摘 要：极间放电机理的角度分析了目前阻碍高速走丝电火花线切割(WEDM-HS)工艺指标及产生表面黑白交叉条纹的根本原因是工作介质的洗涤性问题，试验证明WEDM-HS在使用洗涤性良好的复合工作液后由于极间冷却状态的改善而获得切割工艺指标的大幅度提高，目前的切割速度已经超过200mm2/min，并从放电间隙、电极丝的放电能量承受能力及运丝速度等方面进行了WEDM-HS更高效率切割的可行性研究，分析了基于复合工作液电火花线切割技术的四种发展方向。
关键词：WEDM-HS 放电机理 复合工作液 高效切割 发展方向
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
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。
图4 使用佳润复合工作液切缝状态示意图
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 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。 
图7 使用乳化液典型放电波形 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。
图9 用佳润复合工作液切割的无条纹表面
二、WEDM-HS工艺指标大幅度提高的可行性分析
1、 WEDM-HS放电间隙分析
以往通常认为WEDM-HS单边放电间隙基本在0.01m m左右，这主要是因为采用乳化液为工作介质时切割能量都局限在较小的范围内，并且用普通量具测量出的放电间隙是个虚值，由于脉冲电源的峰值电流较低，放电通道内金属的蚀除形式以熔化为主，因此放电点周边存在较多的毛刺及凝固金属液滴(图5)，进一步减少了有效的放电间隙，但如果改用洗涤能力较强的复合工作液，其放电间隙将会提高且随着放电能量的增加，放电间隙也会大大增宽。
在采用复合工作液时经过测微显微镜直接测量工件表面的切缝宽度可得出在平均加工电流4安培时实际单边放电间隙已超过0.03mm(未考虑切割面的腰鼓度)，且随着切割能量的继续增加以及工作介质洗涤能力的增强而加大。因此在工作介质洗涤性能较好的情况下WEDM-HS完全可以通过增加脉冲电源的峰值电流而获得更大的放电间隙[2]甚至获得与WEDMLS相近的放电间隙。因此在保持极间清洁的状态下完全可以采用与WEDM-LS类似的工作介质高压喷射的方式协同高速运丝所产生的对工作介质的引流作用，并借助工作介质良好的洗涤作用获得极佳的极间冷却效果及对蚀除产物的冲洗作用，从而获得更高的切割效率及良好的切割表面质量。
2、WEDM-HS电极丝电流承载能力分析
处于高速运行的WEDM-HS电极丝在冷却充分的条件下是完全可以承受平均电流20安培以上的短路电流的(Ф0.18mm)，这只需通过正常运行的电极丝与工件短路就可得以验证。但目前正常加工条件下一般都采用3.0A以内的平均加工电流进行切割，其根本的原因仍是放电间隙内不确定的极间冷却状态所致，如果很好地解决了工作介质的洗涤性问题，保证工作介质在放电间隙内获得均匀流动，同时借助具有良好洗涤作用的工作介质的高压喷射冲洗作用，在电极丝高速运行的条件下，使用同等直径的高速运行的钼丝应具有比低速运行的黄铜丝更好的冷却条件与电流承载能力，可以采用更大的放电能量进行切割从而获得更高的稳定切割速度。表1为两种走丝加工方式下加工条件对照表。
目前WEDM-LS用镀锌电极丝已经可以达到承受峰值超过700安培或平均值超过45安培的大电流切割的要求[3]，对比表1可以看出当选用了洗涤能力良好的工作介质并采用高压喷液的冷却方式后，伴随着对WEDM-HS脉冲电源的深入研究，WEDM-HS应该可以获得切割效率及表面质量的显著提高。
3、电极丝运丝速度分析
WEDM-HS与WEDM-LS的最直接区别体现在走丝速度方面，但在采用洗涤性良好的工作介质后，WEDM-HS的走丝速度是完全可以降低的。WEDM-HS采用工作介质电极丝带入的方式进行冷却，电极丝的高速运行有助于工作介质的进入与蚀除产物的排出。以往通常认为这种冷却方式的采用主要是因为放电间隙较窄，工作介质不能喷入所致，实际根本原因还是因为采用乳化液时，放电后产生大量的含碳蚀除产物形成的胶体状物质粘附在切缝内使得工作介质不能喷入所致，因此只有通过增加运丝速度来降低电极丝停留在工作区域的时间，同时提高蚀除产物的带出量。从图1可看到，对于在切缝出口处堆积着粘性胶体状物质的情况单纯靠增加运丝速度来提高工作介质的带入量和蚀除产物的排出量以达到提高加工稳定性及切割效率的效果其作用是有限的，这也是为何以往WEDM-HS丝速增加到10m/s后切割速度并未再继续增加的主要原因。
