微孔过滤技术在线切割工作液系统中的应用

齐文春，高坚强，郭丽华，黄 莺

（1.苏州科技学院机电工程系，江苏苏州215011；2.苏州新火花机床有限公司，江苏苏州215128）

微孔过滤技术在线切割工作液系统中的应用

齐文春1，高坚强2，郭丽华1，黄 莺1

（1.苏州科技学院机电工程系，江苏苏州215011；2.苏州新火花机床有限公司，江苏苏州215128）

电火花线切割加工工作液系统中产生的分解物主要有两类：一类是微米级的固体颗粒；另一类是亚微米级的悬浮物。目前纸质滤芯的过滤精度一般在5～7 μm，只能过滤部分固体颗粒。将微孔过滤技术应用于以水基工作液为工作介质的线切割加工机床工作液系统中，能很好地解决工作液过滤难度大的问题，对于线切割加工中产生的固体颗粒和悬浮物都能起到过滤作用，过滤效果好。虽然该技术目前还不适用于油剂型的乳化液工作液系统，但在水基工作液系统的成功应用，为提升往复走丝电火花线切割机床工作液过滤系统的过滤效果提供了一个非常有效的途径。

电火花线切割加工；工作液系统；过滤；微孔过滤技术

在往复走丝型电火花线切割机床中，如果工作液系统的过滤效果不佳，一方面，工作液中的杂质微粒会使工作介质的电导率和放电间隙发生变化，影响放电过程的稳定性，进而影响零件的尺寸精度、一致性精度及加工效率；另一方面，工作液中的杂质微粒会影响流场特性，加大工作液进入放电间隙的阻力，使高压喷液方式难以实现，尤其在小能量放电加工时，由于放电间隙小，其难度就更大，从而制约了加工精度和效率的提高。由于工作液过滤难度较大，长期循环使用会使工作液变脏、切割性能变坏，所以工作液使用一段时间（约1～2周）就要更换[1]。因此，如何提高线切割工作液系统的过滤效果，是线切割加工领域一个急待解决的现实问题。

1 工作液系统的现状

1.1 工作液介质的使用现状

往复走丝电火花线切割加工目前经常使用的工作液介质主要有油基型、水基型以及水油混合型3类[2-3]。

油基型工作液是最早应用于线切割机床的工作液，其代表产品是油酸钾皂乳化液DX-1，兑水后呈乳白色。因其含油量较高，加工中的润滑性及防锈性都较好；工作液偏碱性，常温下的电导率为300～600 μS/cm；工作液适于加工300 mm厚度以下的工件，在此厚度范围内，其加工机械性能较好，具有良好的润滑性、排屑性及冷却性，且加工稳定。该工作液的缺点是加工效率相对较低、不能满足多次切割要求、加工间隙较小、大厚度加工时排屑困难、工作液的过滤有难度、工作液使用排放处理不符合绿色能源环保要求等。因此，这类工作液适合于普通的往复走丝电火花线切割机床，不适合具有多次切割功能的“中走丝”机床。

水基型工作液是20世纪80年代末研发出的产品，近十年才真正得到大量推广使用。这类工作液呈碱性，常温下初始电导率为1200～1800 μS/cm；不含矿物油，清洗、冷却效果都优于油基型工作液，且渗透性特强。由于其电导率是油基型工作液的两倍以上，因此放电间隙较大，也便于冷却液在加工件的间隙中清洗排屑，切割效率比油基型工作液提高15%～35%，加工工件的表面粗糙度值能降低0.5～1级。因此，在加工大厚度工件时，水基型工作液优势明显。由于水基工作液不含矿物油，在使用中不存在油污的影响，工件清洗方便，现场环境清洁，无异味，不燃烧，安全可靠，加工中对人体基本无害；废液的处理比油基型工作液简单，大大减少了环境污染，且存放保质期长，使用寿命长，可长时间使用、不更换。因此，这类工作液既可用于普通往复走丝线切割机床，也可用于“中走丝”机床，是工作液的主要发展方向。目前，水基工作液需注意和解决的关键问题是机床工作台面和工件切割面易生锈的问题。

