彭 麗*
(成都工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系,成都 611730)
1963年張維良創(chuàng)新性地研制出第一臺高速走絲簡易數(shù)控線切割樣機(jī),1967—1968年,上海復(fù)旦與上海交通電器廠聯(lián)合研制成功了“復(fù)旦型”高速走絲數(shù)控線切割機(jī)床,形成了我國特有的線切割機(jī)床品種,至今已有50年的歷史。但與國外先進(jìn)國家相比,仍存在很多問題,特別是在加工特殊材料方面,前景更是擔(dān)憂。
一直以來對往復(fù)走絲線切割加工原理的研究無統(tǒng)一定論,通常認(rèn)為其基本原理是:自由正離子和電子在場中積累,形成一個被電離的導(dǎo)電通道。在此階段,兩極間形成電流,導(dǎo)致離子間發(fā)生碰撞,形成一個等離子區(qū),并很快升高到8 000~12 000℃,在通道表面瞬間熔化一些材料。同時,電極和工作液的汽化形成氣泡,且其壓力不斷上升。然后電流中斷,溫度突然降低,引起氣泡爆炸,產(chǎn)生的沖擊力把熔化的物質(zhì)拋出,并在工作液中重新凝結(jié)成小的球體,被電介液排走。
往復(fù)走絲線切割機(jī)加工每次放電蝕出材料的微觀過程可分為4個連續(xù)階段:級間介質(zhì)的電離、擊穿,形成放電通道;介質(zhì)熱分解、電極材料熔化、汽化熱膨脹;電蝕產(chǎn)物的拋出;級間介質(zhì)的消電離。
從20世紀(jì)90年代起,往復(fù)走絲線切割機(jī)廣泛用于貴金屬及稀有金屬加工。由于線切割加工輪廓所需余量較少,可以有效地節(jié)約貴金屬材料,減少消耗,降低成本。這些金屬具有特殊的理化性能,因而往復(fù)走絲線切割加工時存在的問題較多。首先易產(chǎn)生較大的加工屑,其次電極絲極易粘附加工屑。而加工屑較大也不易冷卻,將嚴(yán)重影響加工零件的表面粗糙度及加工精度,以致加工一定時間后出現(xiàn)噴嘴堵塞、導(dǎo)輪及其他機(jī)床零件受損等情況,無法正常工作。
線切割加工時實際熔化和汽化的金屬在被拋離時,向四處飛濺,除絕大分部拋入工作液中收縮成小顆粒外,由于線切割工作液中的電解質(zhì),還有一小分部飛濺度覆、吸附在對面的電極絲表面上。很多文獻(xiàn)及線切割工作液研究者認(rèn)為這種互相飛濺度覆及吸附的現(xiàn)象對電極絲的損耗起到減少和補(bǔ)償?shù)淖饔茫?0],但筆者認(rèn)為對低熔點的金屬來說這種現(xiàn)象屬于過度保護(hù),已形成了對電極絲的電鍍作用,特別是銅、銀和鋁合金。這樣就對低熔點的金屬特別是低熔點較薄材料的加工相當(dāng)不利,電蝕產(chǎn)物越大越難以冷卻,被電極絲粘附電蝕物可能性更大。
彭麗等[1]認(rèn)為:脈沖電源參數(shù)搭配不當(dāng)會產(chǎn)生較大的加工屑,放電點的壓力p與放電峰值電流Im成正比,與放電時間t成反比。當(dāng)Im確定后,p隨著t的增加而減少,從而使加工屑的直徑及體積變大,導(dǎo)致加工屑的熱慣性增大即不易冷卻。因此,較寬的脈沖寬度易產(chǎn)生較大的加工屑,并易粘附到電極絲上;如果脈沖寬度較窄但間隔過小的話,也會產(chǎn)生較大的加工屑。
彭麗等[2]認(rèn)為:和電蝕量有關(guān)的金屬材料性能主要是熱學(xué)性能(熱學(xué)常數(shù))。由于電極及工件材料不同,因而熱學(xué)性能也不一樣。材料的蝕出主要取決于金屬材料的熱學(xué)性能、熱傳導(dǎo)性、材料的熔點、持續(xù)時間及其他因素等。發(fā)生在電極上材料的蝕出稱為損耗,發(fā)生在工件材料上的蝕出稱為去除材料。
