噴液式往復走絲電火花線切割加工規律的研究

胥 宏 羅垂敏 關文勇 丁義超 張 言

(成都工業學院電加工技術重點實驗室，四川 成都610031)

當前國內的往復走絲線切割機床中主要應用的是常壓供液系統，在加工工件時，工作液會附著在高速運行的電極絲上而被帶入放電間隙。當被加工工件較薄時(小于50 mm)，工作液較強的粘附力足以伴隨電極絲進入放電間隙而起到冷卻、絕緣與消電離的作用，而當工件較厚時(大于60 mm)，附著在電極絲上的工作液就無法充分進入放電間隙從而出現干切現象［1］。加工工件出現黑白相間條紋的現象就是工作液沒有充分進入放電間隙導致的，而當工件厚度加大之后，這種現象更加明顯。HSWEDM 加工工藝指標沒能獲得顯著提高的主要原因是加工中的粘性蝕除產物未能從切縫間隙及時地排出而堵塞放電間隙，使其不能得到充分冷卻，尤其是在加工大厚工件時，會經常出現換向條紋甚至斷絲現象，這些都導致HSWEDM 要以十分保守的放電能量和以電極絲的高速運行進行冷卻來換取長時間不斷絲的連續加工，因此在這種切割條件下很難獲得較高的加工效率。與此同時，高速運行的電極絲不斷的換向沖擊對加工的精度也造成一定的影響。

通過與低速走絲線切割噴液系統的比較，發現可以通過添加輔助高壓噴液系統，即在工作液隨絲帶入的極間供液方式的基礎上，輔以高壓強迫沖液的方式，以提高工作液的極間進入量和極間平均流動速度，從而有效彌補工作液的損失［2］。本文在高壓噴液切割加工方面做了部分試驗研究，并取得了一定的效果。

1 高壓噴液試驗方案的制定

本試驗中選用被廣泛應用的冷作模具鋼Cr12 鋼。Cr12 的硬度和強度比較高且淬火變形小，因此常被用來制作模具，也正是因為其硬度較高，所以用傳統的切割工藝很難加工，且淬火易開裂，而電火花線切割很好地解決了這些問題［3］。所以本試驗選用Cr12 鋼作為被加工材料，具有較高的實用意義和代表性。試驗在某公司生產的DK7732 電火花線切割機床上進行，用直徑為Φ0.18 mm 的鉬絲作為工具電極，在相同的電參數(脈寬:64 μs，占空比1:3，功放管數6 個)條件下，分別選擇在0. 1MPa，0. 2MPa，0. 3MPa，0. 4MPa，0.5MPa，0.6MPa，0.7MPa，0.8MPa，0.9MPa，1.0MPa 噴液壓力下切割厚度為50 mm，100 mm，200 mm，300 mm的Cr12 工件，再在改變運絲速度和噴嘴距工件距離的條件下記錄加工用時和切割面積，計算其加工效率，并測量表面粗糙度值，以此作為評定加工質量和加工效率的指標，從而研究在不同的工件厚度、走絲速度和噴液壓力下加工的工藝規律。

本實驗共涉及4 個參變量的控制，分別為噴液壓力、工件厚度、走絲速度和噴嘴距工件距離，分別有10個、4 個、5 個和2 個變量，理論上共需進行400 次實驗才能得到相應結論，這是相當大的工作量。這在理論上看似合理，但在實際加工中完全沒有必要，因為在加工中大部分實驗參數的變化是在反復驗證同一條結論。例如，在電參數、噴液壓力、工件厚度不變的情況下，只需驗證噴液壓力在0.1 MPa 或0.3 MPa 條件下，噴嘴距工件距離為1 mm 和5 mm 兩種情況下切割效率的對比，即可確定噴嘴距工件距離對加工質量的影響規律，而沒必要再去驗證在其他噴液壓力下的切割規律。如果再結合前幾次加工實驗得出的結論和線切割加工的一般規律，實驗的次數可以大大縮減。

