电火花线切割工作液的研究现状

彭丽，白金平，程明，林阳军，蒋辛辉

（成都工业学院，四川成都611730）

电火花线切割工作液的研究现状

彭丽，白金平，程明，林阳军，蒋辛辉

（成都工业学院，四川成都611730）

以加工黄铜材料为例，提出了电火花线切割工作液在加工低熔点、较薄材料时存在的问题。详细分析了国内电火花线切割工作液的研究现状，进而提出了研究电火花线切割工作液亟需解决的问题。

往复走丝电火花线切割加工；黄铜；工作液

20世纪60年代末，我国自行研制了往复走丝电火花线切割机床。由于其结构简单、造价低、工艺效果好，加上使用过程消耗少，已成为制造业中必不可少的工艺装备之一。虽然往复走丝电火花线切割机床起步较早，且具有一定的独特之处，但近年来的发展却不尽如人意，与单向走丝电火花线切割机床的差距还较大。特别是在走丝机构（如电极丝抖动、正反向运行时张紧力不一致等）和加工特殊材料（如加工低熔点的金属黄铜及合金，铝及铝合金，贵金属银等）方面，前景更令人担忧。很多学者在线切割工作液上做了大量的研究，但都是针对切割效率、切割厚度、表面粗糙度等，未发现针对特殊材料特别是黄铜方面的研究文献。

1 以加工黄铜H62为例

电火花线切割机床广泛用于有色金属（主要是铝、铜及银）加工，由于线切割轮廓所需余量少，故能有效节约贵重材料，减少消耗，降低成本，在加工航空、雷达等零件时尤为突出。然而，由于这些金属具有特殊的理化性能，在电火花线切割加工时存在较多的问题，如电蚀物易粘附在电极丝上、电蚀物颗粒较大、加工间隙易堵塞等，严重影响加工性能，甚至不能正常加工[1]；特别是对此类材料薄件的加工，工件表面粗糙度和加工精度更难达到要求。

1.1 工作液加工黄铜存在的问题

从电蚀产物的抛出过程来看，通道和正负极表面放电点的瞬时高温，使工作液汽化及金属材料熔化、汽化，热膨胀产生很高的瞬时压力；通道中心的压力最高，使汽化了的气体体积不断向外膨胀。在进入工作液时，由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料具有最小面积，冷凝时，凝聚成细小的圆球颗粒；实际熔化和汽化的金属在被抛离时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中收缩成小颗粒外，还有一小部分飞溅镀覆、吸附在电极丝表面。许多研究者认为，这种互相飞溅镀覆及吸附的现象对电极丝的损耗起到减少和补偿的作用。但笔者认为对于低熔点的金属来说，过度保护基本形成了对电极丝的电镀作用，特别是铜、银和铝合金，这样对低熔点的金属特别是低熔点较薄材料的加工相当不利，电蚀产物越大，越难冷却。

1.2 加工黄铜问题的提出

线切割工作液能否在提高加工效率和加工表面粗糙度的同时对特殊材料的加工进行改进？如针对低熔点材料，该材料的特点是线切割加工易蚀除，电蚀物颗粒大，电蚀产物极易粘附于电极丝。

往复走丝线切割机床使用的电极丝材料多为钼、钨或钨钼丝。王光君等[2]研究了在钼粉上镀铜，采用化学镀方法对平均粒度为3 μm的钼粉进行化学镀铜，温度控制在55～75℃，pH值控制在11.5～13范围内。结果表明，钼粉上镀铜在温度一定、pH值为12左右时效果最佳。王晃等[3]提出钨粉是一种难加工、密度较大的材料，在其表面镀一层铜有利于改进其加工性能，还介绍了钨粉化学镀铜工艺研究的试验结果，反应条件为镀液温度70℃，用氢氧化钠调节溶液pH值为11～13，且在强烈电动搅拌条件下效果最好。还有很多关于钼粉和钨粉镀铜的研究都是在碱溶液和一定温度下进行的。刘仁辉等[4]提出铜属半贵金属，与平衡氢电极相比，具有较正的电位，但和氧电极电位相比，又较负，故在大多数条件下可能进行阴极吸氧腐蚀，而不可能从酸中析出氢；当酸、碱中无氧化剂存在时，铜较耐蚀；当含氧化剂时，铜发生腐蚀。

