我国电火花线切割机床发展方向分析

电火花线切割工艺指标主要包括切割效率、精度及最佳表面粗糙度等项目，在切割效率方面目前已知的低速走丝电火花线切割（WEDM-LS）的一次切割最高效率已经可达500 mm²/ min，中档WEDM-LS实用的一次切割最高效率为150 mm²/min左右。而我国独有的高速走丝电火花线切割(WEDM-HS)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，可见差距十分明显。因此有必要从放电机理方面深入分析影响WEDM-HS切割效率提高的原因以期找到解决问题的根本方法。

一 WEDM-HS极间放电机理分析

   电火花线切割稳定切割的前提首先必须保证在切割过程中不断丝。而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。当采用含有机械油5％左右的乳化液作为工作介质时，切割完毕后观察切割工件表面有两个现象：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，需用煤油才能清洗干净。这主要是伴随着放电通道内10000°C以上的高温，工作介质将分解生成大量的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。如图1所示，这些物质将粘附在切缝内，并主要在切缝出口部位堆积，严重影响电蚀产物的排除，并使新鲜的工作介质进入切缝十分困难。由于两极间不能保证存在不断更新的工作介质，这样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的放电甚至产生电弧放电，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，换向条纹严重并使得加工质量恶化，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，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。而乳化液在放电通道内分解成胶体或颗粒状物质是一种必然的现象，所以使用乳化液作为工作介质必然大大限制切割工艺指标的提高。极间冷却状态的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。


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   图1 使用乳化液切缝状态示意图        图2 使用复合工作液切缝状态示意图


   图3 使用DX乳化液切割表面形貌        图4 使用JR1A复合工作液切割表面形貌  

  
图5 使用DX乳化液典型放电波形图 图6 使用JR1A复合工作液典型放电波形图











  在使用乳化液作为工作介质的前提下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都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。

  因此在工作介质的选择方面应该选用在放电过程中尽量不生成大量高分子化合物的水基或微乳型工作介质，从而保证切缝内工作介质的均匀与流动。

  试验证明，当选用洗涤性良好的复合工作液后（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的产物，表面没有换向条纹，证明其极间呈现图2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，切割效率可达200mm²/min以上。图3、4为分别采用DX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。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的痕迹，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；而洗涤能力较强的工作介质切割表面则比较光滑、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，有较多比例的脉冲在起始放电即呈现短路的状态，并且在放电过程中电压跳动较大（图5），说明放电过程中间隙状态不稳定；而在较好的冷却状况下，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，说明极间区域存在工作介质（图6）从而体现间隙放电的特征。


二．WEDM-HS的切割放电间隙

  以往通常认为WEDM-HS单边放电间隙基本在0.01mm左右，但实际上用普通量具测量出的单边放电间隙是个虚值，对于WEDM-HS而言，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的金属液滴（图3），随着工作介质洗涤能力的降低该现象将愈加明显，这些表面特征都使得宏观测量出的放电间隙大大减少，同时也增加了表面软化层的厚度。

  本试验经过测微显微镜精密测量工件表面的切缝宽度得出目前WEDM-HS切割实际单边放电间隙可超过0.03mm（未考虑切割面的腰鼓度），并且随着切割能量的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是完全可以通过增加脉冲电源的峰值电流以获得与WEDM-LS相近的放电间隙，并采用与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，同时借助于工作介质的洗涤作用获得更加良好的极间冷却效果及对蚀除产物的冲洗作用从而达到高效率及较好切割表面质量的目的。


三．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（Ф0.20mm），这只需通过正常运行的电极丝与工件短路就可以得以验证。但目前正常加工条件下高速走丝一般都采用2－3.5安培的平均电流进行加工，其根本的原因就是放电间隙内不确定的极间冷却状态导致长时间加工必须采取十分保守的放电能量以换取不断丝的结果。但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一定具有比低速运行的黄铜丝具有更好的冷却条件与电流承载能力，应可以采用更大的放电能量从而获得更高的稳定切割速度。表1为两种走丝加工方式的加工条件对照表。


表1WEDM-HS与WEDM-LS极间加工条件对照表：

比较项目 电极丝
熔点（℃）
电极丝抗拉强度极限（MPa） 单边放电间隙（µm） 冲液压力 介质及
洗涤能力
丝速（m/s）
WEDM-LS 黄铜丝900左右 490-900 30－50 <10bar 去离子水/无洗涤能力 0.02-
0.2

