聚晶金剛石復合片電火花線切割加工電極絲損耗研究

滕 凱 孫 濤,2 趙恩蘭 何 敏

1.徐州工程學院，徐州,221018 2.南京航空航天大學，南京,210016

聚晶金剛石復合片電火花線切割加工電極絲損耗研究

滕 凱1孫 濤1,2趙恩蘭1何 敏1

1.徐州工程學院，徐州,221018 2.南京航空航天大學，南京,210016

采用電火花線切割方法對聚晶金剛石復合片(PDC)進行了線切割加工實驗，利用帶能譜分析的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了電極絲表面的顯微形貌。從微觀角度研究了PDC超硬材料電火花線切割加工的電極絲損耗機理，探討了電參數和沖液條件等因素對電極絲損耗的影響。實驗研究發現，采用貼附式高壓噴液方式在高電壓、小脈寬、大峰值電流的加工條件下，PDC切割效率為 19.35 mm2/min，電極絲損耗為1.5～2 μm(104mm2切割量)，較常壓噴液方式切割效率提高51.6%，絲損降低15.2%。

聚晶金剛石復合片；電火花線切割；電極絲損耗；差動放電；間隙流場

0 引言

聚晶金剛石復合片(polycrystalline diamond compact，PDC)屬于新型功能材料，采用金剛石微粉與硬質合金襯底在超高壓、超高溫條件下燒結而成。它既具有金剛石的高硬度、高耐磨性與導熱性，又具有硬質合金的強度與抗沖擊韌性，已成為制造切削刀具、鉆井鉆頭及其他耐磨工具的理想材料[1]。PDC是一種超硬難加工材料，普通機械加工方式難以切割，而電火花線切割作為一種非接觸式、無顯著機械切削力的特種加工方法，已成為PDC切割的主要加工方式之一。在放電腐蝕過程中，高度集中的脈沖放電能量使聚晶金剛石晶粒表面的金剛石石墨化，形成了導電性良好的混合物導電層，為下一周期的放電加工提供了更優良的放電加工條件。

由于PDC中所含聚晶金剛石單晶顆粒不導電，造成WEDM 加工較難，極易斷絲[2]。國內外學者對此進行了較多的研究，陳姿伶[3]研究了PDC電火花線切割加工的整體性能與工藝參數之間的關系；張高峰等[4]、吳煜等[5]對PDC加工進行了切割機理研究；Suzuki等[6]在聚晶金剛石中加入硼以提高其導電性，獲得了較好的加工效果。現有文獻中針對PDC高效、高質量切割的研究較多，尚未見工作電極(電極絲)損耗形式和機理研究的報道。因此，研究PDC電火花加工中電極絲的放電和腐蝕機理，探討其絲損的影響因素，對提高PDC切割效率，降低電極絲損耗，延長使用壽命具有重要研究意義。

1 實驗條件與方法

實驗設備為蘇州寶瑪數控有限公司生產的DK7763D型中走絲線切割機；工作液為BM-4水基工作液(濃縮型)，按體積比為1∶20與水配制；電極絲為φ0.18 mm鉬絲；工作液加注方式為澆注式。線切割具體加工工藝參數見表1。

表1 線切割工藝參數

實驗材料為黃河旋風有限公司生產的聚晶金剛石復合片，型號為HHPD025B(線切割專用)，直徑為48 mm，總厚度為2 mm，聚晶層厚度為0.5 mm，金剛石微粉平均粒徑為25 μm。

運用DK7763D型電火花線切割機床進行PDC切割加工，獲得電極絲不同階段的電腐蝕試樣若干。分別對試樣進行超聲波清洗10 min，再用流動的自來水沖洗干凈，最后風干。采用帶能譜分析的INSPECT S50型掃描電子顯微鏡觀察電極絲試樣表面的顯微形貌，并進行材料的成分分析，進而探討電極絲的損耗機理，尋求絲損的主要影響因素。

2 實驗結果與討論

2.1 電極絲放電損耗機理

PDC中聚晶金剛石層的電火花加工是以金屬Co作為初始放電點，通過等離子體壓縮通道的高溫使切割表層聚晶金剛石石墨化，形成連續火花放電的導電層，促使放電加工趨于穩定和高效。

在電火花線切割加工中引起電極絲損耗的原因眾多，從放電能量上考慮，電極絲單次放電的能量公式為

(1)

