SiC納米介質電火花線切割高速低損加工研究*

馬秀麗 滕凱 孫濤 張磊

（①徐州機電技師學院，江蘇 徐州 221131；②徐州工程學院，江蘇 徐州 221018）

高速走絲電火花線切割作為一種非接觸式的電火花特種加工技術，被廣泛應用于工程機械、裝備制造和航空航天等領域。為了進一步提高線切割加工的切割速度和表面質量，相繼進行了氣體、水霧和混粉工作液等不同介質的脈沖火花放電試驗與研究。王彤等[1?4]分別在工作液、氣體與水霧等介質中進行了電火花放電對比研究。研究發現，氣體、水霧介質較工作液介質中的加工表面粗糙度、尺寸精度和形位公差均有所提高，但也存在電火花放電間隙小，排屑困難，加工不穩定的情況。張威等[5]在常規介質中添加了質量濃度為10 g/L 的TiC粉末，研究發現，混粉介質較常規介質電火花加工表面更加平整，裂紋減少，表面質量和表面硬度均得到提高。白雪等[6]發現當混粉介質被擊穿時，均勻分布在電場中的SiC顆粒，迅速串聯、擴展，在兩極之間形成多條放電通道，能夠增大放電間隙，減小短路率，提高加工穩定性。

目前，混粉電火花加工研究主要集中在電火花成型加工領域，針對電火花線切割的研究較少。尤其在高速走絲電火花線切割加工研究方面，未見有基于納米級混粉工作液介質的線切割高速低損加工研究。為此，采用SiC納米混粉工作液作為介質進行電火花線切割試驗研究。利用SiC納米微粒，降低極間絕緣性，增大放電間隙，拓展放電通道，分散放電點，以此提高電火花線切割加工的切割速度和表面質量，并降低電極絲損耗。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗裝置

線切割雙介質供液系統集成了常規和納米介質兩個供液系統。如圖1b所示，常規介質供液系統的水基工作液由噴液板12的常規供液入口6進入，通過噴嘴器11的通液孔7流入噴嘴螺母8與噴嘴器11之間的儲液腔，最后從兩者之間的縫隙（常規供液出口10）噴出。常規供液系統的供液量大，噴液壓力低，對電極絲3的擾動較小。納米介質供液系統的混粉工作液由供液導管2的混粉供液入口1進入，通過導絲器5與噴嘴器11相連通的儲液腔，從噴嘴器11的混粉供液出口9噴出。納米介質供液系統的噴液壓力較高，工作液直接徑向作用于電極絲3上，導致電極絲振動加劇。為此，該系統設計了導模4來降低電極絲的振動。

圖1 線切割雙介質供液系統

1.2 試驗條件

試驗所用機床為DK7763D高速走絲電火花線切割機床；電極絲為鉬絲，直徑0.18 mm；試驗件材料為Cr12MoV模具鋼，板材厚度20 mm。常規介質為BM-01水基工作液，與水的配比為1∶10。納米介質為在常規介質中加入SiC納米微粉，制備成混粉懸浮工作液；SiC粒徑50 nm，密度3.2 g/cm3，比表面積60 m2/g，濃度0.1～0.9 g/L；抗沉降穩定劑為蒙脫土K10（Bentonite clay K-10），濃度0.3～0.5 g/L；分散劑為羧甲基纖維素鈉(CMC)，濃度0.5～0.7 g/L。線切割具體加工工藝參數見表1。

表1 線切割工藝參數

2 試驗結果與討論

2.1 工作介質對電火花線切割加工的影響

由圖2可知，在其他加工條件不變的情況下，隨著混粉濃度的升高，電火花線切割加工的切割速度逐步提高，表面粗糙度逐步降低。當混粉濃度為0.3 g/L時，切割速度達到最大值120 mm2/min，較常規工作液提高了22.16%；表面粗糙度降低到最小值8.07 μm，較常規工作液降低了15.05%。隨著混粉濃度的繼續增高，切割速度先明顯降低，后又趨于緩和；表面粗糙度則變化較小，僅略有增大。分析認為，放電間隙中充滿的SiC納米微粒，將放電介質中的單一放電通道擴展為多個火花通道，使得到達電極的脈沖能量在空間上被分割，電極表面放電點增多[7]。同時，隨著半導體微粒的加入，極間隔離減小，電場強度增大，當相鄰兩微粒之間的電場強度達到臨界電場強度時，迅速在兩極間擴展、串聯，形成放電時間更短，蝕除面更分散的放電通道，有利于放電間隙的增大和放電穩定性的提高[7?10]。但當混粉濃度過高時，放電加工短路率增高，電弧放電增多，導致切割速度、表面加工質量有所降低。