水油混合型工作液又被称为复合型微乳化工作液，简称复合工作液，最早出现于20世纪90年代中期，大量推广使用也在近十年。这类工作液可获得较理想的加工表面粗糙度，工件表面质量很好，切割断面的颜色十分悦目，切割效率也比单一的油基型高，很好地融合了前两种产品的加工品质。用于大厚度工件加工时，工作液的冷却渗透性能和排屑性能令人满意，也易获得较好的加工精度，并解决了单一使用某种工作液的弊端。这类工作液已在“中走丝”机床中得到广泛应用，目前存在的问题主要是产品静置存放时间较长易出现分层；另外，由于含有油性物质，过滤处理难度比水基工作液大。

1.2 工作液过滤系统的现状

线切割加工产生的分解物主要有2类：一类是来自加工工件和电极丝放电腐蚀熔化气化后的金属产物，这类产物一般以固体颗粒状形态存在，放置一段时间后会沉淀或被磁铁吸附，颗粒大小与放电能量有关，通常是几微米至十几微米大小数量级；另一类是来自于工作液分解及工件材料气化状态分解后的极微细产物，这类产物一般以悬浮物的方式存在于工作液中，即使长时间放置也不会沉淀，悬浮物的大小通常是亚微米数量级。图1是采用激光多普勒技术对某工作液悬浮物的粒度大小及分布进行检测的结果，可看出，悬浮物大小通常只有0.07～0.8 μm，大部分集中在0.3～0.5 μm尺寸段内。

图1 线切割工作液悬浮物分布图

目前，往复走丝电火花线切割机床的工作液过滤方式主要有自然沉淀过滤、纸质滤芯过滤、磁铁吸附过滤3种。由于电火花线切割加工机床目前使用的工作液箱只有几十升的容量，工作液泵的不断搅动及从机床回流的脏工作液会对箱内工作液造成冲击，箱内工作液始终处于动态，要靠自然沉淀的方式解决过滤问题几乎是不可能的。由于目前纸质滤芯的过滤精度一般在5～7 μm，显然也只能过滤部分固体颗粒，随着使用时间的延长，纸质滤芯会堵塞，从而影响过滤的进行，过滤效果有限，故纸质滤芯过滤方式只适用于一般的粗加工场合，对于精密小能量加工基本达不到过滤要求。

2 微孔过滤技术的应用

微孔过滤技术作为一项新型精密过滤技术，目前已在化工、生物、医药、废水处理等领域得到了成功的应用[4]，高分子微孔滤芯对水溶液中0.3 μm微粒的过滤效率一般可接近100%，所以绝大多数液体经一次过滤就可得到清澈、透明的滤液[5]。采用反吹法可将微孔滤芯表层截留的绝大部分微粒吹扫除去，且再生效率很高，一般超过95%～98%，因此，采用反吹再生技术可使高分子精密微孔滤芯连续使用二年以上[5]。

2.1 微孔过滤技术的过滤原理

图2是基于微孔过滤技术的线切割加工工作液过滤器结构示意图。该过滤器主要由罐体、进液管道、出液管道、滤芯固定板、微孔滤芯和废液渣出口等组成。正常过滤时，脏工作液经进液管道进入罐体内，在一定压力的作用下，脏工作液中的被过滤微粒在微孔滤芯外侧表面形成吸附膜，脏工作液经吸附膜和微孔滤芯的微孔膜过滤后，再从微孔滤芯内侧空腔及出液管道流出，实现脏工作液的澄清与过滤。

