碳化硅納米介質(zhì)電火花線切割加工研究

陳 成，滕 凱，孫 濤

（1.無錫科技職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 無錫 214028；2.徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

1 引言

電火花線切割通過電極絲脈沖火花放電蝕除工件材料，達(dá)到工件切割成型的目的。它不同于用機(jī)械力和機(jī)械能來切除工件材料的傳統(tǒng)加工技術(shù)，沒有明顯的切削力，是一種非接觸式的電火花特種加工技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械加工等領(lǐng)域。目前，電極絲脈沖放電普遍在常規(guī)工作液中完成，極間放電方式限制了工件切割速度和表面加工質(zhì)量的進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[1]采用大氣作為工作介質(zhì)進(jìn)行了電火花線切割加工試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，線切割氣中加工較液中加工，加工過程清潔環(huán)保，表面加工質(zhì)量高。但在實(shí)際加工中，由于加工間隙小，排屑不順暢，極易造成短路和加工不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[2-3]在水霧介質(zhì)中進(jìn)行了線切割加工研究，發(fā)現(xiàn)在水霧中加工較大氣中加工切削更鋒利，加工屑附著更少，但在大能量放電加工時(shí)也存在極間放電不穩(wěn)定現(xiàn)象。文獻(xiàn)[4]分別在液體、氣體與水霧介質(zhì)中進(jìn)行了電火花線切割多次加工試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，在液中粗加工，水霧中半精加工，氣中精加工的工件表面粗糙度、直線度均優(yōu)于單一介質(zhì)的多次切割加工效果，但多介質(zhì)多次切割也存在加工方式切換帶來的不便，增加了加工輔助時(shí)間。文獻(xiàn)[5]在常規(guī)工作液中添加了微米級SiC粉末，極間放電時(shí)，分散了放電能量，改善了工件表面加工質(zhì)量。

但由于粉末顆粒較大，導(dǎo)致極間分布不均，極易造成電弧放電，降低了加工穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]采用固、液、氣三相流作為混合介質(zhì)進(jìn)行電火花成型加工，該方式能夠有效改善氣中加工短路率高、加工效率低的問題，但也存在三相流混合介質(zhì)制備難度大，供液不穩(wěn)定等難題。

為此，提出一種采用SiC納米混粉工作液進(jìn)行電火花線切割加工的新工藝、新方法。該方式可有效解決極間電火花放電間隙小、排屑不暢、放電沖擊大、加工不穩(wěn)定等問題，進(jìn)而改善極間加工條件，進(jìn)一步提高工件切割速度和表面加工質(zhì)量。

2 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)所用機(jī)床為蘇州寶瑪數(shù)控有限公司生產(chǎn)的DK7763D高速走絲電火花線切割機(jī)床；常規(guī)工作液為BM-01水基工作液，與水的配比為1:10；電極絲為Φ0.18mm 鉬絲；試驗(yàn)件材料為Cr12MoV模具鋼，板厚20mm。混粉工作液為在常規(guī)工作液中加入SiC納米微粉，制備成混粉懸浮工作液。SiC微粉粒徑50nm，密度3.2g∕cm3，比表面積60m2∕g，濃度（0.1～0.5）g∕L；分散劑為羧甲基纖維素鈉（CMC），濃度0.7g∕L；抗沉降穩(wěn)定劑為蒙脫土K10（Bentonite clay K-10），濃度0.3g∕L。

混粉工作液供液系統(tǒng)，如圖1所示。在供液時(shí)，只需將攪拌均勻的懸浮工作液按配比加入原有供液系統(tǒng)即可，無需增加附屬設(shè)備或?qū)υ泄┮合到y(tǒng)進(jìn)行改造。SiC 納米微粒具有比表面積大、吸附性強(qiáng)、分散均勻等優(yōu)點(diǎn)，可使工作介質(zhì)中的微粒分布均勻，不易沉淀，從而滿足極間電火花放電加工的需求。

圖1 實(shí)驗(yàn)加工現(xiàn)場Fig.1 Experimental Processing Site

基于SiC納米混粉工作液的高速走絲電火花線切割正交試驗(yàn)，選取脈沖寬度（ts），脈沖間隔（ti∕ts），峰值電流（Ip）和混粉濃度（C）等工藝參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)了4因素3水平（L9（34））的正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)水平因素，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)水平表Tab.1 Experimental Level