圖2 混粉濃度對切割加工的影響

圖3a為常規介質電火花極間放電示意圖。由圖可知，電極絲與工件之間充滿均勻的液體工作介質，當兩極之間施以電壓，便產生了均勻電場。隨著電極絲的進給運動，極間間隙變小，電場強度逐步加強，此時正、負帶電粒子在電場力作用下雪崩式碰撞電離，致使介質中的電流迅速增大，從而擊穿液體介質，瞬間形成仿垂體狀的等離子放電通道。

圖3b為納米介質電火花極間放電示意圖。與常規介質不同，納米介質中混有分散相SiC微粒，微粒在電場中被極化而產生的電場與外電場疊加，使得極間均勻電場畸變。在介質擊穿過程中，通道擴張壓力遠大于自生磁場的約束力和運動阻力，等離子體沿徑向向外運動，使放電通道迅速擴張[7]。由于電子質量比正離子質量小、加速度大，放電通道在陽極拓展明顯大于與陰極，整個放電通道成喇叭口狀。又由于放電間隙的增大，致使單位面積上的放電能量大大減弱，提高了工件表面加工質量。

圖3 電火花極間放電示意圖

如圖4a所示，在小脈沖間隔，大峰值電流切割條件下，常規工作液單個脈沖放電形成的放電凹坑大，加工表面重鑄凸臺高，存在明顯的蝕除材料冷卻再黏連情況[9?11]，容易造成拉弧放電、短路等情況，降低了切割速度和加工表面質量。由圖4b可見，混粉工作液較常規工作液的加工表面要平整的多，單個脈沖放電被SiC納米微粒分散，形成若干個均勻的小放電凹坑，重鑄層也較薄，基本不存在明顯的凸臺，表面加工質量大大提升。另外，加工表面的冷縮微孔洞多且均勻，表明極間冷卻效果好，放電較充分，有利于切割速度的提升。

圖4 不同工作介質的蝕除微觀表面

研究發現，線切割極間放電通道形成后，便以差動方式進行移動（見圖3）。蝕除面的長度約為走絲速度與脈沖寬度乘積的一半。通過對比兩種介質的電蝕表面發現，納米介質較常規介質的蝕除面長度明顯加大，這表明納米介質的放電通道的拓展更快、更大。

2.2 工作介質對電極絲損耗的影響

圖5為納米介質與常規介質電極絲初始火花放電電蝕表面微觀圖。由圖中可以看出，納米介質放電痕輪廓清晰，蝕除面平整，沒有明顯的灼傷。常規介質放電痕輪廓較模糊，蝕除面不平整，電蝕表面有灼傷，存在明顯的蝕除材料冷卻再黏連情況。

圖5 不同介質電極絲初始電蝕表面

分析認為，放電間隙的增大，極間放電條件的改善，放電通道的擴大可有效降低電極絲的損耗。在電火花放電絕緣間隙不變的條件下，導電微粉的混入，無疑增大了極間的實際放電間隙，降低了瞬間放電合力對電極絲的轟擊力。SiC納米微粒削弱了電蝕產物對脈沖放電的引發作用，使得放電分布于整個加工表面，單位面積上瞬間放電合力小，放電通道擴展快，蝕除表面較平整[12]。此外，納米微粒比表面積大、吸附性強，有利于增加電極絲拖拽能力，增強極間的導熱能力，改善極間的放電條件，有效降低了電極絲的損耗。試驗研究發現，在Cr12MoV模具鋼105mm2（切割截面積）的切割量下，納米介質的電極絲損耗為1.21 μm（直徑減小），較常規介質降低21.87%。

3 結語

（1）在脈沖寬度45 μs，脈沖間隔200 μs，峰值電流25 A，混粉濃度0.3 g/L的加工條件下，SiC納米介質較常規介質的切割速度提高22.16%，表面粗糙度降低15.05%，電極絲損耗降低21.87%。

（2）SiC納米微粒使極間的電場畸變，在電場力作用下，將單個脈沖放電通道拓展為多個，放電點分散，改善了加工表面質量，降低了電極絲損耗。

（3）SiC納米微粒降低了工作介質的電阻率，使工作介質的絕緣強度降低，極間的擊穿間隙增大，有利于工件切割速度的提高。