往復走絲電火花線切割加工工作液壽命檢測及機理研究

夏麗霞，劉志東，李明明，王威

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

往復走絲電火花線切割加工工作液壽命檢測及機理研究

夏麗霞，劉志東，李明明，王威

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

進行了往復走絲電火花線切割加工工作液的壽命試驗，分析了工作液壽命與脈沖概率之間的關系。從工作液的性能及其對極間放電特性的影響角度，分析了工作液失效前后的極間狀況和放電特性，提出工作液壽命最終體現(xiàn)在放電脈沖概率方面，并與其呈現(xiàn)一定的關系。研究了往復走絲電火花線切割加工的有效放電脈沖概率與切割效率的變化關系及其對加工表面質(zhì)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當有效放電概率小于70%時，切割效率降低，加工表面質(zhì)量變差，可作為判斷工作液失效的指標。據(jù)此研制了工作液壽命的檢測裝置，該裝置可有效實時監(jiān)控工作液的壽命狀況。

電火花線切割加工；工作液；壽命；概率檢測

往復走絲電火花線切割加工專用工作液的使用已有50年的歷史。工作液是電火花線切割加工中必不可少的放電介質(zhì)，其性能直接影響加工過程的進行，對加工效率、精度、表面質(zhì)量及穩(wěn)定性等工藝指標都有著不同程度的影響[1]。然而到目前為止，往復走絲線切割加工工作液的使用壽命依然是一個模糊不清的概念，操作人員大多采用觀測工作液的顏色、味道、黏度及是否有沉淀等非定量指標[2-3]來判斷工作液是否失效，這完全依靠操作人員的經(jīng)驗，不易掌握。陸霖琰等[4]通過比較復合工作液電導率、蝕除產(chǎn)物濃度、pH值、黏度與切割效率的變化關系，指出電導率可作為衡量工作液失效的指標；劉志東[5]指出當工作介質(zhì)加工效率降低15%～20%、斷絲頻率增加或出現(xiàn)燒絲等情況時，就認為工作介質(zhì)已失效；李明明等[6]通過研究復合工作液連續(xù)切割中切割效率和蝕除效率的變化，得出蝕除效率作為復合工作液壽命的表征指標更為科學。但在實際加工中，工作液的電導率與工作液的成分、水質(zhì)、品種、使用濃度等有關[7-8]，因此用以完全表征工作液壽命指標不具有通用性；切割效率與蝕除效率在某些程度是能表征工作液壽命的，但在實際加工中，由于切割的材料、厚度等不同，切割軌跡非直線等也使計算結(jié)果沒有統(tǒng)一標準，因此作為表征指標也有一定難度。本文從電火花線切割加工極間放電本質(zhì)特性出發(fā)，提出了一種全新的基于電流脈沖概率的檢測方法以判斷工作液是否失效，其能實時準確地反映出當前加工所處的狀態(tài)，并能及時檢測出工作液的使用壽命情況。

1 試驗系統(tǒng)及工作液壽命

采用HF320Z型往復走絲電火花線切割機床，配09型智能脈沖電源，其表現(xiàn)在于當檢測到短路波形時會自動切斷脈沖電源輸出，以減少短路電流。加工現(xiàn)場見圖1，試驗條件及切割參數(shù)見表1和表2。

圖1 加工現(xiàn)場照片

表1 試驗條件

表2 切割電參數(shù)

試驗通過UT2062B數(shù)字存儲示波器隨機截取100個放電脈沖來檢測其有效放電脈沖利用率。從復合工作液連續(xù)加工過程的放電脈沖波形可看出，剛開始切割時，脈沖利用率較高，達到95%～99%，且擊穿延時較多，短路波形很少，說明此時的極間狀態(tài)及工作液的洗滌、冷卻及消電離特性很好（圖2a）；隨著加工的進行，當切割到40萬mm2時（圖2b），脈沖利用率降低到85%左右；切割到60萬mm2時（圖2c），脈沖利用率僅為70%，擊穿延時很少，短路波形所占比例很大，說明此時的極間狀態(tài)已經(jīng)惡化，蝕除產(chǎn)物不能及時排出，且消電離效果變差，導致加工過程中短路及微短路次數(shù)增多，能量得不到充分利用，加工表面易產(chǎn)生燒傷，切割效率降低。由此可知，此時工作液已經(jīng)失效。