我们能否以逆向思维方式分析电镀溶液与酸碱性和温度的关系。线切割机依赖工作液和高温进行加工，为什么切割铜时，钼丝会粘附铜屑呢？与所用的线切割工作液的酸碱性是否有直接联系？而线切割加工靠高温熔化，工作液冷却温度应为多少？很少有文献说明如何测量或推测温度值。

2 电火花线切割工作液国内研究现状

电火花线切割加工是利用工具电极（如钼丝）和工件两极之间脉冲放电时产生的电腐蚀对工件进行尺寸加工的。电火花腐蚀的主要原因是：两极在绝缘液体中靠近时，由于两电极的微观表面凹凸不平，电场分布不均匀，距离最近的凸点处的电场强度最高，极间介质被击穿，形成通道，电流迅速上升，在电场作用下，通道内的电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极，形成火花放电，电子和离子在电场作用下高速运动且相互碰撞，阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的轰击，使电极间隙内形成瞬时高温热源，通道中心温度可达10 000 e以上，导致局部金属材料熔化和汽化。因此，往复走丝线切割机床对于高熔点、过硬、一般机床难于加工的金属材料都可进行加工。

实践证明：电火花线切割加工只有在液体介质中进行才最稳定，且工作液的性质对加工工艺指标（如切割速率、切割表面粗糙度和切割精度）具有很大影响。首先，电火花线切割在加工过程中产生的瞬时局部高温极易造成电极丝损伤，不仅影响加工质量，还会导致电极丝使用寿命变短，故需一种冷却性能较好的液体，达到电极丝快速冷却的目的。其次，由于加工切缝窄（单边放电间隙约0.01 mm），而通常使用的电极丝直径为0.12～0.18 mm，切缝宽度都在0.2 mm以内，所以放电加工的电蚀产物很难排出，因此在加工时需要一种液体注入加工间隙，达到洗涤的目的，以带走粘附在工件、机床上和悬浮在切缝中的切屑，尽量避免因切屑堆积造成电极丝和工件间短路现象的发生，从而使放电加工能稳定进行。此外，由于电火花线切割加工的特殊性，要求工作液具有较好的绝缘性，以便实现电击穿和进行后续的放电加工；对工件表面、机床台面、电极丝等的防锈和工作液本身的防腐变质也有较高要求。综上所述，电火花线切割工作液在加工过程中主要起到冷却、绝缘、清洗、防锈等作用。

我国线切割工作液的发展历史已有50余年，随着线切割机床加工性能的提高、功能设计及技术进步的演变，为适应不同时期的需求，经过几代技术人员的努力研发，线切割工作液从早期单一油剂型产品发展到如今的三大类产品，即油剂型、水基型及（复合型）水油混合型。无论是那种类型乳化液的改进和提高，都是针对切割厚度、切割速度、切割表面粗糙度、切割精度做文章，还有就是将延长电极丝和工作液寿命等作为研究目标，且材料大多为Cr12，具有一定的厚度。

然而，往复走丝线切割机床的切割速度和表面粗糙度总是矛盾的，怎样改善这个矛盾也是一直以来线切割加工的研究课题。许多生产厂家和技术人员在研究工作液时也主要围绕这些方面进行研究。但对于低熔点金属材料，特别是有色金属（如黄铜、紫铜和铝合金等低熔点的金属材料）还没有针对性的工作液。这些低熔点的金属材料相对高熔点金属材料更易蚀除，且电极丝极易粘附电蚀产物。随着加工时间的增加，钼丝直径逐渐增大，不仅影响正常加工，还会由于电蚀产物较大而影响冷却效果，加工表面粗糙度也无法满足要求，降低了切割效率及加工质量。特别是切割此类材料的薄件时，表面粗糙度更难达到要求。

20多年来，针对线切割工作液主要围绕电导率、提高加工效率、防止断丝、提高加工厚度、改善工件表面粗糙度、延长电极丝寿命、延长工作液寿命等方面进行研究。近几年，主要针对工作液寿命特征及工作液氧化性、粘度对钛合金加工质量的影响进行研究，鲜见针对用于加工低熔点、铜及铜合金、铝及铝合金材料的线切割工作液的研究。

