極絲表面變得凹凸不平，宏觀上表現(xiàn)為表面有很多毛刺。又因?yàn)樵谝欢ㄇ懈蠲娣e范圍內(nèi)，放電區(qū)域的毛刺凸起超出原電極絲直徑的表面，所以宏觀上測(cè)得的電極絲直徑會(huì)略微變大；而后在放電中，電極絲直徑由于損耗而逐步減小。這就表現(xiàn)為電極絲直徑在切割中先略微增大、而后逐步減小[8]。

圖8 蝕除效率與電極絲直徑的關(guān)系

復(fù)合工作液在切割過程中，由于電極絲直徑的變化，蝕除效率與切割效率均呈先升高、后降低的趨勢(shì)。但當(dāng)電極絲直徑變?yōu)?.16 mm時(shí)，此時(shí)更換成直徑0.12 mm的電極絲，可看到蝕除效率還是呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但切割效率卻有明顯的回升現(xiàn)象。所以通過切割效率來判斷工作液的壽命是不妥的，而蝕除效率卻能很好地反映工作液的切割性能變化，因此，用蝕除效率作為復(fù)合工作液壽命的表征指標(biāo)更科學(xué)。

圖9 切割效率與電極絲直徑的關(guān)系

4 蝕除效率與放電波形的關(guān)系

通過數(shù)字存儲(chǔ)示波器隨機(jī)截取100個(gè)放電脈沖來檢測(cè)其放電脈沖利用率。從復(fù)合工作液連續(xù)加工過程的放電波形可看出：剛開始切割時(shí)的脈沖利用率較高，幾乎達(dá)到95%～99%，且從圖10和圖11可看出，擊穿延時(shí)較多，短路波形很少，說明此時(shí)的極間狀態(tài)及工作液的洗滌冷卻性很好；隨著加工的進(jìn)行，當(dāng)切割完600 000 mm2時(shí)，此時(shí)的脈沖利用率僅達(dá)70%，擊穿延時(shí)很少，短路波形所占比例很大，說明此時(shí)的極間狀態(tài)惡化，短路及微短路次數(shù)增多，從而使工件表面易燒傷，加工蝕除效率降低。

圖10 加工時(shí)的波形統(tǒng)計(jì)

圖11 蝕除效率與脈沖利用率的關(guān)系

此外，在復(fù)合工作液中連續(xù)切割，工作液的電導(dǎo)率也會(huì)隨之增加。電導(dǎo)率的增加會(huì)使擊穿電壓降低，放電峰值電流減少[9]，從而導(dǎo)致單個(gè)脈沖放電能量減少（圖12）。因此，使用過一段時(shí)間的工作液在蝕除效率方面，會(huì)因放電利用率大大降低和單個(gè)脈沖放電能量的損失導(dǎo)致蝕除效率的降低。

圖12 電導(dǎo)率變化時(shí)的波形變化

5 復(fù)合工作液壽命的判斷

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蝕除效率與脈沖利用率、切割效率及工件表面質(zhì)量有很大關(guān)系。但在實(shí)際加工過程中，很少能隨時(shí)通過示波器來采集波形和測(cè)量脈沖利用率，因此可大致通過切割效率V、電極絲直徑D、放電間隙δ（一般單邊取0.01 mm）來估算蝕除效率V0，其大致關(guān)系為：V0=V·(D+2δ)。一般當(dāng)V0降為原來的60%，可暫定為工作液失效，此時(shí)的脈沖利用率已低于70%，且加工工件表面質(zhì)量很差。

6 結(jié)論

（1）通過研究復(fù)合工作液在連續(xù)切割時(shí)的電導(dǎo)率、濃度、pH值的變化，得出其不能作為評(píng)判工作液壽命指標(biāo)的依據(jù)。

（2）通過研究復(fù)合工作液在連續(xù)切割時(shí)的切割效率和蝕除效率的變化，得出蝕除效率的變化與工作液的壽命有很大關(guān)系。

（3）通過采集復(fù)合工作液加工時(shí)的波形，發(fā)現(xiàn)工作液壽命與其脈沖利用率有很大關(guān)系。

（4）可通過切割效率、電極絲直徑、放電間隙來大致估算蝕除效率，把蝕除效率降低至初始加工時(shí)的60%初步定義為復(fù)合工作液失效。

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[4] 劉志東.高速走絲電火花線切割工作介質(zhì)性能要求研究[J].航空精密制造技術(shù)，2006，42（2）：29-32.霧還會(huì)帶走大量的熱，降低工件表面和工具電極側(cè)邊的溫度，吹滅并破壞可能的結(jié)炭焦粒搭橋，減小產(chǎn)生有害穩(wěn)定電弧放電的幾率，提高整個(gè)加工過程的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了工件表面質(zhì)量與加工效率。

（3）試驗(yàn)以直徑2 mm、深度2.4 mm的通孔加工為例，對(duì)比未進(jìn)行噴霧冷卻加工的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)：噴霧加工能有效減小表面熱影響區(qū)，提高加工精度和表面質(zhì)量，加工效率提高約21.6%；且能有效抑制加工粉塵，環(huán)境友好，為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料提供了一種新的綠色加工方法。

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Research on the Characteristic of Compound Dielectric Fluid's Life in Reciprocating Travelling Wire Electrical-discharge Machining

Li Mingming，Liu Zhidong，Li Lingling，Yue Weidong
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

The ever changing principles regarding cutting efficiency，workpiece surface microstructure，ablation efficiency，electrical conductivity，the pH value and concentration of the dielectric liquid in the process of HSWEDM are studied，and the machining waveform of electrodischarge in the process is tested.The analysis shows that the method previously determining the functional performance of dielectric fluid is short of scientificity，hence using ablation efficiency as the life index of a compound dielectric fluid is more accurately represented，and the change of ablation efficiency has great relevance with electrical impulses utilization rate in this process.This perception points out the direction for establishing the evaluation system regarding the life expectancy of HSWEDM dielectric fluid.

WEDM；dielectric fluid；life index；ablation efficiency；electrical impulses utilization rat

TG661

A

1009－279X（2014）02－0014-04

2013-10-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175256）第一作者簡(jiǎn)介：李明明，男，1988年生，碩士研究生。