图2 基于微孔过滤技术的线切割加工工作液过滤器结构

图3是基于微孔过滤技术的精密过滤器过滤原理示意图。精密过滤器中的微孔滤芯采用微孔高分子材料或微孔陶瓷材料制成，滤芯的微孔平均孔径比被过滤微粒杂质的平均直径要大一些，选择适合微孔精度的微孔滤芯，并使被过滤的工作液通过微孔滤芯时形成合适的压力差，含有悬浮物微粒的脏工作液在压力作用下流向微孔滤芯表面。开始时，较小的悬浮物微粒会进入或通过微孔滤芯中的孔隙；随后，在悬浮物微粒与微孔滤芯表面之间的吸附力及拱桥效应等综合作用下，悬浮物微粒会吸附在微孔滤芯外表面上，形成一层吸附膜。这是一层多孔状吸附膜，能有效阻止之后的悬浮物微粒继续通过，但液体能继续通过，从而起到过滤脏工作液中悬浮物微粒的作用，而不会堵塞微孔滤芯中的孔隙。微孔滤芯的数量取决于微孔滤芯的结构形式和过滤面积，根据过滤系统的流量要求及单根滤芯的过滤面积来确定微孔滤芯的数量。

图3 基于微孔过滤技术的精密过滤器过滤原理

精密微孔过滤技术既不是表面过滤，也不是深层过滤，而是表层过滤。其过滤现象是大孔径毛细孔过滤小颗粒，而不是小孔径毛细孔过滤大颗粒。过滤机理是表层吸附与孔口架桥为主，表面机械筛滤为辅[5]。

利用大于正常过滤时压力差的压缩空气或罐体内的工作液可对微孔滤芯进行反冲再生，将这层吸附膜及少量已进入微孔滤芯的微粒杂质吹离微孔滤芯，再对从废液渣出口排出的废渣进行回收处理，从而使微孔滤芯达到多次反复循环使用和无排放保护环境的目的。

2.2 基于微孔过滤技术的过滤流程

对于具有多次切割功能的电火花线切割机床来说，精加工时的放电能量小，最小放电间隙只有4～5 μm，放电产物固体颗粒大小只有1～3 μm，悬浮物大小仅0.3～0.5 μm，显然用现有的纸质滤芯过滤是达不到过滤要求的。本文提出了一种基于微孔过滤技术的线切割工作液系统过滤方法，其过滤流程见图4。

图4 基于微孔过滤技术的线切割工作液系统过滤流程图

在该工作液过滤系统中，为了减少微孔过滤滤芯的过滤负担，需对线切割加工产生的脏工作液进行初级过滤，大量的固体颗粒在这一阶段被过滤清除，然后再进行微孔精密过滤。含有各类杂质微粒的脏工作液流回工作液箱后，首先经磁性、滤网、纸质滤芯或用自然沉淀等方法对脏工作液中大部分几微米至十几微米大小数量级的固体颗粒杂质进行过滤，经初级过滤后，只剩下少量粒度较小的固体微粒和悬浮物，这些分解物再经微孔过滤技术进行精密过滤。目前的微孔过滤技术可过滤0.2 μm以上的固体微粒和悬浮物杂质，所以经微孔过滤技术过滤后的工作液基本能满足线切割加工的过滤要求。

利用反冲再生技术将过滤过程中吸附在微孔滤芯表面的吸附膜（废渣）和极少量已进入微孔滤芯的微粒杂质吹离微孔滤芯，并从废液渣出口排出，对废渣可进行回收处理，从而使微孔滤芯达到多次反复循环使用并做到无排放保护环境的目的。

使用该技术对某“中走丝”线切割机床加工中使用的水基工作液进行实际过滤，选用过滤精度为0.2 μm的陶瓷微孔滤芯，经长时间过滤使用，过滤

后的工作液检测不到微粒粒度在0.2 μm以上的微粒杂质，工作液清洁透明，过滤效果很好。但经多次试验，目前该微孔过滤技术对于油剂型的乳化液还不适用。

3 结论

（1）将微孔过滤技术应用于以水溶性水基工作液为工作介质的线切割加工机床工作液系统中，能很好地解决工作液过滤难度较大的问题，对于线切割加工产生的固体颗粒和悬浮物都能起到过滤的作用，过滤后的工作液清洁透明，过滤效果很好。

（2）微孔过滤属于精密液体澄清过滤技术，过滤机理是表层吸附与孔口架桥为主、表面机械筛滤为辅。微孔过滤滤芯可采用反吹技术进行再生，以达到长期使用的目的，有利于降低成本；同时可采用反吹技术对废渣进行回收处理，避免产生废液排放，满足了无排放的环境保护要求，是今后工作液循环过滤系统的一个发展方向。