由此可知，影響電極絲放電能量的參數主要有脈寬t、加工電壓u和峰值電流i。故在PDC高效切割中，重點研究高電壓、大峰值電流條件下，脈寬對電極絲損耗的影響[7]。

如圖1所示，脈沖寬度為12 μs時，電極絲放電蝕除面半徑Rd為20～30 μm，深度Dh約為3 μm，蝕除面比較平整。分析認為，聚晶金剛石復合片不同于其他切割材料，是由金剛石單晶、WC和少量的黏結劑Co組成，金剛石單晶的熔點高，熱導率大(表2)，使加工中處于熔融態的材料非常少，放電產生的熱量散出快，導致電極絲放電蝕除面半徑比較大、深度比較淺[8]。

如圖2所示，脈沖寬度為48 μs時，電極絲放電蝕除面半徑Rd為120 μm左右，蝕除面積較大，且極不平整，有許多金屬熔滴。這是由于放電時間較長，熱傳導損失較多，沒有足夠的爆炸力將熔融態的材料去除，極間來不及消電離，出現二次放電現象，致使電極絲放電蝕除面凸凹不平，進而加劇了電極絲的損耗。

圖1 脈寬12 μs時電極絲電蝕圖片圖2 脈寬48 μs時電極絲電蝕圖片

表2 金剛石單晶、WC與Co的熱物理性能參數[8]

通過實驗發現，在其他參數不變的情況下，脈沖寬度對切割效率和電極絲損耗的影響如圖3所示。由圖3可知，當脈沖寬度小于4 μs時，由于PDC沒有足夠的時間吸收足以使其局部融化的熱量，使得放電變得不穩定，切割效率降低，絲損加劇；當脈寬由4 μs逐漸增大時，PDC切割效率明顯提高，電極絲損耗小幅度增加；當脈寬達到12 μs時，PDC切割效率達到最大值5.7 mm2/min，電極絲損耗為1.4 μm(切割3000 mm2)；當脈寬大于12 μs時，PDC切割效率不再提高，但電極絲損耗卻逐步加劇；當脈寬達到48 μs后，切割效率大幅度降低，絲損變小。分析認為，這是由于放電能量大，脈間相對較小，產生的熱量不能及時傳出，導致電極絲表面局部過熱，使得能夠吸收部分正離子轟擊能量的液體保護膜高溫分解，大量的工作介質碳化、結塊并黏附在電極絲表面，引起電極絲表面脆化，絲徑不均勻變細，導致測量數據不能反映絲損實際情況。

圖3 脈寬對切割效率和絲損的影響

2.2 電極絲差動放電損耗機理

電火花放電過程中，由于電極絲的高速運動，放電通道并不是始終在開始擊穿的位置附近做高頻振動，而是在電場力、磁場力和流體動力等一系列力的作用下，滯后于電極絲的運動，以一定的差動規律移動，從而形成差動放電。

從電極絲(新絲)初始放電腐蝕圖(圖4a)中，可以看出放電蝕除面為一端較尖、一端較圓的橢圓形蝕除面。當電極絲在脈寬為40 μs的單個放電周期內，以10 m/s走絲速度高速運動時，電極絲的移動距離為400 μm，而此時的放電蝕除面長度Ld不足200 μm；當電極絲除去氧化層進入正常放電加工階段后，放電蝕除面長度Ld略有加長，達到200 μm左右(圖4b)，約為走絲速度與脈寬乘積的1/2[9]。這表明放電通道自形成之后便以差動的方式移動，并由初始的點狀放電轉化為線狀放電，放電蝕除面被明顯拉長且深度變淺，這是由于放電產生的熱能逐漸加大并趨于穩定造成的[7，9]。

(a)初始放電腐蝕圖片(b)正常放電腐蝕圖片圖4 電極絲放電腐蝕圖片

在放電蝕除面周邊有濺射的熔瘤，末端的尾瘤最為明顯，如圖4所示。分析認為，這是瞬間放電力將熔融的合金材料拋離電極絲表面所遺留下來的熔瘤。放電產生的瞬間放電力非常復雜，主要由電磁力、爆炸沖擊力、氣泡壓力等組成[7]。日本學者藤木良三通過試驗得出，作用在單位長度電極絲上的瞬間放電力可以表示為[10-13]

(2)

由式(2)可知，瞬間放電力與放電能量成正比關系，隨著脈寬和峰值電流的增大，瞬間放電力也會大幅度增加。瞬間放電力在放電過程中會產生很大的沖擊波，將熔融狀態的線電極合金材料拋離電極絲表面(拋離速度可達100～200 m/s)，成為電極絲電腐蝕損耗的主要因素。放電結束后，極間迅速冷卻，熔融狀態的金屬會在慣性力的作用下濺射到電極絲表面，形成熔瘤或尾瘤，造成電極絲表面凸凹不平，極易引起二次放電，導致加工不穩定，嚴重影響加工質量。