1986～2014 年间，关于“线切割工作液对加工黄铜性能的影响”的研究甚少，而其他方向的研究较多，如电导率对加工效率的影响。下面举几个典型例子加以说明。

金玉惠等[5]对不同介质的放电特性进行了分析，并通过对不同浓度的乳化液、添加不同物质的乳化液及含有放电产物的脏污乳化液的电导率进行了测量和加工试验，进一步研究了乳化液电导率的变化对加工效果的影响。试验表明，乳化液的电导率大，其导电性强，在同样电参数下的放电间隙大，有利于排屑，但能量损耗相对较大，因此对加工效果有较大影响。乳化液浓度变化对电导率及加工速度等的影响是非线性的，DX-1乳化液的浓度在10%左右为较佳区域。添加有关盐类或弱酸、弱碱，对电导率和加工效果有显著影响。因此，研究乳化液电导率的变化对于表征它的性能是适宜的。乳化液电导率的变化对加工效果的影响是一个新课题，有待进一步研究深化。此外，对不同介质的放电特性进行分析，研究不同浓度、不同添加剂和不同脏污程度的乳化液电导率的变化对加工效果的影响，得出了导电率的大小影响表面粗糙度及加工效率的结论。一般针对Cr材料进行实验，没有对特殊材料加工的记录。

王至尧[6]研究了DX-1、TM-1、TM-2、HT502等乳化液，其切割效率一般都能达到20 mm2/min，唯有502型工作液有电解作用，可大大降低表面粗糙度值，延长工作液寿命；且在刚开始配置DX-1时，加入大量氢氧化钾或氢氧化钠是不妥的，因为这两种碱对皂化液有稳定作用，添加过多会与油类发生反应，破坏油脂，pH值应在7～8.5范围内，如大于9，则易烧断电极丝。研究表明电解作用可大大降低表面粗糙度值、延长工作液寿命，也首次提出工作液中pH值大小及应用范围的问题。所做实验也是针对Cr材料进行的。

刘志东在早期研究中提出，在往复走丝线切割加工中一般多采用乳化液为工作介质，如在乳化液的配制过程中适当增加其电解作用，对综合工艺指标的提高，特别是加工表面粗糙度的改善是十分有益的。文献[7]指出电解线切割工作液的研制过程中，主要考虑两个问题：一是基础油的比例、含量在其他成分不变的情况下，对切割速度的影响很小，但对表面粗糙度、切缝宽度一致性等起着较大作用，所以在保证机床不锈蚀的条件下，可适量减少乳化油中基础油的含量，将油基与水基两类工作液的特长有机地结合起来；二是选择电解添加剂的作用主要在于提高工作液的电导率，增加电解作用以改善表面粗糙度，对于完全乳化的工作液来说，一般随浓度升高，电导率上升，电解作用增大，加工表面粗糙度改善，但浓度较高，切割速度会下降。因此，靠增加工作液浓度来提高电解作用是不合适的，必须投入电解添加剂。工作液电导率的提高一般可通过添加一定量的钠、钾等盐类或某些弱酸、弱碱性物质来实现，如氯化钠、硝酸钠、氯酸钾、硫酸钠等。所用添加剂的种类和数量不同，工艺效果也不同，但存在很多问题，首要问题是强电解质作为添加剂的添加量很难控制，且对机床腐蚀严重。但文献并没说明添加剂的具体数量值，针对的材料也没有说明。

刘志东等在文献[8]中提出，微乳化油是20世纪70年代出现的一种介于乳化油和合成切削液之间的产品，它既有乳化油的润滑性，同时又具有合成切削液冷却效果好、清洗力强的特点。虽然微乳化油在欧美等发达国家已有相当大的应用市场，但将其作为往复走丝电火花线切割机的工作液使用，目前仍未见相关的报道。

刘志东在文献[9]中指出往复走丝电火花线切割工作介质的使用在经历了煤油、切削乳化液等阶段后，人们逐渐认识到了其特殊性，于是研制出了电火花线切割专用乳化油，这显著提高了线切割工艺指标。并通过实验研究了3种典型工作介质对电火花线切割工艺规律的影响，切割表面特征状况见表1。虽然工作介质在不同切割条件下体现的切割效率差异很大，但文献都是将Cr12淬火钢作为实验对象，并未针对特殊材料进行实验。