（3）由于线切割加工对象范围广泛，使线切割工作液中的分解物种类很多，有导电和不导电、导磁和不导磁、固体颗粒和悬浮物、有机物和无机物等；且分解物粒度大小分布范围广，从零点几微米到十几微米。为了提高微孔过滤技术的过滤效果，减轻微孔滤芯的过滤负担，一定要对脏工作液进行初级过滤，使大部分的固体颗粒在初级过滤阶段被过滤清除掉。

（4）微孔过滤技术采用的滤芯主要有高分子精密微孔滤芯和陶瓷精密微孔滤芯，而采用精密微孔滤芯的数量与滤芯的材质、结构、单根滤芯过滤面积、过滤精度、过滤流量等因素有关，主要根据过滤系统的过滤流量及单根滤芯过滤面积来确定。对于不同的过滤系统要求，需根据过滤溶液种类及过滤精度要求选择合适的材质和过滤精度的滤芯，并确定合适的过滤压力和流量，才能使微孔过滤技术发挥出良好的过滤效果。

4 展望

精密微孔滤芯作为一种新型的过滤材料，以其良好的净水性能和再生性能在工业废水处理等领域得到了广泛的推广和应用。现将该技术推广应用到线切割领域，并已初步获得了效果。但目前该技术的应用仍存在许多问题有待进一步研究和探讨，如微孔过滤产品的过滤精度的进一步提高，孔径分布均匀程度的严格控制，微孔过滤产品对不同种类工作液的适应性，针对不同种类工作液的过滤系统参数优化设计和参数控制，初级过滤与微孔精密过滤的优化匹配，微孔过滤技术目前还不适用油剂型乳化液等。总之，微孔过滤技术作为一种新的富有前景的精密过滤技术，在线切割领域得到初步应用后，已使工作液的过滤效果得到了极大的提高，且解决了废渣排放的环保问题，这为往复走丝电火花线切割机床工作液过滤系统过滤效果的提升提供了一个非常有效的途径。

[1] 蔡乐安.连续加工中线切割工作液对加工的影响[J].电加工与模具，2002（4）：21-24.

[2] 于儁.浅谈电火花线切割机床工作液发展现状[J].电加工与模具，2011（增刊）：31-34.

[3] 潘传艺.中走丝电火花线切割工作液的应用与发展[J].模具制造，2011（5）：97-100.

[4] 宋显洪，宋志黎.化工生产上的液体精密过滤与最新过滤技术[J].化工装备技术，2003（3）：8-12.

[5] 宋显洪，宋志黎，陈金富，等.液体澄清过滤技术的发展现状[J].稀有金属与硬质合金，2009，37（2）：42-46.

The Application of Microporous Filtration Technology in WEDM Working Fluid System

Qi Wenchun1，Gao Jianqiang2，Guo Lihua1，Huang Ying1
（1.Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011，China；2.Suzhou New Spark Machine Tool Co.,Ltd，Suzhou 215128，China）

There are mainly two kinds of decomposition product generated by the WEDM working fluid system.One kind is few micron grade size solid particles，and the another is submicron suspension.The filtration precision of paper filter which could deal with only a part of solid particles generally is 5～7 microns.When microporous filtration technology is applied to WEDM working fluid system which uses water-based fluid as working fluid，the problems of filtration difficulties of the working liquid is well solved.Both solid particles and suspended solids generated during wire cutting process can be filtered effectively and filtering effect is outstanding.Although，the technology could not be applied to emulsion working fluid system currently，but it provides a very effective way to improve the filtering effect for reciprocating wire cutting machine working liquid filtration system with the successful application in water-based working fluid system.

WEDM；working fluid system；filtration；microporous filtration technology

TG661

A

1009-279X（2014）03-0031-04

2013-12-30

苏州市吴中区工业科技发展计划项目（2012-20）第一作者简介：齐文春，男，1961年生，副教授。