圖2 加工過程波形統(tǒng)計

切割效率與脈沖利用率的關系見圖3，可以看出，當脈沖利用率為70%時，切割效率只有119 mm2/min，比加工剛開始時降低了19%。工件正常切割及工作液失效后的切割表面照片見圖4。

圖3 切割效率與脈沖利用率的關系

圖5為對應圖4所示切割表面的微觀照片。可看出，正常切割時的工件表面較平整、光滑，且色澤亮白，此時工作液性能良好，極間的冷卻、排屑、消電離、洗滌效果等都處于良好狀態(tài)（圖5a）；當工作液經(jīng)較長時間切割后，工件表面出現(xiàn)殘留的液滴，色澤較暗淡，此外還滯留一些燒焦的微碳粒，說明此時工作液的冷卻性能惡化，蝕除產(chǎn)物不易排出，堵塞在切縫內(nèi)，工作液在放電高溫下形成微碳粒，造成工件表面燒傷，破壞了工件表面的完整性（圖5b）。

圖4 復合工作液切割的工件

圖5 表面微觀形貌（600×）

從上述分析可知，不論加工材料、變截面、絲的張力等因素如何影響，只要選用合適的參數(shù)進行加工，使加工處于穩(wěn)定狀態(tài)的前提下，放電概率就能實時監(jiān)控工作液的壽命。當脈沖利用率低于70%時，切割效率很低，且工件表面會出現(xiàn)燒傷等痕跡，加工工件的表面質(zhì)量也會變差。因此，可選擇70%的放電概率來判斷工作液是否失效。

2 工作液失效的微觀機理分析

工作液在剛開始使用時，其冷卻、洗滌性能都很好，可維持放電間隙內(nèi)介質(zhì)的流動性，使電極絲與工件在極間充滿工作介質(zhì)的條件下進行正常放電，放電后產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物能及時地被工作液帶走，工作液也能及時對極間進行冷卻及消電離，其極間加工狀態(tài)見圖6a，所以有效放電脈沖概率可達90%以上。隨著加工的延續(xù)，首先工作液中的蝕除產(chǎn)物增多，且洗滌性降低，電導率也會逐步上升，蝕除產(chǎn)物堵塞切縫的趨勢增加，使間隙消電離變差，且易產(chǎn)生短路、二次放電及燒傷，這種現(xiàn)象在電極絲出口處更加明顯（圖6b）；此時，如果仍按原來的進給速度進給，由于放電蝕除能力降低，必然出現(xiàn)短路。為了在這種條件下仍能維持正常進給，就必須降低進給速度，由此必然導致有效放電脈沖的減少；同時，因為極間的狀態(tài)處于一種逐漸惡化的趨勢且不穩(wěn)定，必須采取欠跟蹤的方式來維持加工的延續(xù)。因此在實際加工中，宏觀上體現(xiàn)出切割效率降低，而從脈沖波形上看，一般是有效脈沖放電比例減少，空載及短路脈沖概率上升。

圖6 工作液失效原理圖

3 放電概率檢測裝置的工作原理

分析表明，工作液在使用過程中，有效脈沖利用率是逐步降低的。由于試驗采用的智能電源在遇到短路時能主動切斷脈沖能量輸出，故在加工過程中可通過檢測相應的電流脈沖概率或無脈沖電流概率在整個取樣時間內(nèi)占總脈沖的百分比來表征放電加工的狀況，并以此評估工作液的使用壽命?；谠撎匦赃M行有效脈沖概率的采集，設計的有效脈沖電流采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖7，檢測流程見圖8。