WEDM-HS 钼丝2622±10 1930 30－40
（无喷液压力条件下）
可改进为高压喷液 碱性复合工作液/洗涤能力强 8-12
说明：WEDM-HS放电间隙在高压喷液及高频电源改进后应可以获得更大的间隙值。

    目前WEDM-LS用镀层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安培的大切割电流的要求，而且能量的传输必须非常有效，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，在极间处于良好的冷却状态前提下，伴随着对WEDM-HS切割电源的深入研究，WEDM-HS必然可以获得显著的切割效率提升。许多在WEDM-LS上已经成熟应用的成果将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的切割效率将有可能再一次超越WEDM-LS，并且其它方面的加工工艺指标也将会得到大幅度的提升。


四 WEDM-HS加工机理研究的方向

    深入进行WEDM-HS放电机理的研究是从根本上找到提高切割工艺指标的突破口，目前研究的方向可以围绕以下几个方面进行：

1．极间工作介质洗涤性能及冷却方式的研究

    进一步进行工作介质的研究，在保证极间具有较好冷却状态的前提下研究介质的洗涤能力、电导率、喷液压力及喷液方式与高频脉冲电源配合使用产生的对放电间隙、切割效率、表面质量、厚度的影响，寻找可以体现工作介质状态的参数指标，并将其作为一种可以控制的指标，达到对工作介质可控的目标，同时采用多级过滤或磁性过滤装置达到洁净和延长工作介质使用寿命的目的。并且改善线切割加工的操作环境，使工作台乃至整个机床均比较洁净。

2．高频脉冲电源的研究

       目前WEDM-HS高频脉冲电源在使用乳化液为工作介质时单位电流切割效率一般在20－24mm²/min之间，当使用复合工作液（佳润系列的JR1A、JR3A）时由于极间洗涤状态的改善，单位电流的加工效率一般可以增加到25－30mm²/min，同时可以获得较好的表面质量（如图4所示），并可以在较大电流条件下（6－7A）进行稳定切割，行业内已经有厂家采用等能量脉冲技术的节能高频脉冲电源配合选用JR1A（佳润1A）工作液，2.5A平均加工电流切割效率已经达到90mm²/min，单位电流的加工效率已经超过36mm²/min，采用高低压复合电源，采用JR3A（佳润3A）工作液，最高稳定切割效率已经超过250 mm²/min，这说明在改善了极间洗涤状态后高频脉冲电源波形的改变将对切割效率及其他工艺指标的提高具有举足轻重的作用。

   由放电机理可知，采用窄脉宽高峰值电流的放电波形，可以充分利用极性效应降低电极丝的损耗，并有可能降低电极丝的热疲劳，当脉宽窄到一定程度并采用高峰值电流的放电波形时还可以使得加工表面的蚀除由熔化态转变位汽化态，使得切割效率大大提高，同时降低表面的粗糙度及变质层厚度。当然由于WEDM-HS使用的工作介质具有较高的导电率，因此脉冲电源的电参数设计还不能完全类同于WEDM-LS脉冲电源，但在采用了洗涤状态良好的工作介质后，在极间洗涤状态改变了的前提下，WEDM-LS脉冲电源的许多成熟技术还是有很重要的借鉴意义的。

3．电极丝耐用度的研究

  电极丝的热物理特性对于切割工艺指标的提高同样会起到十分重要的作用。由于WEDM-HS电极丝的反复使用，电极丝的耐用度也是WEDM-HS需要考虑的十分重要指标。

  电极丝首先必须要能够承受较大的峰值电流和平均电流，并且要尽量减少能量传递过程的损耗，即要具有较好的导电性能；此外由于在火花放电过程中必然产生大量的热量，因此电极丝应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，因此深入研究工作介质与电极丝表面的吸附性能，使工作介质可以在电极丝表面形成一层保护膜，类似“防弹衣”的作用，以减缓正离子对电极丝的轰击作用，则可以大大提高电极丝的耐用度(如图7，8)。目前笔者已做的试验表明，提高工作介质的冷却作用同时增加工作介质在电极丝的吸附能力后，在同样的切割条件下，使用Ф0.18的电极丝，损耗0.01mm已经从原切割50000－60000mm²增加到可以切割100000 mm²,并且耐用度大大提高，在钼丝直径降低到Ф0.15前非正常断丝几率几乎为零（平均切割效率100 mm²/min）。当然还有许多涉及电极丝耐用度指标需要进一步深入研究。

电极丝的使用寿命。  
图七  洗涤性良好工作介质切缝状况示意图


图八 洗涤性较差工作介质切缝状况示意图