差動放電對電極絲損耗的影響較大，可通過調整脈沖電壓幅值、減小脈寬、增大脈沖電流峰值，減少工作液的離子量，使間隙狀態由動態趨于穩態，放電能量可控并聚焦于PDC切割面，實現快速放電切割，電極絲的損耗可降低1 μm左右(切割104mm2)[8]。

2.3 工作介質因素的影響

PDC電火花加工中的聚晶層放電間隙約為8 μm，導致間隙流場的面積與體積比極大，產生了電極絲流場的表面效應，工作液黏附在電極絲表面上。通過電極絲壁面的拖曳作用，帶動工作液在間隙中流動，促進電蝕產物的排出和工作液的更新[14]。電火花放電間隙流場示意圖見圖5。

圖5 電火花放電極間流場示意圖[14]

圖5中，v0為電極絲走絲速度，H為加工間隙，u(v0,y) 為極間各點的流速[14]。

加工過程中，陽極金屬溶解，陰極表面生成氣體，因此工件加工表面附近的溶液中金屬溶解產物含量較高，電極絲表面的溶液中氣體含量較高[14-15]。

研究發現，在高溫條件下，聚晶層中的金屬觸媒Co促使聚晶金剛石中的金剛石石墨化和氧化，并產生CO2和CO氣體[16]，在陰極表面形成絕緣的氣泡橋或是空穴，使電極絲失去工作介質液體保護膜的保護，而造成電蝕損傷。此外，在金剛石石墨化和陰極氣泡聚集兩者共同的作用下，電極絲壁面對工作液的拖曳作用變小，無法及時有效地排出電解粒子和氣泡等電蝕產物，容易引起電極絲二次放電，加劇電極絲損耗[14]。

為解決工作液的極間進入量不足，電蝕產物排出困難的問題，在線切割上下支架上加裝了貼附式高壓同軸噴液系統(圖6)，高壓噴液對切割效率和絲損的影響如圖7所示。

(a)噴液裝置 (b)噴嘴圖6 貼附式高壓噴液裝置

圖7 高壓噴液對切割效率和絲損的影響

在脈寬為12 μs、脈間為60 μs、峰值電流為30 A的加工條件下，當噴液壓力為0.2 MPa時，切割速度為19.35 mm2/min，電極絲損耗為1.5～2 μm(104mm2切割量)，較常壓噴液方式切割效率提高了51.6%，絲損降低了15.2%。噴射壓力小于0.2 MPa時，切割效率逐漸降低，電極絲損耗逐漸增大。噴射壓力大于0.2 MPa時，切割效率變化不大，電極絲損耗略有增加。分析認為，PDC電火花切割加工極間工作液進入量與工作液的流速和噴液的初始壓力有關。在其他切割工藝參數不變的條件下，采用貼附式高壓噴液方式，使噴嘴貼附在PDC表面(沒有噴液間隙)，大大減少了壓力損失和工作液的濺射，消除了工作液的泡沫化，增加了極間工作液的進入量和流量，改善了極間加工條件。

2.4 電蝕粒子密度因素的影響

在研究PDC多次切割加工時，發現電蝕粒子密度對電極絲的絲損有重要影響。

線電極壁面與電蝕粒子-工作液兩相流的摩擦阻力系數為[10]

(3)

j=2,3，…

式中，CV為電蝕粒子容積濃度；Δ為放電間隙；μf為電介質工作液的黏度；r為電極絲半徑；s為單邊進給量；j為切割次數；U為工作液平均流速；ρe為電蝕粒子密度；ρ為工作液密度。

在加工過程中，由于電蝕粒子不能及時被工作液帶出，經過反復高頻脈沖放電，會導致工作液中的電蝕粒子的密度逐漸升高，電蝕粒子和工作液兩相流體的黏度也會增大[17]，這必然會影響加工穩定性，增加電極絲損耗。

從圖8可以看出，電蝕粒子密度ρe=11.34×103kg/m3時，多次切割呈現摩擦阻力系數Cf隨著電蝕粒子容積濃度CV增大而先減小后增大，當CV達到門檻值0.225左右時，摩擦阻力系數Cf最小。此時，放電腐蝕粒子數量較少，既能避免二次放電，又能降低電極絲損耗[10]。

