电介质的构成影响放电产物在线切割窄缝中动态分布的观察和探究

何赐文，赵晋胜

（北京东兴润滑剂有限公司，北京100102）

电介质的构成影响放电产物在线切割窄缝中动态分布的观察和探究

何赐文，赵晋胜

（北京东兴润滑剂有限公司，北京100102）

通过构建的观察视窗，观察到线切割窄缝型腔中电介质和放电产物的动态分布及从窄缝型腔排出的过程、路径等实况，通过高清和高速摄像技术，获取了宏观和1/30 000 s的微观图像及视频资料，初步探索了放电介质影响线切割稳定性和加工效率的机理。

电火花线切割加工；电介质；放电产物；动态分布；影响机理

长期以来，人们对往复走丝电火花线切割机床的结构、脉冲电源、数控系统、切割工艺等方面的研究较多；但对其所用的电介质（工作液）的作用机理及性能要求的研究却很有限[1]。多年以来，往复走丝电火花线切割的工作液一直是以含矿物油的乳状液为主，这类含油乳状液存在的一些缺点一直难以克服：①工作液中的矿物油在电火花高温下裂解、聚合形成粘稠的黑色油泥，导致工作液失效很快，使用8～10天须更换新液[2]；换液和排放频繁，不仅降低了机床的利用率，且严重污染了环境；②难以实现长时间连续稳定的切割，在日均连续20 h切割过程中，持续使用120 h后，随着加工时间的延长，加工效率很快降低；③工作液的基础油中含有大量芳香烃，经电火花高温裂解后的产物对人体健康有严重危害。

由于往复走丝电火花线切割机床是我国特有的产品，国外鲜有文献报道，更无实物可对比。鉴于此，开展了水溶性线切割液的研发。目前的发明专利（专利号200710152048.4）产品DIC-206水溶性线切割液的高效、安全、环保等优良特性虽然已受到市场普遍认可，并促成了高端“中走丝”机床的研究和发展，但对于线切割液的作用机理，如：电介质和放电产物（火花、气体、悬浮物）在线切割窄缝型腔中是如何分布的？电蚀产物和聚合的固态颗粒物是怎样从窄缝型腔排出的？主要影响因素有哪些？消电离速度与哪些因素有关？在切割液中影响程度如何？粘度、沸点、蒸汽压是否重要等问题，尚未给出明确的答案。本文探索性地回答上述问题，汇报给行业同仁，以求抛砖引玉。本文所用物理专业名词术语引自《电火花加工理论基础》[3]和电火花线切割加工常用专业名词术语。

1 构建观察视窗

视窗由紧贴在被切割金属工件表面的透明玻璃和金属工件及3支以上C型夹钳组合而成。被切割平面与地面垂直，透明平板玻璃通过3只C型夹钳固定贴附于金属工件表面模拟为金属工件的一部分，线电极紧贴靠玻璃从左至右切入，并保持行程轨迹始终与玻璃板平面平行。在视窗前，用两只色温6000 K的白光灯在被切割平面的中位水平面与被切割平面呈45°角对称照明（图1）。随着切割进程，电极丝左侧形成一个不断扩大的窄缝（取决于线电极的直径）型腔，透过玻璃可清楚地观察到电介质（以下按行业习惯称“切割液”）和放电产物（火花、气体、悬浮物等）的动态分布实况。

图1 视窗图示

2 观察内容

观察试验采用BDK7725电火花线切割机床，配BKDE(d)型控制柜，切割材质为Gr12模具钢，切割厚度为180 mm，电极丝采用0.18 mm的冷拔钼丝，丝速12 m/s。不同脉冲宽度加工电流均保持约4 A（调整脉冲间隔）。

2.1 高清摄像记录观察

（1）采用乳化液型切割液，电蚀产物很快从中部开始堵塞、改变排屑路径（图2）。

从视频中看到，8 μs脉宽时，不能稳定放电切割；64 μs脉宽时，初始阶段切割稳定且效率较高，排屑方向垂直于电极丝轴向、呈喷洒状，但5 min后从中部开始垂直于电极丝轴向的排屑路径逐步被黑油泥堵塞，实际排屑情况改为由电极丝携带出油泥管道。

（2）采用半合成型（复合型）切割液，排屑较流畅，电蚀产物呈粥样斜抛向下流动（图3）。

从视频中看到，8 μs脉宽时，可稳定放电切割。初始阶段排屑方向垂直于电极丝轴向，呈密布吹泡状，电蚀产物松散分布，切割稳定且效率较高；但随着切割时间的延长（约十几分钟），电蚀产物逐渐呈粥样斜抛向下流动状态。

图2 采用乳化型切割液

图3 采用半合成型切割液

（3）采用纯净水切割稳定，但总体排屑不够流畅（图4）。

从视频中看到，最初放电过程中形成了不强的喷射流，但由于纯水清洗性差、沸点低，逐渐增多的颗粒物很快干粘，堵塞了窄缝型腔，切割稳定性变差，切割速度降低。

（4）采用含高沸点物质和润湿剂的水溶液排屑通畅（图5）。

从视频中看到，采用高沸点物质的水溶液并添加润湿剂作为电介质，切割过程中排屑很通畅，电蚀物垂直于钼丝轴向，大体呈扇面型喷射排离电极丝。切割很稳定，切割速度高，且脉宽4～8 μs（试验用控制柜可提供的最小脉宽）时，放电切割均可稳定进行。

