夏麗霞，劉志東，李明明，王威

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

往復(fù)走絲電火花線(xiàn)切割加工工作液壽命檢測(cè)及機(jī)理研究

夏麗霞，劉志東，李明明，王威

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

進(jìn)行了往復(fù)走絲電火花線(xiàn)切割加工工作液的壽命試驗(yàn)，分析了工作液壽命與脈沖概率之間的關(guān)系。從工作液的性能及其對(duì)極間放電特性的影響角度，分析了工作液失效前后的極間狀況和放電特性，提出工作液壽命最終體現(xiàn)在放電脈沖概率方面，并與其呈現(xiàn)一定的關(guān)系。研究了往復(fù)走絲電火花線(xiàn)切割加工的有效放電脈沖概率與切割效率的變化關(guān)系及其對(duì)加工表面質(zhì)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)有效放電概率小于70%時(shí)，切割效率降低，加工表面質(zhì)量變差，可作為判斷工作液失效的指標(biāo)。據(jù)此研制了工作液壽命的檢測(cè)裝置，該裝置可有效實(shí)時(shí)監(jiān)控工作液的壽命狀況。

電火花線(xiàn)切割加工；工作液；壽命；概率檢測(cè)

往復(fù)走絲電火花線(xiàn)切割加工專(zhuān)用工作液的使用已有50年的歷史。工作液是電火花線(xiàn)切割加工中必不可少的放電介質(zhì)，其性能直接影響加工過(guò)程的進(jìn)行，對(duì)加工效率、精度、表面質(zhì)量及穩(wěn)定性等工藝指標(biāo)都有著不同程度的影響[1]。然而到目前為止，往復(fù)走絲線(xiàn)切割加工工作液的使用壽命依然是一個(gè)模糊不清的概念，操作人員大多采用觀測(cè)工作液的顏色、味道、黏度及是否有沉淀等非定量指標(biāo)[2-3]來(lái)判斷工作液是否失效，這完全依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，不易掌握。陸霖琰等[4]通過(guò)比較復(fù)合工作液電導(dǎo)率、蝕除產(chǎn)物濃度、pH值、黏度與切割效率的變化關(guān)系，指出電導(dǎo)率可作為衡量工作液失效的指標(biāo)；劉志東[5]指出當(dāng)工作介質(zhì)加工效率降低15%～20%、斷絲頻率增加或出現(xiàn)燒絲等情況時(shí)，就認(rèn)為工作介質(zhì)已失效；李明明等[6]通過(guò)研究復(fù)合工作液連續(xù)切割中切割效率和蝕除效率的變化，得出蝕除效率作為復(fù)合工作液壽命的表征指標(biāo)更為科學(xué)。但在實(shí)際加工中，工作液的電導(dǎo)率與工作液的成分、水質(zhì)、品種、使用濃度等有關(guān)[7-8]，因此用以完全表征工作液壽命指標(biāo)不具有通用性；切割效率與蝕除效率在某些程度是能表征工作液壽命的，但在實(shí)際加工中，由于切割的材料、厚度等不同，切割軌跡非直線(xiàn)等也使計(jì)算結(jié)果沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此作為表征指標(biāo)也有一定難度。本文從電火花線(xiàn)切割加工極間放電本質(zhì)特性出發(fā)，提出了一種全新的基于電流脈沖概率的檢測(cè)方法以判斷工作液是否失效，其能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映出當(dāng)前加工所處的狀態(tài)，并能及時(shí)檢測(cè)出工作液的使用壽命情況。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及工作液壽命

采用HF320Z型往復(fù)走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)床，配09型智能脈沖電源，其表現(xiàn)在于當(dāng)檢測(cè)到短路波形時(shí)會(huì)自動(dòng)切斷脈沖電源輸出，以減少短路電流。加工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1，試驗(yàn)條件及切割參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

圖1 加工現(xiàn)場(chǎng)照片

表1 試驗(yàn)條件

表2 切割電參數(shù)

試驗(yàn)通過(guò)UT2062B數(shù)字存儲(chǔ)示波器隨機(jī)截取100個(gè)放電脈沖來(lái)檢測(cè)其有效放電脈沖利用率。從復(fù)合工作液連續(xù)加工過(guò)程的放電脈沖波形可看出，剛開(kāi)始切割時(shí)，脈沖利用率較高，達(dá)到95%～99%，且擊穿延時(shí)較多，短路波形很少，說(shuō)明此時(shí)的極間狀態(tài)及工作液的洗滌、冷卻及消電離特性很好（圖2a）；隨著加工的進(jìn)行，當(dāng)切割到40萬(wàn)mm2時(shí)（圖2b），脈沖利用率降低到85%左右；切割到60萬(wàn)mm2時(shí)（圖2c），脈沖利用率僅為70%，擊穿延時(shí)很少，短路波形所占比例很大，說(shuō)明此時(shí)的極間狀態(tài)已經(jīng)惡化，蝕除產(chǎn)物不能及時(shí)排出，且消電離效果變差，導(dǎo)致加工過(guò)程中短路及微短路次數(shù)增多，能量得不到充分利用，加工表面易產(chǎn)生燒傷，切割效率降低。由此可知，此時(shí)工作液已經(jīng)失效。