圖8 電蝕粒子容積濃度與兩相流摩擦阻力系數關系[10]

2.5 電極絲鍍覆因素的影響

圖9為電極絲表層能譜圖，通過掃描電鏡的能譜分析發現，在電極絲表層覆著一層由C、Co、W等元素組成的鍍覆層，厚度為1～2 μm。通過試驗發現，鍍覆層較平整、牢固(圖4)，表明由放電爆炸力產生的相互濺射不是鍍覆層形成的主要方式。分析認為，在電化學反應中陽極金屬發生溶解，溶液中的金屬離子通過擴散和電遷移到陰極金屬表面，并沉積在電極絲表面，形成均勻、致密、結合力良好的電鍍層，該方式成為鍍覆層形成的主要方式[18]。由電極絲能譜分析可以看出，形成的鍍覆層非鉬元素含量較高(質量分數達40%左右，原子數達80%左右)，表明電極絲陰極沉積較明顯，可有效補償鉬絲的損耗，延長其使用壽命。

圖9 電極絲表層的能譜

3 結論

(1)金剛石單晶熔點(3550 ℃)高，熱導率(13.8 W/(cm·K))大，致使放電加工中處于熔融態的材料少，產生的熱量散出快，在差動放電條件下，電極絲蝕除面長度Ld約為走絲速度與脈沖寬度乘積的1/2。

(2)電參數和沖液條件是影響電極絲損耗的主要因素。通過調整脈沖電壓幅值、減小脈寬、增大脈沖電流峰值，減少工作液的離子量，改善了極間放電條件，切割效率可達19.35 mm2/min，電極絲損耗可降為1.5～2 μm(104mm2切割量)。

(3)采用貼附式高壓同軸噴液方式，可有效增加極間的工作液進入量和流速，提高電解粒子和氣泡等電蝕產物的排出，切割效率最高可提高51.6%，絲損最低可降低15.2%。

(4)合理的電蝕粒子容積濃度CV，可有效減少放電產生的電蝕粒子數量，避免二次放電，降低電極絲損耗。

(5)通過電化學反應，電極絲表面形成1～2 μm厚的鍍覆層，有效補償了鉬絲的損耗，延長了使用壽命。

[1] 陳晶晶. 聚晶金剛石復合片(PDC)顯微結構與性能的研究[D]. 武漢:武漢理工大學,2010.

[2] 宋滿倉,張建磊,于超，等. 聚晶金剛石復合片的電火花線切割精密加工試驗[J]. 光學精密工程,2012,20(6): 1303-1309. Song Mancang, Zhang Jianlei,Yu Chao,et al.Experiment of WEDM Precision Machining for Polycrystalline Diamond Compact[J]. Optics and Precision Engineering,2012,20(6): 1303-1309.

[3] 陳姿伶.多晶鉆石之線切割電火花加工研究[D].臺北:臺灣大學,2008.

[4] 張高峰,鄧朝暉.聚晶金剛石復合片的電火花線切割機理與形貌[J]. 中國機械工程,2007,18(6): 671-675. Zhang Gaofeng, Deng Zhaohui. Cutting Mechanism and Surface Appearance of PDC with WEDM[J].China Mechanical Engineering,2007,18(6): 671-675.

[5] 吳煜,張高峰. 聚晶金剛石的Nd:YAG激光切割與電火花線切割損傷分析[J]. 中國機械工程,2010,21(9): 1034-1039. Wu Yu, Zhang Gaofeng. Damage Analysis of PDC Cutted by Nd:YAG Laser and WEDM[J].China Mechanical Engineering, 2010,21(9): 1034-1039.

[6] Suzuki K,Shiraishi Y,Nakajima N,et al.Development of New PCD Made Up of Boron Doped Diamond Particles and Its Machinability by EDM[J].Advanced Materials Research， 2009,76:684-689.

[7] 馬偉. 電火花線切割加工電極絲損耗機理與實驗研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010.

[8] 申曉龍,任成高. 提高數控線切割加工聚晶金剛石刀具材料效率的措施[J]. 湖南工業職業技術學院學報,2010,10(2): 4-6. Shen Xiaolong, Ren Chenggao. Measures to Improve the Processing Efficiency in CNC Wire Cutting Polycrystalline Diamond Materal[J]. Journal of Hunan Industry Polytechnic, 2010,10(2): 4-6.