图4 采用纯净水切割

图5 采用高沸点物质的水溶液并添加润湿剂切割

（5）采用水溶性切割液排屑非常顺畅，放电产物呈喷射流状态排离电极丝（图6）。

图6 采用DIC-206水溶性线切割液

从视频中看到，电介质和放电产物垂直于电极丝轴向，呈喷射流排离电极丝，排屑很顺畅，切割很稳定，切割速度更高。

2.2 高速摄像记录观察

根据高清摄像记录观察分析，鉴于单向（低速）走丝线切割采用纯净水作为电介质，考虑到乳化型和复合型的线切割液都因产生油泥而不便观察，故通过30 000帧/s高速摄像仅对采用纯净水和水溶性线切割液的模拟切割实况进一步进行微观的观察、记录和分析。

（1）记录观察发现，采用纯净水和水溶性线切割液，单个脉冲放电产生两点以上的放电通道都是大概率现象，且从8 μs短脉宽至128 μs长脉宽现象接近；水溶性线切割液产生的放电通道点多于纯净水，且放电通道点较纯净水更离散。在观察到的50 mm长度范围内，长脉宽放电产生的放电通道点多于短脉宽放电产生的放电通道点（图7）。

图7 典型照片

（2）由32 μs和128 μs典型脉冲放电记录可看出，从形成放电通道、引起气化膨胀到放电产物呈喷流扩散结束，全过程持续时间约为放电脉冲宽度的6～7倍。

（3）从开始形成放电通道至热源辉光消失过程的时长与脉宽的比值随着放电脉宽的增大而变小。通过对脉宽8、32、128 μs时放电的1/30 000 s照片进行的粗略统计，从开始形成放电通道至放电点热源辉光消失过程的持续时间分别约为脉宽的8、4、2倍。采用纯净水和水溶性线切割工作液的情况基本一致。

3 机理探究

由于线切割加工的切缝是向后敞开的，而敞开的一面基本上被排出的电蚀产物所堵塞，加上工作液进入切缝的运动方向垂直于敞开的方向，因此可近似地认为工作液的流动是在环形管中的流动，且是在粗糙管壁中的粘性液体流动。电蚀产物与工作液的混合液在切缝中的流动是缝隙流动，只要混合液及时排离前进方向上的缝隙，对加工就没有影响，故排屑只需考虑前进方向上的缝隙[4]。这里所说混合液中的电蚀产物应理解为包含放电过程中非电蚀的产物，故下面的讨论中用放电产物涵盖放电切割过程中的电蚀产物和非电蚀形成的产物。

3.1 乳化型切割液中的胶质和芳烃的裂解产物是阻碍排屑的致命因素

由前文可看出，乳化型切割液在放电初始的几分钟内，放电产物能排离电极丝，但很快（＜10 min）黑色油泥即堵塞了缝隙。其原因是乳化型切割液原液（皂化油）中的主要成分是含胶质和芳烃的常减压基础油，其高温裂解、聚合的产物就是黑色油泥，黑油泥包裹住电蚀产物吸附在电极和各接触面上，除一部分被高速运动的电极丝携带出缝隙外，其余在缝隙内均起阻碍排屑作用。油泥阻碍排屑造成一系列问题，唯一的好处是那些油泥对黑色金属有很好的防锈作用。

3.2 半合成型（复合型）线切割液（微乳液）实质是乳化液的同类

采用半合成型（复合型）切割液（东兴DIC-098），放电初始阶段的放电产物能较好地排离电极丝，约半小时后黑色粘稠放电产物逐渐增多，切割速度略高于乳化型切割液。其原因是原液中含芳烃的基础油含量比乳化油减少了70%，乳化剂反而增加了30%，故其稀释液（工作液）中胶体的比例大大增多，粗分散比例大大减少，表面活性增强。但由于其本质是油滴分散成粒径小于0.8 μm的乳化液，其高温裂解、聚合的产物仍是黑色油泥，故最终也和乳化液性质一样。只是单位时间内产生的油泥量少，使用寿命和维持加工稳定性的时间较长而已。

3.3 纯净水不适宜作往复走丝线切割液

由前文的观察可看出，纯净水是能维持稳定切割的放电介质，使用寿命也长。但由于其表面张力较大，清洗性差，往复走丝切割速度低，对金属没有防锈性能，所以不适宜作为往复走丝的切割液。

3.4 水溶性线切割液排屑最顺畅且有良好的综合性能

由前文还可看出，采用DIC-206水溶性线切割液，在放电切割过程中，放电产物始终向切缝敞开的方向喷流排泄，切割前进方向缝隙中的电蚀产物能及时顺畅排出，保证了切割加工的稳定、高速、持续性。其优良的综合性能是由配方构成决定的，具体分析如下：