通過正交實(shí)驗(yàn)獲得Cr12MoV模具鋼的電火花線切割高速切割加工工藝優(yōu)化參數(shù)。在最優(yōu)加工條件下，分別采用混粉工作液與常規(guī)工作液進(jìn)行電火花線切割加工對比試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析混粉濃度、峰值電流、脈沖間隔對電火花線切割加工的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過多渠道獲得，其中切割速度可從線切割軟件操作系統(tǒng)直接實(shí)時(shí)讀取，也可通過定量計(jì)算獲得；加工表面粗糙度Ra可通過TR200 粗糙度儀，如圖2（a）所示。測量獲得；工件微觀表面可通過FEI inspect S50 掃描電子顯微鏡，如圖2（b）所示。掃描拍照獲得。

圖2 實(shí)驗(yàn)測量儀器Fig.2 Experimental Measuring Instrument

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 電火花線切割工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1.1 極差分析

基于SiC納米混粉工作液的電火花線切割加工切割速度極差分析，如表2所示。

表2 極差分析表Tab.2 Range Analysis Table

由極差分析原理可知，工藝參數(shù)對切割速度影響的主次因素依次為：峰值電流＞脈沖間隔＞脈沖寬度＞混粉濃度，提高工件切割速度的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為C3B1A3D2，即峰值電流為25A，脈沖間隔為6 倍，脈沖寬度為45μs，混粉濃度為0.3g∕L。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用混粉工作液與常規(guī)工作液兩種不同介質(zhì)加工時(shí)，脈沖寬度、脈沖間隔和峰值電流對工件切割速度的影響具有一致性。

3.1.2 主效應(yīng)分析

線切割采用混粉工作液加工時(shí)，各因素指標(biāo)對工件切割速度影響的變化趨勢圖，如圖3所示。

圖3 線切割加工主效應(yīng)分析圖Fig.3 Main Effect Analysis of WEDM

由圖可知，當(dāng)混粉濃度由0.1g∕L逐漸增加到0.3g∕L的過程中，工件的切割速度有小幅度提高；當(dāng)混粉濃度大于0.3g∕L時(shí)，工件的切割速度又小幅度降低。這表明混粉濃度對工件切割速度的影響雖然較小，但具有極值性。

3.1.3 方差分析

通過方差分析表，如表3所示。峰值電流和脈沖間隔對工件切割速度的影響具有顯著性。因此，以下的試驗(yàn)研究將在脈沖寬度為45μs，脈沖間隔為6倍，峰值電流為25A的最優(yōu)加工條件下，對采用混粉工作液與常規(guī)工作液兩種不同工作介質(zhì)加工的線切割效果進(jìn)行對比研究，重點(diǎn)分析混粉濃度、峰值電流和脈沖間隔對工件切割速度和表面加工質(zhì)量的影響。

表3 方差分析表Tab.3 Analysis of Variance

3.2 混粉濃度對電火花線切割加工的影響

混粉濃度對切割加工的影響，如圖4所示。

圖4 混粉濃度對切割加工的影響Fig.4 Effect of Mixed Powder Concentration on WEDM

在其他加工條件不變的情況下，隨著混粉濃度的逐步升高，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(dāng)混粉濃度增加到0.3g∕L時(shí)，混粉工作液中的切割速度達(dá)到最大值120mm2∕min，較常規(guī)工作液中的切割速度提高了21.16%；混粉工作液中的表面粗糙度Ra降低到8.07μm，較常規(guī)工作液中的表面粗糙度降低了15.05%。隨著混粉濃度的繼續(xù)增大，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。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，放電間隙中充滿的SiC納米微粒，將放電介質(zhì)中的單一放電通道擴(kuò)展為多個(gè)火花通道，使得到達(dá)電極的脈沖能量在空間上被分割，電極表面放電點(diǎn)增多[7]。

同時(shí)，隨著SiC半導(dǎo)體微粒的加入，極間隔離減小，電場強(qiáng)度增大；當(dāng)相鄰兩微粒之間的電場強(qiáng)度達(dá)到臨界電場強(qiáng)度時(shí)，迅速在兩極間串聯(lián)、擴(kuò)展，形成放電通道的時(shí)間更短，能量利用率高，有利于放電間隙的增大和放電穩(wěn)定性的提高[7-9]。但當(dāng)混粉濃度過高時(shí)，放電加工短路率增高，電弧放電變得頻繁，導(dǎo)致切割速度、表面加工如圖5（a）所示，在相同加工條件下，常規(guī)工作液中的單個(gè)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再黏連情況[10]，容易造成拉弧放電、短路等情況，大大降低了加工表面粗糙度。由圖5（b）可見，混粉工作液較常規(guī)工作液中的切割加工表面要平整的多，單個(gè)脈沖放電被SiC 納米微粒分散，形成若干個(gè)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(zhì)量明顯改善。

