何賜文，趙晉勝

（北京東興潤滑劑有限公司，北京100102）

電介質(zhì)的構(gòu)成影響放電產(chǎn)物在線切割窄縫中動態(tài)分布的觀察和探究

何賜文，趙晉勝

（北京東興潤滑劑有限公司，北京100102）

通過構(gòu)建的觀察視窗，觀察到線切割窄縫型腔中電介質(zhì)和放電產(chǎn)物的動態(tài)分布及從窄縫型腔排出的過程、路徑等實(shí)況，通過高清和高速攝像技術(shù)，獲取了宏觀和1/30 000 s的微觀圖像及視頻資料，初步探索了放電介質(zhì)影響線切割穩(wěn)定性和加工效率的機(jī)理。

電火花線切割加工；電介質(zhì)；放電產(chǎn)物；動態(tài)分布；影響機(jī)理

長期以來，人們對往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)、脈沖電源、數(shù)控系統(tǒng)、切割工藝等方面的研究較多；但對其所用的電介質(zhì)（工作液）的作用機(jī)理及性能要求的研究卻很有限[1]。多年以來，往復(fù)走絲電火花線切割的工作液一直是以含礦物油的乳狀液為主，這類含油乳狀液存在的一些缺點(diǎn)一直難以克服：①工作液中的礦物油在電火花高溫下裂解、聚合形成粘稠的黑色油泥，導(dǎo)致工作液失效很快，使用8～10天須更換新液[2]；換液和排放頻繁，不僅降低了機(jī)床的利用率，且嚴(yán)重污染了環(huán)境；②難以實(shí)現(xiàn)長時間連續(xù)穩(wěn)定的切割，在日均連續(xù)20 h切割過程中，持續(xù)使用120 h后，隨著加工時間的延長，加工效率很快降低；③工作液的基礎(chǔ)油中含有大量芳香烴，經(jīng)電火花高溫裂解后的產(chǎn)物對人體健康有嚴(yán)重危害。

由于往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床是我國特有的產(chǎn)品，國外鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，更無實(shí)物可對比。鑒于此，開展了水溶性線切割液的研發(fā)。目前的發(fā)明專利（專利號200710152048.4）產(chǎn)品DIC-206水溶性線切割液的高效、安全、環(huán)保等優(yōu)良特性雖然已受到市場普遍認(rèn)可，并促成了高端“中走絲”機(jī)床的研究和發(fā)展，但對于線切割液的作用機(jī)理，如：電介質(zhì)和放電產(chǎn)物（火花、氣體、懸浮物）在線切割窄縫型腔中是如何分布的？電蝕產(chǎn)物和聚合的固態(tài)顆粒物是怎樣從窄縫型腔排出的？主要影響因素有哪些？消電離速度與哪些因素有關(guān)？在切割液中影響程度如何？粘度、沸點(diǎn)、蒸汽壓是否重要等問題，尚未給出明確的答案。本文探索性地回答上述問題，匯報(bào)給行業(yè)同仁，以求拋磚引玉。本文所用物理專業(yè)名詞術(shù)語引自《電火花加工理論基礎(chǔ)》[3]和電火花線切割加工常用專業(yè)名詞術(shù)語。

1 構(gòu)建觀察視窗

視窗由緊貼在被切割金屬工件表面的透明玻璃和金屬工件及3支以上C型夾鉗組合而成。被切割平面與地面垂直，透明平板玻璃通過3只C型夾鉗固定貼附于金屬工件表面模擬為金屬工件的一部分，線電極緊貼靠玻璃從左至右切入，并保持行程軌跡始終與玻璃板平面平行。在視窗前，用兩只色溫6000 K的白光燈在被切割平面的中位水平面與被切割平面呈45°角對稱照明（圖1）。隨著切割進(jìn)程，電極絲左側(cè)形成一個不斷擴(kuò)大的窄縫（取決于線電極的直徑）型腔，透過玻璃可清楚地觀察到電介質(zhì)（以下按行業(yè)習(xí)慣稱“切割液”）和放電產(chǎn)物（火花、氣體、懸浮物等）的動態(tài)分布實(shí)況。

圖1 視窗圖示

2 觀察內(nèi)容

觀察試驗(yàn)采用BDK7725電火花線切割機(jī)床，配BKDE(d)型控制柜，切割材質(zhì)為Gr12模具鋼，切割厚度為180 mm，電極絲采用0.18 mm的冷拔鉬絲，絲速12 m/s。不同脈沖寬度加工電流均保持約4 A（調(diào)整脈沖間隔）。