（1）完全由水溶性物质构成，且含有足够的表面活性剂。

原液和稀释液均主要是多分子的高分子溶液类胶体和缔合胶体，自身的分散性就强于乳化液和半合成液，其裂解聚合产物在水中是分散的。足够的表面活性保证缝隙各点、面都能得到有效的润湿和清洗，故电蚀产物能快速地分散在混合液中。

（2）高沸点和反溶解物质提高汽化临界点、压缩放电通道。

高沸点物质提高水溶液的汽化温度，避免放电通道形成前汽化，以保持液体介电性；放电结束后，高沸点和反溶解物质的协同效应使汽化的介质快速恢复液态，实现及时消电离和冷却，压缩放电通道缩短电弧的时长；防止汽化或熔化的金属结瘤，使之成碎屑并被包裹分散到混合液中，且包裹效应提高了混合液的容纳性[4]。在加工切缝前进方向的相对固定容积内，高沸点气体的压强大，所以产生喷流现象。

（3）电性能调整剂具有合适的介电性，提高切割速度特性。

COND调整剂是一种水溶液电性能改进剂，在电场作用下可形成小阳极大阴极胶体，有增加单个脉冲放电点数的作用，也有导致火花放电轰击靠近工件电极的效用，因而促成同等切割速度时切割表面光洁度好，相同电规准情况下切割速度快。

（4）良好的润湿性及合适的粘度确保切割液随电极丝运动足量流入缝隙。

润湿性保证工作液瞬时吸附于电极丝，合适的粘度保证运动的电极丝能有效带动工作液流动。所说足量是足够，而不一定是大量。工作液在高速走丝线切割加工缝隙中，基本是以剪切流动为主，工作液的流动方向总是随着电极丝运动的方向流动，而非随着冲液方向流动[4]，故供液量只要能保证液流包住电极丝并封住电极丝周围的切缝就足够了。过大的流量反而减少了颗粒物沉淀分离的机会，也易产生泡沫。良好的润湿性和合适的粘度，保证放电产物不会在多次切割的待修切面上形成过厚的绝缘膜。

（5）具有低电导率特性的防锈剂对黑色和有色金属都有良好的防锈性。

遴选的具有低电导率特性的水溶性防锈剂是研发中攻克的技术难点，也是DIC-水溶性线切割液被市场接受的原因。只要维持推荐的使用浓度，对黑色和有色金属（包括敏感的镁铝合金）都有良好的防锈性能。

（6）构成中不含有毒有害化学物质，权威检测和应用实践证明具有安全、环保特征。

保护人类赖以生存的环境，已是当今社会当务之急，有良知和道德底线的人都应即刻从我做起，从身边做起。以人为本，保护环境，是研发DIC系列水溶性电介质的出发点和落脚点。构成DIC-206水溶性线切割液的原料和添加剂等化学品，均具有无毒或低毒及可生物降解的特征。DIC-206产品原液经中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所做毒理试验的结论是“属实际无毒级”；欧盟RoHS的6项检测24子项均为“未检出”。工作液经沉淀分离可循环使用不排放。

4 结论

经观察记录分析，结合切割加工实验和市场反响，可得出以下结论：

（1）采用水溶性物质（水溶液）作为往复走丝电火花线切割液，具有排屑顺畅、切割速度高、容纳性好（切割大厚度时尤为突出）、使电极丝耐用（如4.5～5 A电流平均切割速度150 mm2/min，连续切割51 h，重复3次均未出现断丝现象）等工艺技术上的优异性，技术成熟，是完全可行和可靠的。

（2）采用水溶性线切割液会减少排污，切割液通过简单沉淀分离即可实现循环使用不排放，为实现清洁生产创造了条件，其减排等特征在全民怨恨污染的当下，社会效益是显见的。

（3）DIC-206水溶性线切割液具有优异的综合性能，无毒无害、对人安全，保护环境，具有很高的性价比。5年来经受住了市场的考验，值得大力推广应用。

[1]潘湛昌，郭钟宁，王成勇.高速走丝电火花线切割加工中工作液的电解作用[J].电加工，1996（2）：17-19.

[2]张学仁.数控电火花线切割加工技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.

[3]李明晖.电火花加工理论基础[M].北京：国防工业出版社，1989.

[4]李明晖.数控电火花线切割加工工艺及应用[M].北京：国防工业出版社，2010.

Observation and Exploration for the Influence on Dynamic Distribution of the Discharge Products in WEDM Narrow Slit Using the Different Dielectrics

He Ciwen，Zhao Jinsheng
（Beijing Dongxing Lubricant Co.,Ltd，Beijing 100102，China）

By building the observation windows，the dynamic distribution of dielectric and discharge products during WEDM in the narrow slit cavity，the process and path of dielectric and discharge products discharging from the narrow slit cavity are observed.Using high definition and high-speed camera technology，the macroscopic picture and video data,and the microscopic pictures which are recorded per 1/30 000 second are obtained.Preliminary，the different dielectrics influence mechanism of WEDM stability and the machining efficiency are explored.

WEDM；dielectric；discharge products；dynamic distribution；influence mechanism

TG661

A

1009-279X（2014）06-0025-04

2014-10-25

何赐文，男，1955年生，工程师。