熱傳導(dǎo)是介質(zhì)內(nèi)無宏觀運動時的傳熱現(xiàn)象,它在固體、液體和氣體中都可發(fā)生,但嚴(yán)格來說,只有在固體中才是純粹的熱傳導(dǎo)。而流體即使處于靜止?fàn)顟B(tài),由于溫度梯度所造成的密度差而產(chǎn)生自然對流,因此,在流體中熱對流與熱傳導(dǎo)同時發(fā)生。
鎢、鉬、石墨等材料的熔點、沸點很高,所以難以電蝕。而熔點較低的黃銅、合金、鋁合金等是容易蝕出的材料,且更容易產(chǎn)生較大電蝕產(chǎn)物。而且低熔點的金屬在高溫下極易生成氧化物,來不及冷卻的氧化物變得不穩(wěn)定,極易分解成正離子。由往復(fù)走絲線切割加工原理可知,鉬絲是負(fù)極,被加工零件是正極,而分解的正離子是一種極易得到電子的陽離子。因此,處于負(fù)極的鉬絲極易把正離子吸引過來,當(dāng)正離子得到電子就還原成金屬原子,進(jìn)而粘附在鉬絲上。少量的粘附可以增加鉬絲壽命,但過渡粘附就成了問題。如何減少粘附一直以來是需要研究和解決的問題。
實踐證明:電火花線切割加工在液體介質(zhì)中進(jìn)行最為穩(wěn)定,并且工作液的性質(zhì)對很多加工工藝指標(biāo)如切割速率、切割表面粗糙度和切精度等都有很大影響。電火花線切割在加工過程中產(chǎn)生的瞬時局部高溫易造成電極絲的損傷,影響加工質(zhì)量,并導(dǎo)致其使用壽命變短,因而需要一種冷卻性能較好的液體來達(dá)到冷卻的目的。
隨著線切割機(jī)床加工性能的提高、功能設(shè)計及技術(shù)進(jìn)步的演變,線切割工作液從早期單一油劑型產(chǎn)品發(fā)展到如今的三大類產(chǎn)品:即油劑型、水基型及水油混合型。雖然產(chǎn)品眾多,但有相當(dāng)一部分使用者對工作液的加工性能及操作工藝性能不甚了解;對在相同條件下如何利用相應(yīng)的工作液,使加工件獲得更好的內(nèi)在質(zhì)量,缺乏足夠地認(rèn)識;對線切割機(jī)床電火花放電技術(shù)中作為液體介質(zhì)的工作液,在保障線切割加工穩(wěn)定,提高切割速度,加工精度及加工件的粗糙度,降低鉬絲損耗方面的功效認(rèn)識不足。
無論是哪種類型工作液的改進(jìn)和提高,都是針對切割厚度、切割速度、切割表面粗糙度、切割精度、及延長工作液、鉬絲壽命等做文章[3-9]。很多人為追求高效率,高厚度等不斷改進(jìn)工作液,而忽略工作液對特殊材料加工工作性能的要求。而切割速度和表面粗糙度總是矛盾的,怎樣在改善切割速度的同時,進(jìn)一步改善表面粗糙度,一直以來也是往復(fù)走絲線切割需要研究的課題之一。但對于低熔點金屬材料,特別對于有色金屬這方面還沒有針對性的工作液。低熔點的金屬材料,相對高熔點金屬材料更易蝕出,無論電參數(shù)怎樣改變,都沒有解決鉬絲粘附黃銅的問題,即使增加工作液的濃度,也只是增強(qiáng)洗滌效果而已。
根據(jù)線切割加工的原理,工作液必須具有一定的絕緣性能,其作用是讓脈沖電源的電壓能有效擊穿電介質(zhì),形成放電通道,從而產(chǎn)生巨大的熱量使被加工材料熔化、汽化。同時,巨大的熱量也會導(dǎo)致放電電介質(zhì)在放電通道周圍急速膨脹,從而以爆炸的形式帶動熔化和汽化后金屬拋離放電通道。在進(jìn)入脈沖間隔期間時,放電通道消失,工作液又起到滅弧降溫的作用,等待下一個脈沖的到來,形成下一次的放電通道。再配合進(jìn)給系統(tǒng)從而使加工能繼續(xù)下去,得到所需的形狀。所以工作液同時起到放電通道形成消失,降溫和排除蝕出材料的作用。
不同的化學(xué)性能對其功能有一定的影響。冷卻功能主要是減少工件變形,提高加工精度,延長電極絲壽命,進(jìn)而加大切削速度和進(jìn)給量,提高生產(chǎn)率。水基的合成乳化液冷卻性能相對較好,但加工出的工件不易清洗,特別是熔點金屬,長久使用會導(dǎo)致機(jī)床不好清潔,冷卻效果也會受影響。其冷卻性能還和噴嘴結(jié)構(gòu)以及工作液流量、噴射方式等有關(guān)。