2.1 高清攝像記錄觀察

（1）采用乳化液型切割液，電蝕產(chǎn)物很快從中部開始堵塞、改變排屑路徑（圖2）。

從視頻中看到，8 μs脈寬時，不能穩(wěn)定放電切割；64 μs脈寬時，初始階段切割穩(wěn)定且效率較高，排屑方向垂直于電極絲軸向、呈噴灑狀，但5 min后從中部開始垂直于電極絲軸向的排屑路徑逐步被黑油泥堵塞，實(shí)際排屑情況改為由電極絲攜帶出油泥管道。

（2）采用半合成型（復(fù)合型）切割液，排屑較流暢，電蝕產(chǎn)物呈粥樣斜拋向下流動（圖3）。

從視頻中看到，8 μs脈寬時，可穩(wěn)定放電切割。初始階段排屑方向垂直于電極絲軸向，呈密布吹泡狀，電蝕產(chǎn)物松散分布，切割穩(wěn)定且效率較高；但隨著切割時間的延長（約十幾分鐘），電蝕產(chǎn)物逐漸呈粥樣斜拋向下流動狀態(tài)。

圖2 采用乳化型切割液

圖3 采用半合成型切割液

（3）采用純凈水切割穩(wěn)定，但總體排屑不夠流暢（圖4）。

從視頻中看到，最初放電過程中形成了不強(qiáng)的噴射流，但由于純水清洗性差、沸點(diǎn)低，逐漸增多的顆粒物很快干粘，堵塞了窄縫型腔，切割穩(wěn)定性變差，切割速度降低。

（4）采用含高沸點(diǎn)物質(zhì)和潤濕劑的水溶液排屑通暢（圖5）。

從視頻中看到，采用高沸點(diǎn)物質(zhì)的水溶液并添加潤濕劑作為電介質(zhì)，切割過程中排屑很通暢，電蝕物垂直于鉬絲軸向，大體呈扇面型噴射排離電極絲。切割很穩(wěn)定，切割速度高，且脈寬4～8 μs（試驗(yàn)用控制柜可提供的最小脈寬）時，放電切割均可穩(wěn)定進(jìn)行。

圖4 采用純凈水切割

圖5 采用高沸點(diǎn)物質(zhì)的水溶液并添加潤濕劑切割

（5）采用水溶性切割液排屑非常順暢，放電產(chǎn)物呈噴射流狀態(tài)排離電極絲（圖6）。

圖6 采用DIC-206水溶性線切割液

從視頻中看到，電介質(zhì)和放電產(chǎn)物垂直于電極絲軸向，呈噴射流排離電極絲，排屑很順暢，切割很穩(wěn)定，切割速度更高。

2.2 高速攝像記錄觀察

根據(jù)高清攝像記錄觀察分析，鑒于單向（低速）走絲線切割采用純凈水作為電介質(zhì)，考慮到乳化型和復(fù)合型的線切割液都因產(chǎn)生油泥而不便觀察，故通過30 000幀/s高速攝像僅對采用純凈水和水溶性線切割液的模擬切割實(shí)況進(jìn)一步進(jìn)行微觀的觀察、記錄和分析。

（1）記錄觀察發(fā)現(xiàn)，采用純凈水和水溶性線切割液，單個脈沖放電產(chǎn)生兩點(diǎn)以上的放電通道都是大概率現(xiàn)象，且從8 μs短脈寬至128 μs長脈寬現(xiàn)象接近；水溶性線切割液產(chǎn)生的放電通道點(diǎn)多于純凈水，且放電通道點(diǎn)較純凈水更離散。在觀察到的50 mm長度范圍內(nèi)，長脈寬放電產(chǎn)生的放電通道點(diǎn)多于短脈寬放電產(chǎn)生的放電通道點(diǎn)（圖7）。

圖7 典型照片

（2）由32 μs和128 μs典型脈沖放電記錄可看出，從形成放電通道、引起氣化膨脹到放電產(chǎn)物呈噴流擴(kuò)散結(jié)束，全過程持續(xù)時間約為放電脈沖寬度的6～7倍。

（3）從開始形成放電通道至熱源輝光消失過程的時長與脈寬的比值隨著放電脈寬的增大而變小。通過對脈寬8、32、128 μs時放電的1/30 000 s照片進(jìn)行的粗略統(tǒng)計(jì)，從開始形成放電通道至放電點(diǎn)熱源輝光消失過程的持續(xù)時間分別約為脈寬的8、4、2倍。采用純凈水和水溶性線切割工作液的情況基本一致。