圖2 加工過(guò)程波形統(tǒng)計(jì)

切割效率與脈沖利用率的關(guān)系見(jiàn)圖3，可以看出，當(dāng)脈沖利用率為70%時(shí)，切割效率只有119 mm2/min，比加工剛開(kāi)始時(shí)降低了19%。工件正常切割及工作液失效后的切割表面照片見(jiàn)圖4。

圖3 切割效率與脈沖利用率的關(guān)系

圖5為對(duì)應(yīng)圖4所示切割表面的微觀照片。可看出，正常切割時(shí)的工件表面較平整、光滑，且色澤亮白，此時(shí)工作液性能良好，極間的冷卻、排屑、消電離、洗滌效果等都處于良好狀態(tài)（圖5a）；當(dāng)工作液經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間切割后，工件表面出現(xiàn)殘留的液滴，色澤較暗淡，此外還滯留一些燒焦的微碳粒，說(shuō)明此時(shí)工作液的冷卻性能惡化，蝕除產(chǎn)物不易排出，堵塞在切縫內(nèi)，工作液在放電高溫下形成微碳粒，造成工件表面燒傷，破壞了工件表面的完整性（圖5b）。

圖4 復(fù)合工作液切割的工件

圖5 表面微觀形貌（600×）

從上述分析可知，不論加工材料、變截面、絲的張力等因素如何影響，只要選用合適的參數(shù)進(jìn)行加工，使加工處于穩(wěn)定狀態(tài)的前提下，放電概率就能實(shí)時(shí)監(jiān)控工作液的壽命。當(dāng)脈沖利用率低于70%時(shí)，切割效率很低，且工件表面會(huì)出現(xiàn)燒傷等痕跡，加工工件的表面質(zhì)量也會(huì)變差。因此，可選擇70%的放電概率來(lái)判斷工作液是否失效。

2 工作液失效的微觀機(jī)理分析

工作液在剛開(kāi)始使用時(shí)，其冷卻、洗滌性能都很好，可維持放電間隙內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)性，使電極絲與工件在極間充滿(mǎn)工作介質(zhì)的條件下進(jìn)行正常放電，放電后產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物能及時(shí)地被工作液帶走，工作液也能及時(shí)對(duì)極間進(jìn)行冷卻及消電離，其極間加工狀態(tài)見(jiàn)圖6a，所以有效放電脈沖概率可達(dá)90%以上。隨著加工的延續(xù)，首先工作液中的蝕除產(chǎn)物增多，且洗滌性降低，電導(dǎo)率也會(huì)逐步上升，蝕除產(chǎn)物堵塞切縫的趨勢(shì)增加，使間隙消電離變差，且易產(chǎn)生短路、二次放電及燒傷，這種現(xiàn)象在電極絲出口處更加明顯（圖6b）；此時(shí)，如果仍按原來(lái)的進(jìn)給速度進(jìn)給，由于放電蝕除能力降低，必然出現(xiàn)短路。為了在這種條件下仍能維持正常進(jìn)給，就必須降低進(jìn)給速度，由此必然導(dǎo)致有效放電脈沖的減少；同時(shí)，因?yàn)闃O間的狀態(tài)處于一種逐漸惡化的趨勢(shì)且不穩(wěn)定，必須采取欠跟蹤的方式來(lái)維持加工的延續(xù)。因此在實(shí)際加工中，宏觀上體現(xiàn)出切割效率降低，而從脈沖波形上看，一般是有效脈沖放電比例減少，空載及短路脈沖概率上升。

圖6 工作液失效原理圖

3 放電概率檢測(cè)裝置的工作原理

分析表明，工作液在使用過(guò)程中，有效脈沖利用率是逐步降低的。由于試驗(yàn)采用的智能電源在遇到短路時(shí)能主動(dòng)切斷脈沖能量輸出，故在加工過(guò)程中可通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)的電流脈沖概率或無(wú)脈沖電流概率在整個(gè)取樣時(shí)間內(nèi)占總脈沖的百分比來(lái)表征放電加工的狀況，并以此評(píng)估工作液的使用壽命?；谠撎匦赃M(jìn)行有效脈沖概率的采集，設(shè)計(jì)的有效脈沖電流采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7，檢測(cè)流程見(jiàn)圖8。