图10 走丝速度与切割效率关系图
但对于使用复合工作液而言在实际切割过程中，运丝速度实际上可以大大降低(试验条件：切割厚度30mm，材料：Cr12淬火见图10)，在走丝速度为5m/s以上条件下，切割效率基本不变。因此选用复合工作液切割时，运丝速度将可以大幅度降低，由此可以提高传动导轮、轴承和电极丝导丝器的使用寿命，提高运丝系统的精度和保持性。如果喷液的条件进一步改善，丝速应还可以进一步降低。
三、基于复合工作液的电火花线切割技术发展方式探讨
1、高效率切割WEDM-HS采用复合工作液改善了极间的洗涤状态后，还可以通过脉冲电源的改进提高放电间隙，从而进一步改善极间的洗涤状态，适合更高切割能量进行高效率切割的需求。表2为某厂改进后的WEDM-HS(机床加装了导丝器和恒张力装置)脉冲电源改进前后在同样使用复合工作液条件下切割情况对比表。
切割完毕后工件表面的微观形貌如图11、12所示，由上述的图、表发现，在采用普通矩形波脉冲电源时，放电间隙较窄，在6.5A大能量加工时将产生加工不稳定现象，短路和电弧放电的脉冲增多，此时虽然平均加工电流增大，但有效的放电脉冲并没有增加反而可能降低，因此在这种情况下切割电流继续增加，加工速度基本不变，但断丝的机率会增加。而当采用了高低压复合脉冲电源后由于单边放电间隙增加了接近0.01mm，从而改善了极间的洗涤状况，使切割电流到6.5安培后仍可以保持稳定加工的状态，电流还可以继续增加，同时通过高压的引弧作用增加了脉冲的击穿机率，提高了切割效率。 
图11 普通矩形波电源6A切割表面形貌 图12 高低压复合脉冲电源6A切割表面形貌
对于WEDM-HS，电极丝的损耗也是一项很重要的指标，要降低电极丝的损耗首先必须减少放电过程中离子对电极丝的轰击作用，并使电极丝尽量减少对放电能量的吸收，这就需要电极丝表面能够快速汽化，使电极丝表面在得到冷却的同时把热能释放回放电通道内，形成汽化压力，从而提高对蚀除产物的排除能力，因此只有保持极间均匀冷却作用才可使得工作介质在电极丝表面形成一层吸附膜，类似“防弹衣”的作用(如图4示)，以减缓正离子对电极丝的轰击作用，同时通过工作介质自身的挥发带走大量的热量，以降低电极丝的损耗并提高电极丝的耐用度。而对于不能保证极间均匀冷却的切割情况，电极丝在通过放电间隙的同时也是蚀除产物将电极丝表层附着的工作介质保护膜抹干的过程，当切割工件较厚时，电极丝在工件出口处的相当长距离内将处于基本无工作介质保护膜状态(如图1所示)，并且是在冷却条件极为恶劣的条件下进行放电，这样电极丝的损耗自然就会增加，同时断丝的机率也会大大增大。这也就是采用高低压复合波后因为放电间隙加大，在同样能量切割时其丝损耗仍然较低，且同时还可以维持较高切割效率的原因。
W EDM-HS除了针对于普通金属材料的高效率切割应用外其研究领域还应拓展到超高厚度切割、特种材料切割(磁钢、聚晶金刚石、航空材料如铝，镁，钛合金等软性金属材料、半导体硅片材料等)等方面。
2、“中走丝”电火花线切割自本世纪初国内有数家WEDMHS生产企业通过对WEDM-HS机床的改造，实现了在W EDM-HS上的多次切割加工(在国内该类机床被俗称为“中走丝”)。较大地提高了WEDM-HS的工艺水平，且由于该类机床具有较高的性价比而逐步被广大的中小企业用户所接受，对于“中走丝”而言，使用过程中的运行成本并未增加，但切割的工艺指标尤其是切割表面粗糙度却有较大幅度降低。
一组多次切割的典型加工参数如表3所示，一次切割及四次切割后工件表面显微照片如图13、14所示。但该类机床的切割精度仍比WEDM-LS存在较大差距，且精度的保持性也需要进一步提高。究其原因在于：“中走丝”机床虽然对现有的WEDMHS运丝系统进行了改进，但其基本结构仍然没有质的变化；由于电极丝的反复使用，在切割过程中必然存在电极丝的损耗，从而影响放电间隙并最终降低了切割精度；此外有关理论修正量与实际修正量的差异与规律及WEDM-HS的放电机理等问题还有待于进一步探索。  