圖7 有效脈沖電流采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

先給系統(tǒng)設定一個有效放電電流脈沖概率的初始值，在加工過程中，實時地對電壓、電流脈沖進行取樣，計算出脈沖電流數(shù)占一個采樣周期內(nèi)的脈沖的比例數(shù)。如果脈沖比例大于設定值，則表示工作液工作正常；如果有效放電脈沖數(shù)小于設定值，可選擇調(diào)整切割參數(shù)，使切割正常進行或更換工作液。試驗加工裝置結(jié)構(gòu)見圖9，脈沖概率采樣裝置見圖10。在試驗加工中，從脈沖電源的正極經(jīng)電流取樣電路可得到電流信號；從進電塊和工作臺之間或直接從脈沖電源取出信號經(jīng)電壓取樣電路可得到電壓信號；同時，經(jīng)信號處理可得電流脈沖概率或無脈沖電流的概率。

圖8 有效電流脈沖檢測流程圖

圖9 試驗加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 脈沖概率采樣裝置

4 試驗結(jié)果與分析

采用本裝置可在加工過程中實時得到有效放電脈沖概率，以實時反映出加工的狀態(tài)。按表1、表2所示的加工條件，采用脈沖概率采樣裝置進行脈沖概率的檢測，得到如圖11所示的放電概率曲線。可看出，其體現(xiàn)的放電脈沖概率與圖3所示的人工獲取的脈沖概率十分吻合，因而可對工作液壽命進行預測。

圖11 有效放電概率與切割效率關系圖

5 結(jié)論

（1）工作液失效的實質(zhì)就是有效放電脈沖概率的降低，因此可用有效放電脈沖概率來表征工作液的壽命。

（2）有效放電脈沖概率小于70%時，切割效率低，加工表面質(zhì)量差，可認為工作液失效。

（3）設計的脈沖概率采樣裝置能準確檢測出放電脈沖數(shù)或無脈沖電流數(shù)，以實時監(jiān)控工作液的壽命狀況。

[1]吳長有，趙秋霞.工作液對線切割加工的影響及應用[J].職業(yè)技術，2006（18）：62.

[2]史會，趙婷.工作液在線切割加工中的應用[J].中國教育技術裝備，2006（9）：49.

[3]魏引煥，張曉燕，曹博濤.工作液性能對線切割加工質(zhì)量的影響[J].煤礦機械，2008，29（2）：82-84.

[4]陸霖琰，劉志東，田宗軍，等.高速走絲電火花線切割工作液失效研究[J].中國機械工程，2011，22（15）：1793-1797.

[5]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，2006（6）：29-32.

[6]李明明，劉志東，李凌鈴，等.往復走絲線切割復合工作液壽命表征的研究[J].電加工與模具，2014（2）：14-17.

[7]金玉惠，祁云燕，吳栩栩，等.乳化液的電導率對線切割加工的影響[J].機械工藝師，1987（7）：28-29.

[8]蔡樂安.連續(xù)加工中線切割工作液對加工的影響[J].電加工與模具，2002（4）：21-24.

Research on the Detection and Mechanism of Dielectric Fluid's Life in HSWEDM

Xia Lixia，Liu Zhidong，Li Mingming，Wang Wei
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Life test of dielectric fluid in high speed wire-cut electrical discharge machining (HSWEDM)was carried out to analyze the relationship between the dielectric fluid life and the discharge pulse probability.In terms of the working fluid properties and the effect on the discharge characteristics of discharge gap，discharge gap and discharge characteristics before and after the failure of dielectric fluid were analyzed.The relationship between the dielectric fluid life and the discharge pulse probability was proposed.The relationship between the discharge pulse probability and the cutting efficiency and surface quality was studied，when the effective discharge pulse pro-bability is less than 70%，the cutting efficiency is reduced and the surface quality becomes poor，which can be used as the index of the failure of dielectric fluid.Whereby the device of detecting the dielectric fluid life was invented which can monitor the life condition of dielectric fluid effectively.

WEDM；dielectric fluid；life；probability of detection

TG661

A

1009－279X（2014）06－0021-04

2014-09-06

夏麗霞，女，1988年生，碩士研究生。