表1 噴距對比加工參數表

從表1 中4 組數據的對比中發現，噴嘴離工件距離越近加工的質量就越好，這在理論上也是成立的，當噴嘴距工件的距離越近時，噴液壓力的損失就越少，進入放電間隙的距離就越深，大大改善切割環境，自然能更好地提高加工效率和改善表面粗糙度，圖1 為高壓噴液加工示意圖。

2 高壓噴液條件下加工工藝的規律

為了更加直觀地觀察不同參數的選取對加工的影響規律，將試驗數據有選擇地進行圖表化，先將相同加工電參數、運絲速度(10 m/s)下，不同工件厚度和噴液壓力條件時的數據進行圖表化，如圖3、圖4 所示。

從圖2 和圖3 中可以看出:①在相同加工電參數的條件下，切割效率和加工表面粗糙度值都會隨著工件厚度的增加而降低，這可反映出采用高壓噴液方式確實能起到提高切割效率和減小表面粗糙度值的大趨勢;②在加工不同厚度工件時的切割效率開始都會隨著噴液壓力的增加而大幅提高，但當噴液壓力增大到一定程度再繼續增加時，加工切割的效率反而會逐漸下降，表面粗糙度值則相反，開始時都會隨著噴液壓力的增加而較快減小，而當噴液壓力增大到一定程度再繼續增加時，反而又逐漸增大;③工件的厚度不同，在達到最大切割效率時噴液壓力也有所差別，在加工50 mm 厚的工件切割效率達到最大值時的噴液壓力為0.3 MPa，加工100 mm、200 mm、300 mm 厚的工件切割效率達到最大值時的噴液壓力分別為0.4 MPa、0.5 MPa和0.6 MPa，所需的噴液壓力稍微有所上升，這反映出工作液進入不同厚度工件的難易程度有所不同，工件厚度增加，噴液壓力也有相應的小幅提高;④在加工不同厚度工件時，對切割效率的提升程度有所不同，對50 mm、100 mm、200 mm、300 mm 厚工件的提升幅度分別為17.7%、18.3%、19.2%、19.7%，可見噴液式冷卻方式對大厚工件切割效率的提升作用更加明顯;⑤在加工表面粗糙度方面，增大噴液壓力對較薄工件的提升效果更加明顯，原因是加工工件厚度的增加有效抑制了電極絲振動的幅度，提高了加工的穩定性。除此之外，以往在加工工件厚度超過60 mm后，在較高能量切割下，經常會出現黑白相間的換向條紋，但在高壓強噴射下，切割表面粗糙度較好，往復切割中的加工條紋也消失不見，可見工作液能較充分地進入到放電間隙，從而起到良好的絕緣和冷卻作用。

對圖2 和圖3 的分析發現，工作液采用高壓噴射方式確實能顯著提高電火花線切割機床的加工效率，其主要作用機理是改善了放電區域內極間的工作環境，工作液能較充分地進入放電間隙，從而起到壓縮放電通道和消電離的作用;而出現切割效率先升后降和表面粗糙度值先降后升的現象主要是因為當噴液壓力過大之后，工作液泡沫化現象嚴重，使工作液進入放電間隙的體積下降，再加上高壓強的工作液對電極絲的擾動，使得加工反而變得不太穩定，從而出現如圖2 所示先升后降的現象。

再將相同加工電參數、工件厚度(100 mm)，不同運絲速度和噴液壓力條件下的數據進行圖表化，如圖4、圖5 所示。

從圖4 和圖5 中可以看出:①剛開始時，不同走絲速度的電極絲切割效率都會隨著噴液壓力的增加而升高，達到一定值后再增加壓強，效率反而下降，表面粗糙度值則有相反的規律，會隨著噴液壓力的不斷增加而先減小后增大;②從圖4 中可以看出，相同噴液壓力對不同走絲速度的影響效果不同，噴液壓力的增加對低速走絲切割效率的提升更加明顯，對高速走絲作用的效果則沒有那么明顯;③不同走絲速度的切割效率在0.7 MPa 噴液壓力下較為接近，而后又快速下降，且走絲速度越慢下降得越快;④不同走絲速度的表面粗糙度值對噴液壓力增加所表現出的敏感度不同，噴液壓力從0.1 MPa 到0.4 MPa 變化時，走絲速度越快則表面粗糙度值變化率越快，對但噴液壓力從0.6 MPa到1.0 MPa 變化時，走絲速度越慢，表面粗糙度值變化率越快，即對噴液壓力的改變越敏感。

