往复走丝电火花线切割蚀除产物颗粒对放电加工的影响

时间：2024-08-31

李谢峰，刘志东，李明明

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016）

电火花线切割加工是机械制造领域中一种重要的加工技术[1,2]。随着电火花线切割加工要求的不断提高，对影响加工的各种因素的研究更加深入且细致，而过滤系统是影响其加工的重要因素之一。目前，在对单向走丝电火花线切割机床多年的研究过程中发现，随着加工时间的增加，如不及时清洗水箱内的几道过滤网，就易引起堵塞，补充水供应不上，导致机床报警甚至停机；而此时的去离子水不仅影响零件的加工表面质量，且极易对机床工作液箱及零部件造成腐蚀[3]。在往复走丝电火花线切割加工中，一般只采取简单的过滤系统，主要目的是防止喷水板堵塞，基本上没有考虑过滤的精度对切割加工的影响；且加工蚀除产物对放电状态影响的研究也较少。本文设计了一种新型的过滤系统，通过控制过滤不同大小的蚀除产物颗粒，进行了工艺试验，分析了蚀除产物对放电加工的影响。

1 新型过滤系统的设计

传统的工作液过滤系统见图1，主要通过过滤棉过滤工作液中的杂质。工作液进入工作液箱后，工作液中的蚀除产物会沉淀或在磁钢作用下加速沉淀，最后再通过水泵直接将工作液送至加工区。其缺点是大颗粒蚀除产物不能完全过滤。由于磁钢与工作液的接触面积小，磁性强度不高，磁场分布不均匀（靠近磁钢磁力线密集，远离磁钢磁力线稀疏），且蚀除产物具有一定的动能，必然造成大颗粒蚀除产物无法完全被磁钢吸附，进而造成喷水板堵塞，影响切割工艺指标。

图1 传统过滤系统示意图

新设计的过滤系统见图2。首先，工作液通过磁性分离器将大颗粒蚀除产物充分过滤，因为磁性分离器的磁棒是高强度钕制磁铁，且有多个磁棒均匀分布在箱体中，与工作液的接触面积大，磁场分布较均匀，工作液与磁棒充分接触，有利于蚀除产物的吸附；随后，工作液流入工作液箱，进行二次沉淀，再通过高压水泵将工作液送入纸芯过滤器；最后，利用水阀调整，供给加工区域冷却。

图2 新型过滤系统示意图

2 颗粒大小对极间的影响

从图3 可看出，蚀除产物的颗粒基本上大于3 μm，大部分都在5～10 μm 之间，而一般放电间隙约为10 μm，所以，只有≤10 μm 的蚀除产物才能完全进入放电间隙。进入放电间隙的蚀除产物对放电加工的影响主要有两方面：①颗粒较大时，易造成异常放电（微短路或短路），从而增加疏松接触放电几率，恶化工件表面质量，加速电极丝损耗，降低切割速度（图4a）；②颗粒较小时，易促成正常放电，提高切割速度。这是因为蚀除产物在极间缩短了正负极之间的距离，增加了有效脉冲利用率，提高了切割速度；同时，使异常放电的出现几率降低，减少了对电极丝的损伤，从而降低了电极丝的损耗[4]，也改善了工件表面质量（图4b）。

图4 蚀除产物颗粒在放电间隙中的状况

因此，从理论分析可知，蚀除产物颗粒在3～10 μm 时，有利于切割工艺指标的提高。

3 试验论证

3.1 试验条件

加工试验条件见表1。采用3 种不同规格的折叠纸芯（表2），在相同电源参数下进行工艺指标对比试验，切割加工兼顾了4 个切割方向。图5 是加工现场的照片。

表1 试验条件

表2 折叠纸芯的规格

图5 加工现场照片

3.2 丝损与过滤的关系

从图6 可看出，1 号纸芯加工后的丝损最大，3号纸芯加工后的丝损最小。反映出蚀除产物颗粒为3～5 μm 时，有利于降低电极丝损耗。

图6 3 种纸芯的电极丝直径损耗对比

3.3 切割速度与过滤的关系

试验中，采用1 号纸芯时，切割速度最慢，为97 mm2/min；采用2 号和3 号纸芯时的切割速度相近，分别为106、109 mm2/min。反映出蚀除产物颗粒为3～8 μm 时，有利于提高切割速度。

3.4 表面质量与过滤的关系

从图7 可看出，采用1 号纸芯加工的工件表面质量最差，表面粗糙度值为Ra 5.677 μm；采用2号、3 号纸芯加工的工件表面质量相近，表面粗糙度值分别为Ra 5.154 μm和Ra 4.963 μm，且采用3号纸芯切割的工件表面比2 号更光亮。说明蚀除产物颗粒为3～5 μm 时，有利于提高工件表面质量。

3.5 工作液寿命与过滤的关系

在机床状态良好的情况下，以切割速度降低15%～20 %为工作液失效的判定依据[6]，并将工作液失效前所切割的面积定义为工作液寿命。

从图8 可看出，蚀除产物颗粒的大小对工作液寿命的影响很大。采用1 号纸芯时的工作液寿命最短，说明工作液含有较多的大颗粒蚀除产物，易堵塞放电间隙，造成工作液排屑能力下降，从而影响切割速度。

图7 工件表面质量对比

图8 切割面积对比

4 放电波形分析

从图9 可看出，采用3 种过滤纸芯进行加工，按放电击穿时间排序依次为：1 号＜2 号＜3 号。因为当附着在电极丝或工件表面的蚀除产物颗粒变大时，就会减小放电间隙，并快速形成放电通道，使放电击穿时间变短。此外，蚀除产物颗粒的大小对峰值电流和间隙电压基本没有影响。

图9 正常放电波形对比

从图10 可看出，采用1 号纸芯时，放电波形中出现大量短路和微短路的异常放电，说明蚀除产物与电极丝的接触几率很大，加大了电极丝损耗和断丝几率，工件表面质量恶化，切割速度降低；采用2号纸芯时，放电波形中存在少量的短路和微短路波形，也有一定量较短的击穿延时的正常放电波形，说明蚀除产物与电极丝的接触几率较小，产生较少的异常放电，降低了电极丝损耗，同时缩短放电间隙，提高脉冲有效率，使切割速度得到提高；采用3号纸芯时，放电波形基本上没有短路波形，存在极少数的微短路和一定量较长时间的击穿延时的正常波形，说明蚀除产物与电极丝的接触几率很小，基本上无异常放电，大大降低了电极丝损耗，提高了切割速度，改善了工件表面质量。由此说明：8～10 μm 的蚀除产物颗粒是恶化加工工艺指标的主要因素，而3～5 μm 的蚀除产物颗粒有利于提高加工工艺指标。

图10 放电波形对比