表1 不同冷却介质切割后的加工表面状况

刘志东[10]还提出，往复走丝电火花线切割专用乳化液经过数十年的应用，人们逐步认识到油基工作介质的使用已严重制约了电火花线切割工艺水平的进一步提高，还带来了一系列问题，由此提出了改用复合工作介质的方法。目前，国内普遍使用的线切割工作介质有乳化矿物油（乳化液）和水基合成液两类。前者由含量70%～90%的工业基础油、乳化剂、防锈剂、爆炸剂、表面活性剂、洗涤剂、润滑剂、光亮剂、防霉剂、消泡剂等组成，占据了近90%的市场；市场上的乳化液还有相当一部分是利用回收废机油生产的，由于回收机油组分的不确定性，故产品质量很难保障。

刘志东在文献[11]中阐述了往复走丝电火花线切割超高厚度切割的基本条件，分析了目前市场上通用的工作液在超高厚度切割方面存在的问题，由此提出可进行超高厚度切割工作液的基本要求，并成功研制出超高厚度切割工作液，加工也体现出与现有工作液不同的加工工艺特性。

李明明等[12]研究了往复走丝电火花线切割加工过程中切割效率、工件表面形貌、蚀除效率、电导率、工作液折光率及pH值的变化规律，并检测了放电加工波形。分析认为，以往采用切割效率来衡量工作液使用性能的方法缺乏科学性，而采用蚀除效率作为复合工作液寿命的表征指标更加科学，且蚀除效率的变化与加工时的放电脉冲利用率有很大关联性，为建立往复走丝线切割复合工作液寿命的评价体系指明了方向。虽然首次提到了pH值，但研究工作液寿命特征的实验材料为45钢，也未提到特殊材料的试切。

早期的研究中，范植坚等[13]阐述了表面活性剂具有乳化、分散、增溶、润湿及起泡等作用，认为这些成分对线切割加工生产效率起主要作用，可提高线切割的切割效率；林长俊[14]研究使用柠檬酸钠作为钙镁离子的有机鳌合剂，降低二价离子对乳化液稳定性的影响，从而延长乳化液的使用寿命，并提出工作液pH值在7～7.5范围，可延长工作液的使用寿命；张之义[15]通过添加两种不同的电解添加剂，提高了乳化液的电导率。其中，A添加剂使切割速率提高了30%以上，B添加剂使切割速率提高了50 %以上，且两种添加剂都使工件表面粗糙度值降低一级，都有延长钼丝使用寿命和提高加工效率的作用；但试验材料也为一般材料。

刘志方[16]详细介绍了线切割加工乳化液中各种成分的作用原理、制备工艺及加工效果。所配置的线切割工作液可提高加工工艺效果，利用柠檬酸钠可调节工作液的电阻率。实验材料为Cr12MOV和硬质合金，并提到一般乳化液的pH值为8～8.5之间，如果不符可用添加剂加以调节；没有提到特殊材料的切割实验。

夏平桑[17]阐述了DX-10工作液具有切割效率高、加工表面质量好、防锈防腐性能好、排屑能力强、工作性能稳定、使用寿命长和经济实惠等优点，并试切了合金结构钢30CrWMov、合金工具钢Cr12和紫铜T2等材料。pH值控值在8左右，也未提到特殊材料的实验。

此外，从文献[18-27]等研究中也不难发现，大多仍是对线切割加工如何提高加工效率、提高加工厚度、延长钼丝寿命及工作液寿命等作为研究目标的。上述研究中研制的线切割工作液，无论是油基型、水基型、复合型（水油型），都是针对延长钼丝寿命、提高加工速度、改善表面粗糙度等进行的，但对于低熔点金属材料，特别是易蚀的金属材料却没有提及，针对铜和铝的特殊材料，即使偶有提到，也没有具体材料的数值及厚度。实验发现，各种线切割工作液的pH值都在不断提高，具有较强的碱性。如：佳润膏状线切割工作液的pH值在10～11之间，成都DX-1工作液的pH值在10.5～11之间，模德40型水液体的pH值在10～12之间，南京特种油厂的DX-1型线切割工作液的pH值在9～10之间；这些比早期王至尧、林长俊、刘志方及夏平桑提出的pH值在7～8.5范围都高。

3 结语

未来，材料是科学技术发展的基础。由于往复走丝线切割机床成本较低，加工范围广，不仅是贵金属，包括工程陶瓷材料和结构陶瓷材料，由于其具有轻质、高强、超硬、耐高温、耐磨、耐腐蚀、化学稳定性好等独特的优良性能，在航天航空、石油化工、仪器仪表等领域的应用广泛。如何针对不同的特殊材料，在线切割工作液中添加不同的添加剂，也许是未来线切割工作液亟需解决的问题。

[1]彭丽，程明，李虹霖.黄铜电火花线切割加工内孔槽的工艺研究[J].电加工与模具，2010（3）：59-62.