[9] 楊曉冬,滕慶. 移動熱源作用下電火花線切割加工電極絲三維溫度場模擬[J]. 電加工與模具,2011,7(6): 7-11. Yang Xiaodong, Teng Qing. 3D Temperature Field Simulation of Wire Electrode in WEDM under the Moving Heat Source[J].Electromachining & Mould,2011,7(6): 7-11.

[10] 范圣耀. 高速走絲多次線切割電極絲動態特性及形位穩定技術研究[D]. 無錫:江南大學,2013.

[11] 范圣耀,張秋菊,陳海衛.多次切割電極絲在流體中動態特性研究[J]. 振動與沖擊,2013,32(10): 105-110. Fan Shengyao， Zhang Qiuju, Chen Haiwei. Dynamic Characteristics of Multi-cutting Electrode Wire in Fluids[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013,32(10): 105-110.

[12] 毛聰,孫小麗,盧繼，等. CBN-WC-10Co刀具材料的電火花線切割機理[J].中國機械工程,2015,26(12): 1645-1651. Mao Cong, Sun Xiaoli, Lu Ji, et al. On Cutting Mechanism of CBN-WC-10Co Composite Cutting Tool Material with WEDM[J].China Mechanical Engineering,2015,26(12): 1645-1651.

[13] 于家珊. 電火花加工理論基礎[M].北京:國防工業出版社,2011.

[14] 于洽,朱獲,曾永彬，等. 微幅往復走絲微細電解線切割試驗研究[J]. 航空學報,2012,33(5): 920-927. Yu Qia, Zhu Di， Zeng Yongbin, et al. Wire Electrode Micro-electrochemical Machining with Tool Micro-amplitude Reciprocating Motion[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2012,33(5): 920-927.

[15] 滕凱.跟蹤噴液式高速走絲電火花線切割研究[J].制造技術與機床,2015(12): 107-110. Teng Kai. Study on the Cutting Process of the WEDM-HS with the Tracking of the Spray Liquid[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool,2015(12): 107-110.

[16] 王奔,劉東璽,王明海，等. 聚晶金剛石刀具切削各向同性熱解石墨過程中的磨損機理[J]. 中國機械工程,2015,26(20): 2721-2729.

Wang Ben, Liu Dongxi, Wang Minghai, et al. Wear Mechanism of PCD Tool during Cutting of Isotropic Pyrolytic Graphite[J]. China Mechanical Engineering, 2015,26(20): 2721-2729.

[17] Wang Jin, Han Fuzhu, Cheng Gang, et al. Debris and Bubble Movements during Electrical Discharge Machining [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2012, 58(1):11-18.

[18] 潘湛昌,郭鐘寧,王成勇. 高速走絲電火花線切割加工中工作液的電解作用[J].電加工,1996,12(2): 17-19. Pan Zhanchang, Guo Zhongning, Wang Chengyong. Electrolysis of Working Fluid in High Speed Wire Cutting EDM[J]. Electrom Machining, 1996,12(2): 17-19.

(編輯 王艷麗)

Study on Electrode Wire Wear during WEDM Processes by PDC

Teng Kai1Sun Tao1,2Zhao Enlan1He Min1

1.Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou,Jiangsu，2210182.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing，210016

The authors carried out the wire cutting machining experiments of PDC using WEDM, and observed the surface micro morphology of wire electrode with the SEM which might analyze the energy spectrum. The electrode wire wear mechanism of PDC ultra hard material was studied from the microscopic points of view, and the influences of the electrical parameters and the conditions of the washing liquid on the wire wear were discussed. It is found that the attached type high pressure liquid spraying mode, in the processing conditions of high voltage, small pulse width, high peak current, PDC cutting efficiency is as 19.35 mm2/min,the electrode wire wear is as 1.5～2 μm (for 104mm2cutting volume). The cutting efficiency is increased by 51.6% compared with the normal pressure liquid injection method, and the reduction of the wire wear by 15.2%.

polycrystalline diamond compact(PDC); wire electric discharge machining(WEDM); wire electrode wear; differential discharge; gap flow field

2016-02-01

國家自然科學基金資助項目(51401177)；江蘇省高校自然科學基金資助項目(15KJB460016)

TG661；TQ164

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.24.004

滕 凱，男，1976年生。徐州工程學院機電工程學院高級實驗師。主要研究方向為特種加工。發表論文10余篇。孫 濤，男，1980年生。徐州工程學院機電工程學院副教授，南京航空航天大學機電學院博士研究生。趙恩蘭，女，1983年生。徐州工程學院機電工程學院助理實驗師。何 敏，女，1980年生。徐州工程學院機電工程學院副教授、博士。