圖7 有效脈沖電流采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

先給系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)有效放電電流脈沖概率的初始值，在加工過(guò)程中，實(shí)時(shí)地對(duì)電壓、電流脈沖進(jìn)行取樣，計(jì)算出脈沖電流數(shù)占一個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖的比例數(shù)。如果脈沖比例大于設(shè)定值，則表示工作液工作正常；如果有效放電脈沖數(shù)小于設(shè)定值，可選擇調(diào)整切割參數(shù)，使切割正常進(jìn)行或更換工作液。試驗(yàn)加工裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9，脈沖概率采樣裝置見(jiàn)圖10。在試驗(yàn)加工中，從脈沖電源的正極經(jīng)電流取樣電路可得到電流信號(hào)；從進(jìn)電塊和工作臺(tái)之間或直接從脈沖電源取出信號(hào)經(jīng)電壓取樣電路可得到電壓信號(hào)；同時(shí)，經(jīng)信號(hào)處理可得電流脈沖概率或無(wú)脈沖電流的概率。

圖8 有效電流脈沖檢測(cè)流程圖

圖9 試驗(yàn)加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 脈沖概率采樣裝置

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用本裝置可在加工過(guò)程中實(shí)時(shí)得到有效放電脈沖概率，以實(shí)時(shí)反映出加工的狀態(tài)。按表1、表2所示的加工條件，采用脈沖概率采樣裝置進(jìn)行脈沖概率的檢測(cè)，得到如圖11所示的放電概率曲線(xiàn)?？煽闯?，其體現(xiàn)的放電脈沖概率與圖3所示的人工獲取的脈沖概率十分吻合，因而可對(duì)工作液壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖11 有效放電概率與切割效率關(guān)系圖

5 結(jié)論

（1）工作液失效的實(shí)質(zhì)就是有效放電脈沖概率的降低，因此可用有效放電脈沖概率來(lái)表征工作液的壽命。

（2）有效放電脈沖概率小于70%時(shí)，切割效率低，加工表面質(zhì)量差，可認(rèn)為工作液失效。

（3）設(shè)計(jì)的脈沖概率采樣裝置能準(zhǔn)確檢測(cè)出放電脈沖數(shù)或無(wú)脈沖電流數(shù)，以實(shí)時(shí)監(jiān)控工作液的壽命狀況。

[1]吳長(zhǎng)有，趙秋霞.工作液對(duì)線(xiàn)切割加工的影響及應(yīng)用[J].職業(yè)技術(shù)，2006（18）：62.

[2]史會(huì)，趙婷.工作液在線(xiàn)切割加工中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2006（9）：49.

[3]魏引煥，張曉燕，曹博濤.工作液性能對(duì)線(xiàn)切割加工質(zhì)量的影響[J].煤礦機(jī)械，2008，29（2）：82-84.

[4]陸霖琰，劉志東，田宗軍，等.高速走絲電火花線(xiàn)切割工作液失效研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2011，22（15）：1793-1797.

[5]劉志東.高速走絲電火花線(xiàn)切割工作介質(zhì)性能要求研究[J].航空精密制造技術(shù)，2006（6）：29-32.

[6]李明明，劉志東，李凌鈴，等.往復(fù)走絲線(xiàn)切割復(fù)合工作液壽命表征的研究[J].電加工與模具，2014（2）：14-17.

[7]金玉惠，祁云燕，吳栩栩，等.乳化液的電導(dǎo)率對(duì)線(xiàn)切割加工的影響[J].機(jī)械工藝師，1987（7）：28-29.

[8]蔡樂(lè)安.連續(xù)加工中線(xiàn)切割工作液對(duì)加工的影響[J].電加工與模具，2002（4）：21-24.

Research on the Detection and Mechanism of Dielectric Fluid's Life in HSWEDM

Xia Lixia，Liu Zhidong，Li Mingming，Wang Wei
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Life test of dielectric fluid in high speed wire-cut electrical discharge machining (HSWEDM)was carried out to analyze the relationship between the dielectric fluid life and the discharge pulse probability.In terms of the working fluid properties and the effect on the discharge characteristics of discharge gap，discharge gap and discharge characteristics before and after the failure of dielectric fluid were analyzed.The relationship between the dielectric fluid life and the discharge pulse probability was proposed.The relationship between the discharge pulse probability and the cutting efficiency and surface quality was studied，when the effective discharge pulse pro-bability is less than 70%，the cutting efficiency is reduced and the surface quality becomes poor，which can be used as the index of the failure of dielectric fluid.Whereby the device of detecting the dielectric fluid life was invented which can monitor the life condition of dielectric fluid effectively.

WEDM；dielectric fluid；life；probability of detection

TG661

A

1009－279X（2014）06－0021-04

2014-09-06

夏麗霞，女，1988年生，碩士研究生。