[2]王光君，王德志，吴壮志，等.钼粉上化学镀铜工艺研究[J].稀有金属材料与工程，2008（8）：1491-1494.

[3]王晃，方水浪，丁平.钨粉化学镀铜工艺研究[J].材料保护，2004（5）：22-23.

[4]刘仁辉，刘红芳，黄志刚，等.铜及铜合金表面钝化处理研究现状[J].世界有色金属，2010（8）：74-75.

[5]金玉惠，祁云燕，吴栩栩，等.乳化液的电导率对线切割加工的影响[J].电加工，1987（4）：10-14.

[6]王至尧.线切割机床乳化液的初步探讨[J].机械工人冷加工，1990（1）：7-9.

[7]刘志东，袁家斌，郭钟宁.电解线切割工作液在高速走丝线切割加工中的应用[J].电加工，1990（6）：21-24.

[8]刘志东，金庆同.一种新型高速走丝电火花线切割工作液[J].电加工与模具，2004（4）：61-62.

[9]刘志东.高速走丝电火花线切割工作介质性能要求研究[J].航空紧密制造技术，2006（6）：29-32.

[10]刘志东.高速走丝电火花线切割工作介质发展方向研究[J].新技术新工艺，2006（11）：70-73.

[11]刘志东.高速走丝电火花超高厚度切割工作液的研制[J].电加工与模具，2006（4）：125-127.

[12]李明明，刘志东，李凌玲.往复走丝线切割复合工作液寿命表征的研究[J].电加工与模具，2014（2）：14-17.

[13]范植坚，张安洲，陈历喜.表面活性剂与线切割生产率[J].电加工，1991（3）：18-22.

[14]林长俊.线切割电火花线切割乳化液的合成与应用[J].丹东化工，1991（2）：10-12.

[15]张之义.线切割工作液添加剂的试验研究[J].电加工，1993（2）：34-37.

[16]刘志方.电火花线切割工作液的研制[J].电加工，1994（2）：20-23.

[17]夏平桑.新型电火花线切割工作液DX-10的研制[J].机械制造，1996（5）：28-29.

[18]潘湛昌，郭钟宁，王成勇.高速走丝线切割加工中工作液的电解作用[J].电加工与模具，1996（2）：17-19.

[19]张晓燕，魏引焕，任威.快走丝线切割加工中工作液对加工质量的影响[J].模具制造，2004（9）：63-65.

[20]杨鹏，宋昌清.电火花线切割液研究进展[J].机床与液压，2010（11）：143-146.

[21]赵小军.线切割工作液的应用与发展[J].模具制造，2011（3）：71-74.

[22]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.

[23]池海宁.基于快走丝线切割加工的工作液分析[J].浙江化工，2006（3）：7.

[24]张秀玲，马启坤，贾晓明.硼酸酯多功能添加剂合成及线切割工作液制备[J].模具工业，2009（3）：67-70.

[25]林穗贤，于兆勤，郭钟宁，等.电火花线切割加工工作液电解质对伏安特性与丝损的影响[J].电加工与模具，2010（3）：22-24.

[26]张好强，贾晓鸣，王莉娜.电火花线切割工作液对硬质合金模具的腐蚀研究[J].稀有金属与硬质合金，2010（3）：21-24.

[27]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.

第十四届中国国际机床展览会（CIMT 2015）

主办：中国机床工具工业协会

时间：2015年4月20日-25日

地点：北京·中国国际展览中心（新馆）

中国国际制造技术、装备与模具展览会（DMC 2015）

主办：中国模具工业协会

时间：2015年5月25日-28日

地点：上海新国际博览中心

Research Status of the Working Fluid for WEDM

Peng Li，Bai Jinping，Cheng Ming，Lin Yangjun，Jiang Xinhui
（Chengdu Technological University，Chengdu 611730，China）

There are the problems during cutting low melting point and thin materials using the working fluid.This paper has analyzed the research status on the working fluid of WEDM，and put forward problems need to be solved in the process of the researching on the working fluid for WEDM.

high speed wire-electrode cutting；the principle of machining；brass；the working fluid

TG661

A

1009－279X（2014）06－0059-04

2014-08-02

彭丽，女，1964年生，高级实验师。