工作液要求具有適中的介電性能。使放電能力相對集中,不允許短路,同時在放電加工結(jié)束后,有利于電極間絕緣狀態(tài)的恢復(fù)。工作液的介質(zhì)電導(dǎo)率的大小沒有統(tǒng)一定論,如何尋找電導(dǎo)率的最佳值呢?筆者認(rèn)為可以遵循以下幾個原則:1)要有優(yōu)良的防銹性能。工作液如果防銹性能不好,時間久了會銹蝕機(jī)床和工件,不僅無法正常加工,還將破壞設(shè)備和被加工工件。因此防銹性能是線切割工作液的重要條件之一。2)要有一定的爆炸力。用較小的電流能夠切割較厚的工件,并有利于排除熔化金屬微粒。但對于低熔點金屬,特別是較薄低熔點材料的金屬加工,怎樣控制爆炸劑劑量問題有待研究和實驗。3)要有較好的冷卻性和沖洗性,以保持機(jī)床和工件的清潔,并減少粘性物的殘留。4)要有良好的潤滑性。以降低電極絲成本,提高表面加工精度從而提高表面加工質(zhì)量。同時保證加工出的工件能正常取出,且容易清洗。5)工作液應(yīng)環(huán)保,不應(yīng)產(chǎn)生有害氣體。6)還應(yīng)考慮工作液的流量、壓力的穩(wěn)定性、供液方式和工作液的過濾精度等。適當(dāng)?shù)墓ぷ饕簤毫?,可以有效地排除電蝕物等,同時還可以增強(qiáng)其對電極絲的冷卻效果;工作液上下沖液的壓力要均勻、穩(wěn)定;工作液的供給要充分,盡量包裹住電極絲,使工作液迅速順利進(jìn)入加工區(qū),達(dá)到穩(wěn)定加工的目的;還可增加濾液裝置,避免堵塞噴嘴影響冷卻效果。
工作液能否在提高加工效率和表面粗糙度等工藝指標(biāo)的同時,針對低熔點材料的加工進(jìn)行改進(jìn)?
往復(fù)走絲線切割機(jī)使用的電極絲都是鉬、鎢和鎢鉬絲。王光君等[11]研究了在鉬粉上鍍銅,結(jié)果表明:鉬粉上鍍銅與溫度和pH值成正比關(guān)系。我們可以考慮從工作液的pH值入手來分析線切割加工黃銅為什么會粘附更多的銅屑。
劉仁輝等[12]提出:銅屬半貴金屬,與平衡氫電極相比,具有較正的電位,但和氧電極電位相比,電位較負(fù)。所以在大多數(shù)條件下可能進(jìn)行陰極吸氧腐蝕,而不可能從酸中析出氫。當(dāng)酸、堿中無氧化劑存在時,銅比較耐蝕;當(dāng)酸、堿中含氧化劑時,銅會發(fā)生腐蝕。
工作液多呈強(qiáng)堿性,如無錫膏狀線切割工作液的pH值為11~12,成都DX-1工作液的pH值為10~11,模德模德40型水液體的pH值為10~12,南京特種油廠生產(chǎn)的DX-1和DX-2型線切割工作液的pH值為9~10。因此,工作液對低熔點的金屬材料會造成大的腐蝕。
針對銅被廣泛應(yīng)用及其在某些條件下容易受到腐蝕的特點,人們采用了很多方法來防護(hù)銅,其中較普遍的是在工作液中添加各種緩蝕劑[13]。
資料[14-17]表明:線切割工作液的堿性強(qiáng)弱不同,它在常溫下的電導(dǎo)率也不同,針對一般金屬材料及高熔點的材料可通過增加電導(dǎo)率來提高線切割加工效率。往復(fù)走絲線切割機(jī)成本低,加工范圍廣泛,不僅可以加工貴金屬,而且可以加工工程陶瓷材料和結(jié)構(gòu)陶瓷材料。但由于工程陶瓷材料和結(jié)構(gòu)陶瓷材料等材料的特殊性,其在線切割加工中也存在問題。如何針對不同的特殊材料,在線切割工作液中添加不同的添加劑,應(yīng)該是未來線切割工作液的研究方向。
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