圖5 不同工作介質(zhì)的蝕除微觀表面Fig.5 Etched Micro Surfaces of Different Working Media

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，排屑順暢，有利于材料的進(jìn)一步蝕除，大大提高了工件加工的穩(wěn)定性。

3.3 峰值電流對電火花線切割加工的影響

峰值電流對切割加工的影響，如圖6所示。

圖6 峰值電流對切割加工的影響Fig.6 Effect of Peak Current on WEDM

在其他加工條件不變的情況下，峰值電流的增大對切割速度的提高具有明顯作用。當(dāng)峰值電流為最小值（5A）時(shí)，采用混粉工作液與常規(guī)工作液兩種不同介質(zhì)加工的工件切割速度與加工表面粗糙度數(shù)值大小相近；但隨著峰值電流的逐漸增大，前者的切割速度增幅明顯大于后者，表面粗糙度也小于后者。分析認(rèn)為，隨著單個(gè)脈沖放電能量的增大，常規(guī)工作液中的脈沖放電對加工表面的沖擊變大，且是單一的，加工表面形成的放電凹坑大，重鑄層厚，拋離重新冷卻粘連的熔瘤大且不平，導(dǎo)致下一次放電短路率提高，加工變得不穩(wěn)定。

混粉工作液中的納米微粒串聯(lián)拓展形成多條放電通道，有效降低了脈沖放電對加工表面的沖擊，使放電凹坑變得小且密集；單位面積內(nèi)的瞬時(shí)放電通道增多，使材料蝕除能力變強(qiáng)，放電間隙增大，放電短路率降低，加工變得穩(wěn)定高效。

3.4 脈沖間隔對電火花線切割加工的影響

脈沖間隔對切割速度的影響僅次于峰值電流，脈沖間隔對切割加工的影響，如圖7所示。

圖7 脈沖間隔對切割加工的影響Fig.7 Effect of Pulse Interval on WEDM

在脈沖間隔（空占比）由6倍增大到8倍時(shí)，放電間隔時(shí)間增加33%，極間排屑和散熱得到改善，混粉工作液與常規(guī)工作液兩種不同介質(zhì)中的加工表面粗糙度分別降低2%與3%，此時(shí)二者單位時(shí)間內(nèi)放電能量減弱29%，導(dǎo)致二者的切割速度分別降低26.6%，和15.4%。

這表明，為減少精加工余量，而降低表面粗糙度，將大大降低粗加工的切割效率，得不償失。隨著脈沖間隔的進(jìn)一步增大，兩種工作介質(zhì)下的加工表面粗糙度均有大幅度降低，表明極間放電充分，排屑順暢，表面加工質(zhì)量得到改善；此時(shí)極間放電短路率降低，但單位時(shí)間內(nèi)放電能量減弱較多，切割速度有明顯降低。整體而言，采用混粉工作液比采用常規(guī)工作液加工的工件切割速度均有所提高，表面粗糙度均有所降低。這說明SiC納米微粒的加入，有效增大了極間放電間隙，改善了極間放電條件，降低了短路率，有利于切割速度的提高和表面加工質(zhì)量的改善。

4 結(jié)論

（1）在脈沖寬度為45μs，脈沖間隔為6倍，峰值電流為25A的最優(yōu)切割加工條件下，采用SiC納米混粉工作液（混粉濃度0.3g∕L）比采用常規(guī)工作液加工的工件切割速度提高21.16%，加工表面粗糙度降低15.05%。

（2）增大放電能量時(shí)，采用混粉工作液加工與采用常規(guī)工作液加工效果相比較，前者的工件切割速度均高于后者；前者的加工表面粗糙度均低于后者。

（3）極間SiC納米微粒使電場畸變，在電場力作用下，將單個(gè)脈沖放電通道拓展為多個(gè)，形成分散的放電點(diǎn)，改善了工件的加工表面質(zhì)量。同時(shí)，SiC作為半導(dǎo)體材料，降低了工作介質(zhì)的電阻率，使工作液的絕緣強(qiáng)度降低，增大了極間擊穿間隙，提高了工件的切割速度。