3 機(jī)理探究

由于線切割加工的切縫是向后敞開的，而敞開的一面基本上被排出的電蝕產(chǎn)物所堵塞，加上工作液進(jìn)入切縫的運(yùn)動方向垂直于敞開的方向，因此可近似地認(rèn)為工作液的流動是在環(huán)形管中的流動，且是在粗糙管壁中的粘性液體流動。電蝕產(chǎn)物與工作液的混合液在切縫中的流動是縫隙流動，只要混合液及時排離前進(jìn)方向上的縫隙，對加工就沒有影響，故排屑只需考慮前進(jìn)方向上的縫隙[4]。這里所說混合液中的電蝕產(chǎn)物應(yīng)理解為包含放電過程中非電蝕的產(chǎn)物，故下面的討論中用放電產(chǎn)物涵蓋放電切割過程中的電蝕產(chǎn)物和非電蝕形成的產(chǎn)物。

3.1 乳化型切割液中的膠質(zhì)和芳烴的裂解產(chǎn)物是阻礙排屑的致命因素

由前文可看出，乳化型切割液在放電初始的幾分鐘內(nèi)，放電產(chǎn)物能排離電極絲，但很快（＜10 min）黑色油泥即堵塞了縫隙。其原因是乳化型切割液原液（皂化油）中的主要成分是含膠質(zhì)和芳烴的常減壓基礎(chǔ)油，其高溫裂解、聚合的產(chǎn)物就是黑色油泥，黑油泥包裹住電蝕產(chǎn)物吸附在電極和各接觸面上，除一部分被高速運(yùn)動的電極絲攜帶出縫隙外，其余在縫隙內(nèi)均起阻礙排屑作用。油泥阻礙排屑造成一系列問題，唯一的好處是那些油泥對黑色金屬有很好的防銹作用。

3.2 半合成型（復(fù)合型）線切割液（微乳液）實(shí)質(zhì)是乳化液的同類

采用半合成型（復(fù)合型）切割液（東興DIC-098），放電初始階段的放電產(chǎn)物能較好地排離電極絲，約半小時后黑色粘稠放電產(chǎn)物逐漸增多，切割速度略高于乳化型切割液。其原因是原液中含芳烴的基礎(chǔ)油含量比乳化油減少了70%，乳化劑反而增加了30%，故其稀釋液（工作液）中膠體的比例大大增多，粗分散比例大大減少，表面活性增強(qiáng)。但由于其本質(zhì)是油滴分散成粒徑小于0.8 μm的乳化液，其高溫裂解、聚合的產(chǎn)物仍是黑色油泥，故最終也和乳化液性質(zhì)一樣。只是單位時間內(nèi)產(chǎn)生的油泥量少，使用壽命和維持加工穩(wěn)定性的時間較長而已。

3.3 純凈水不適宜作往復(fù)走絲線切割液

由前文的觀察可看出，純凈水是能維持穩(wěn)定切割的放電介質(zhì)，使用壽命也長。但由于其表面張力較大，清洗性差，往復(fù)走絲切割速度低，對金屬沒有防銹性能，所以不適宜作為往復(fù)走絲的切割液。

3.4 水溶性線切割液排屑最順暢且有良好的綜合性能

由前文還可看出，采用DIC-206水溶性線切割液，在放電切割過程中，放電產(chǎn)物始終向切縫敞開的方向噴流排泄，切割前進(jìn)方向縫隙中的電蝕產(chǎn)物能及時順暢排出，保證了切割加工的穩(wěn)定、高速、持續(xù)性。其優(yōu)良的綜合性能是由配方構(gòu)成決定的，具體分析如下：

（1）完全由水溶性物質(zhì)構(gòu)成，且含有足夠的表面活性劑。

原液和稀釋液均主要是多分子的高分子溶液類膠體和締合膠體，自身的分散性就強(qiáng)于乳化液和半合成液，其裂解聚合產(chǎn)物在水中是分散的。足夠的表面活性保證縫隙各點(diǎn)、面都能得到有效的潤濕和清洗，故電蝕產(chǎn)物能快速地分散在混合液中。

（2）高沸點(diǎn)和反溶解物質(zhì)提高汽化臨界點(diǎn)、壓縮放電通道。

高沸點(diǎn)物質(zhì)提高水溶液的汽化溫度，避免放電通道形成前汽化，以保持液體介電性；放電結(jié)束后，高沸點(diǎn)和反溶解物質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)使汽化的介質(zhì)快速恢復(fù)液態(tài)，實(shí)現(xiàn)及時消電離和冷卻，壓縮放電通道縮短電弧的時長；防止汽化或熔化的金屬結(jié)瘤，使之成碎屑并被包裹分散到混合液中，且包裹效應(yīng)提高了混合液的容納性[4]。在加工切縫前進(jìn)方向的相對固定容積內(nèi)，高沸點(diǎn)氣體的壓強(qiáng)大，所以產(chǎn)生噴流現(xiàn)象。