图13 一次切割表面(×400) 图14 四次切割表面(×400)
3 、基于复合工作液的WEDM-LS机床
当采用洗涤性良好的复合工作介质后，由WEDM-HS加工后工件
放电间隙及丝速降低后对切割效率产生的影响分析，自然会想到如果采用复合工作液；采用黄铜丝作为工具电极；用低速走丝的运丝方式；采用改进的脉冲电源(所谓改进其中一个主要方面是增加峰值电流，增大放电间隙)；采用强迫冲液方式应该就会具备WEDM-LS加工的基本条件，也就是说可以生产出具有中国特色的采用复合工作液作为放电介质的经济型W EDM-LS。从目前所做的一些基础研究来分析，该研究思路应该是可行的。目前国内能够进行WEDM-LS机械部分生产的厂家有不少，具有较好的生产基础。但在研制的过程中同样会面临着一些新的难题有待于进一步研究。
4、双运丝系统精密电火花线切割机床
该方案是在目前“中走丝”线切割机床的平台上，增加一套低速运丝系统如图15所示，利用WEDM-LS运丝系统可以保持较高的电极丝空间位置精度及稳定性，在精加工时用低速运丝系统进行一次或多次切割，从而达到较好的表面质量和切割精度目的。而对于切割厚度较高的工件如果加工要求不是很高，仍用高速走丝或“中走丝”方案进行切割，维持较高的切割效率和一般的切割精度，其切割方案及预期效果如表4所示。
1、机床床身 2、X轴拖板 3、Y轴拖板 4、下导轮 5、上下导丝器 6、上导轮 7、高度调节升降机构 8、上线臂 9、过渡轮 10、恒张力机构 11、立柱 12、黄铜丝盘 13、钼丝 14、运丝筒 15、黄铜丝收丝过轮 16、运丝机构换向控制开关 17、黄铜丝18、废黄铜丝收丝机构 19、废丝箱 20、下线臂21、回液管 22、过滤装置 23、复合工作液 24、高压泵 25、系统驱动模块 26、高频电源模块 27、计算机控制系统 28、喷液系统
图15 双运丝系统精密电火花线切割机床结构示意图
双运丝系统精密电火花线切割机床的研制，将对于我国电加工产业的技术进步及电加工理论的发展具有较大地促进作用，预期其工艺指标将接近目前中档WEDM-LS水平，同时具有很高的性价比，而且比WEDM-LS具有较低的运行成本，将开拓出一个符合中国国情的精密电火花线切割机床发展方向。
5、机床结构的其它改进措施
WEDM-HS运丝时易产生工作介质的雾化和飞溅，因此在机床设计时应采用封闭方式最大限度减少工作液的飞溅，同时对于机床的运丝系统布局进行调整，营造一个清洁的操作环境。使用复合工作液后可以在机床上配备压缩空气装置，采用压缩空气冷却机床的导轮轴承，在压缩空气的作用下，使轴承室中具有一定气压，使工作介质不能流入轴承室，避免了工作介质中的金属粉末对轴承造成磨损。可以延长轴承寿命4～5倍[4]，同时配备的压缩空气枪可以作为机床工作台的清洁工具。
四、结束语
本文从理论和实验两方面分析了WEDM-HS极间放电的特点，指出阻碍WEDM-HS工艺指标提高的根本原因是极间十分恶劣的间隙状态所造成的，一旦解决了极间洗涤性问题，影响WEDM-HS工艺指标的许多问题将会迎刃而解，在WEDM-HS上实行的多次切割工艺也会逐步进入实用阶段，且对高频电源的改进也必将在工艺指标方面获得较显著的成效。从理论方面也分析了WEDM-HS会获得比WEDM-LS更好的极间冷却条件，许多在WEDM-LS上已经成熟应用的成果有可能经过针对性的研究和改进而应用在WEDM-HS上，可以预言在不久的将来WEDM-HS的切割效率将会有更大幅度的提高，并且其它方面的加工工艺指标也将会得到显著的改善。同时也说明了我国基于复合工作液的电火花线切割技术的四种发展方向。
参考文献：
[1]叶军.数控低速走丝电火花线切割加工技术及市场分析[J].电加工与模具，2005(增刊)：13～16.
[2]步丰林，李明辉.超大厚度电火花线切割工艺研究[J].上海交通大学学报，1996,30(9):122～126.
[3 ]周东.线切割加工中电极丝的选用[EB/OL]. http://china.machine365.com.2006-03-07
[4] 王立新，赵秀君，冯欣.线切割机上下导轮轴承气压密封装置[J].润滑与密封. 2006,6:187～188(end)
|