分析上面的現象可以得知其中的主要原因是:在切割工件時，快速運行的電極絲對工作液具有較強的粘附力，且速度越快粘附力越大，工作液進入工件的距離也越深，但絲速不可能無限制增加，當加工工件較厚時，靠電極絲粘附力提供的工作液已經不能滿足極間放電加工的需要，而高壓噴液正好彌補了放電間隙工作液不足的問題，大大提高了加工的效率;當噴液壓力增加到一定程度，運絲速度的快慢已經不再是影響切割效率提升的主要因素，從而出現如圖4 中壓力在0.7 MPa時各走絲速度的切割效率相差不是很多的現象;隨著噴液壓力的不斷增加，在加工過程中，工作液開始大量泡沫化，進入放電加工區域工作液的量開始下降，切割效率隨之下降，表面粗糙度值隨之增大，工作液的不足對低速走絲的影響作用較大，因為高速運行的電極絲可以依靠較強的粘附力帶進更多的工作液，這也是壓力超過0.7 MPa 后，低速走絲切割效率和表面粗糙度值變化率較快的原因所在。

既然采用高壓供液能很好地解決極間工作液不足的問題，那么就可以繼續加大放電能量來提升切割的效率，圖6 為走絲速度10 m/s，在只改變電參數中功放管個數和不同噴液壓力條件下切割100 mm 厚工件的加工情況。

從圖6 中可以看出，隨著功放管個數的增加，即峰值電流和放電能量的增加，切割效率均得到提高;但增大噴液壓力后，切割的效率比常壓供液有較大提升，在常壓供液的情況下，切割效率增幅隨功放管個數增加衰減得比較快，而提高供液壓力能有效減緩這一過程，從而為大能量高效切割開辟道路。

綜上分析不難發現，通過采用提高工作液噴射壓力的方法，確實能提升電火花線切割機床的加工效率和表面加工質量，尤其是當被加工工件較厚時，它對切割效率的提升作用更加突出，利用這一特點可以很好地解決在大厚工件加工時因供液不足所導致的干切和換向條紋的產生。此外，通過降低走絲速度和采用適當的噴液壓力，可以在切割效率沒有明顯下降的情況下，大幅提升線切割加工的表面質量。針對高壓噴液的這一特點，可以將其應用在“中走絲”線切割加工中，不僅能提升第1、第2 次粗加工階段的效率，而且對第3 次精加工效率和表面加工質量的提升作用更為突出。為解決大厚工件加工、高精密加工和“中走絲”粗糙度與效率之間的矛盾等問題提出了一種較好的解決方案。

3 結語

主要介紹了高壓噴液試驗方案的制定過程，并且對不同厚度、不同運絲速度以及不同放電能量下，噴液壓力的改變對切割效率和表面加工質量的影響進行了研究，得出了如下的結論:(1)提高噴液壓力確實能提高切割效率和改善表面加工質量，解決了加工效率與粗糙度之間的矛盾;(2)采用高壓噴液冷卻方式，對不同厚度工件的加工性能均有較大提升，且工件較厚切割效率的提升更明顯，為大厚工件的加工提供新的途徑;(3)在不同走絲速度切割條件下，增加噴液壓力，對切割效率都有提升，但對較低速度運行的電極絲性能的提升更加明顯，為“中走絲”的改進提供了解決方案;(4)增加供液壓力，可以有效減緩切割效率增幅隨放電能量增加的衰減速度，從而為大能量高效切割奠定良好的基礎。

［1］齊景星，蔡長韜，毛智星.基于Ansys 和LMS TEST 的線切割機床動態特性分析［J］.制造業自動化，2014，36(2).

［2］王振興.高低雙速走絲電火花線切割工藝研究［D］，南京:南京航空航天大學.2010.

［3］王玉玲.模具零件線切割加工中的開裂原因分析［J］. 機械管理開發，2010，25(2).