（3）電性能調(diào)整劑具有合適的介電性，提高切割速度特性。

COND調(diào)整劑是一種水溶液電性能改進(jìn)劑，在電場作用下可形成小陽極大陰極膠體，有增加單個脈沖放電點(diǎn)數(shù)的作用，也有導(dǎo)致火花放電轟擊靠近工件電極的效用，因而促成同等切割速度時切割表面光潔度好，相同電規(guī)準(zhǔn)情況下切割速度快。

（4）良好的潤濕性及合適的粘度確保切割液隨電極絲運(yùn)動足量流入縫隙。

潤濕性保證工作液瞬時吸附于電極絲，合適的粘度保證運(yùn)動的電極絲能有效帶動工作液流動。所說足量是足夠，而不一定是大量。工作液在高速走絲線切割加工縫隙中，基本是以剪切流動為主，工作液的流動方向總是隨著電極絲運(yùn)動的方向流動，而非隨著沖液方向流動[4]，故供液量只要能保證液流包住電極絲并封住電極絲周圍的切縫就足夠了。過大的流量反而減少了顆粒物沉淀分離的機(jī)會，也易產(chǎn)生泡沫。良好的潤濕性和合適的粘度，保證放電產(chǎn)物不會在多次切割的待修切面上形成過厚的絕緣膜。

（5）具有低電導(dǎo)率特性的防銹劑對黑色和有色金屬都有良好的防銹性。

遴選的具有低電導(dǎo)率特性的水溶性防銹劑是研發(fā)中攻克的技術(shù)難點(diǎn)，也是DIC-水溶性線切割液被市場接受的原因。只要維持推薦的使用濃度，對黑色和有色金屬（包括敏感的鎂鋁合金）都有良好的防銹性能。

（6）構(gòu)成中不含有毒有害化學(xué)物質(zhì)，權(quán)威檢測和應(yīng)用實(shí)踐證明具有安全、環(huán)保特征。

保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境，已是當(dāng)今社會當(dāng)務(wù)之急，有良知和道德底線的人都應(yīng)即刻從我做起，從身邊做起。以人為本，保護(hù)環(huán)境，是研發(fā)DIC系列水溶性電介質(zhì)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。構(gòu)成DIC-206水溶性線切割液的原料和添加劑等化學(xué)品，均具有無毒或低毒及可生物降解的特征。DIC-206產(chǎn)品原液經(jīng)中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所做毒理試驗(yàn)的結(jié)論是“屬實(shí)際無毒級”；歐盟RoHS的6項(xiàng)檢測24子項(xiàng)均為“未檢出”。工作液經(jīng)沉淀分離可循環(huán)使用不排放。

4 結(jié)論

經(jīng)觀察記錄分析，結(jié)合切割加工實(shí)驗(yàn)和市場反響，可得出以下結(jié)論：

（1）采用水溶性物質(zhì)（水溶液）作為往復(fù)走絲電火花線切割液，具有排屑順暢、切割速度高、容納性好（切割大厚度時尤為突出）、使電極絲耐用（如4.5～5 A電流平均切割速度150 mm2/min，連續(xù)切割51 h，重復(fù)3次均未出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象）等工藝技術(shù)上的優(yōu)異性，技術(shù)成熟，是完全可行和可靠的。

（2）采用水溶性線切割液會減少排污，切割液通過簡單沉淀分離即可實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用不排放，為實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，其減排等特征在全民怨恨污染的當(dāng)下，社會效益是顯見的。

（3）DIC-206水溶性線切割液具有優(yōu)異的綜合性能，無毒無害、對人安全，保護(hù)環(huán)境，具有很高的性價比。5年來經(jīng)受住了市場的考驗(yàn)，值得大力推廣應(yīng)用。

[1]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（2）：17-19.

[2]張學(xué)仁.數(shù)控電火花線切割加工技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[3]李明暉.電火花加工理論基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1989.

[4]李明暉.數(shù)控電火花線切割加工工藝及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

Observation and Exploration for the Influence on Dynamic Distribution of the Discharge Products in WEDM Narrow Slit Using the Different Dielectrics

He Ciwen，Zhao Jinsheng
（Beijing Dongxing Lubricant Co.,Ltd，Beijing 100102，China）

By building the observation windows，the dynamic distribution of dielectric and discharge products during WEDM in the narrow slit cavity，the process and path of dielectric and discharge products discharging from the narrow slit cavity are observed.Using high definition and high-speed camera technology，the macroscopic picture and video data,and the microscopic pictures which are recorded per 1/30 000 second are obtained.Preliminary，the different dielectrics influence mechanism of WEDM stability and the machining efficiency are explored.

WEDM；dielectric；discharge products；dynamic distribution；influence mechanism

TG661

A

1009-279X（2014）06-0025-04

2014-10-25

何賜文，男，1955年生，工程師。