提高电火花线切割加工表面完整性的方法

摘要

一种提高电火花线切割加工表面完整性的方法，其特征是它包括(1)初步切割和精修切割二步，在初步切割中以水溶性工作液为冷却介质，精修切割中通过将油液体浇注或者将油雾通过高压喷射到放电切缝内充当放电介质从而对放电表面进行冷却以达到最终提高切割表面完整性、消除电蚀(电解)问题所产生的表面软化层的目的。本发明不同于LSWEDM采用抗电解电源处理此问题的方法。使得只需通过工作介质的变换，利用普通峰值电压和电流的高频脉冲电源即可完成表面完整性较高的线切割加工，有利于提高电火花加工质量。本发明还具有方法简单、易于实现、投资少，见效快等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电火花加工技术，尤其是一种能大幅度提高加工表面完整性，防止切割表面存在软化层的电火花加工方法，具体地说是一种通过两次加工并分别采用不同冷却介质进行冷却以提高电火花线切割加工表面完整性的方法。

背景技术

众所周知，对于电火花线切割而言目前形式上加工方式主要有两种：第一种是采用具有一定导电性能的工作液(绝大多数是含基础油5％左右的乳化液)无压力的浇注在切缝表面并采用钼丝为电极丝，通过双向的往复高速走丝(丝速6～10m/s)进行切割的高速走丝电火花线切割(HSWEDM)技术。第二种是采用去离子树脂，将纯净水中离子去除并采用高压喷液方式喷入放电间隙进行冷却，电极丝一般采用黄铜丝单向低速走丝(丝速1～10m/min)进行的低速走丝电火花线切割(LSWEDM)技术。

这两类形式不同的电火花线切割方式在切割表面的完整性方面都遇到一个共性的问题。即切割表层均会产生软化层。

在LSWEDM采用去离子水进行各种复杂形状的零件高精度加工时，人们便注意到电蚀(电解)问题的危害。这一问题在工模具制造中特别重要。因为所生产的工模具零件都需要良好的刃口质量和表面粗糙度，以便获得最佳的使用效果。由于“去离子”水中不可避免的存在一定数量的离子，并且“去离子”水不具备防锈能力，在脉冲电源的作用下必然产生微弱的电解及锈蚀现象。当工件接正极时，在电场的作用下，氢氧根负离子(OH^-)会在工件上不断沉积，使铁、铝、铜、锌、钛、碳化钨等材料氧化、腐蚀，造成所谓的“软化层”，在加工硬质合金工件时，硬质合金中的结合剂钴以离子状态溶解在水中，同样形成“软化层”，这种对工件表面的电蚀现象不仅发生在线电极切割的表面，也会发生在远离切割点的区域。并可能形成肉眼看不见的微孔存在于重凝层下。由于通常切割一个零件需要经过较长的加工时间，因此(OH^-)离子即使数量不多，也有足够时间与工件发生化学反应。这将导致切割工件表面质量和精度降低，机械强度受损。这也导致在很长一段时间内业内认为LSWEDM只能作为半精加工的手段，而精加工必须由坐标磨床或光曲磨床来完成。针对电解锈蚀形成软化层的原因，国外也曾采用降低去离子水电导率，尽可能降低离子浓度的方法，虽然对改善表面完整性起到了一定作用，但还是不能有效彻底解决“软化层”问题。

在HSWEDM、目前的“中走丝”(具有多次切割功能的HSWEDM)以及目前正在研制的其它电火花线切割方式中，由于所使用的工作液(包括乳化液、水基工作液及目前普遍使用的复合工作液)均为水溶性工作液，且含有较多的电解质，不可避免存在大量的(OH^-)离子，因此切割过程中在工件表面产生的电解作用更是不可避免，严重降低了其表面硬度，采用水溶性工作液的HSWEDM一次切割后工件表面沿纵深方向的硬度分布如图1所示，从图1中可以看出，由于受到高温放电后急剧冷却及电解的作用，其熔化层的硬度很低，这必然会大大影响切割表面的完整性。

由于电解作用是因为介质中的(OH^-)离子对工件表面材料冲击产生电化学作用所引起的，而LSWEDM去离子水中又不能混有其它物质，所以目前LSWEDM普遍采用通过采用交变脉冲平均电压为零的防电解电源进行加工，其电源波形的原理如图2所示，由于脉冲平均电压为零，因此可以使工作液中的(OH^-)离子在电极丝与工件之间处于振荡状态，在正极性加工时不趋向工件，防止工件表面材料的氧化，可使表面变质层控制在1μm以下，切割硬质合金时可以避免硬质合金材料中钴的析出溶解，保证了硬质合金模具的寿命。结果表明，防电解电源加工硬质合金模具寿命已接近机械磨削加工，在接近磨损极限处甚至优于机械磨削加工。虽然用LSWEDM“以割代磨”作为最终加工手段的趋势越来越明显，但由于LSWEDM用脉冲电源的制造成本很高，技术难度很大，这就使得加工成本远远高于HSWEDM的加工成本，且这一电源技术仅掌握在少数发达国家手中，其购置成本很高也不方便。

对于采用水溶性工作液为介质的“中走丝”或目前正在研制的其它形式的电火花线切割加工方法肯定都会产生类似的电解问题。既然电解的产生是因为介质中的(OH^-)离子对工件表面材料冲击产生电化学作用引起的，因此如果采用不含离子的矿物油作为工作介质，必然就不存在离子即意味着没有电解。但由于矿物油与工作液相比洗涤和冷却效果均较差，因此大能量一次切割时其切割效率较低、易产生表面烧伤、裂纹且不安全，因此不适合一次切割，但对于“中走丝”或目前正在研制的其它形式的电火花线切割加工方法的多次切割而言，其用于最后小能量的精修切割从而消除前几次切割电解所产生的软化层，达到提高切割表面完整性并保障切割的安全性是完全适合的，但据申请人所知，目前尚无将二者进行有机结合以提高电火花加工表面完整性的报道。

发明内容

本发明的目的是针对采用水溶性工作液为介质的电火花线切割中普遍存在的表面因电蚀(电解)易产生“软化层”，影响加工表面完整性的问题，发明一种通过两段加工并分别采用不同工作介质进行冷却以提高电火花线切割加工表面完整性的方法。

本发明的技术方案是：

一种提高电火花线切割加工表面完整性的方法，其特征是它包括以下步骤：

(1)初步切割：

a、采用高速走丝电火花线切割(HSMWDM)用脉冲电源作为工作电源；

b、采用钼丝、黄铜丝线或合金丝线作为工作电极；

c、单向或双向走丝的同时向切缝中注入洗涤性好的复合工作液进行冷却，以保持切缝内均匀的冷却并将蚀除产物排出切缝；控制走丝速度在：双向走丝时为6～10m/s，单向走丝时为1～10m/min；

d、采用上述a、b、c步骤中的参数一次或多次反复切割，直至切割完成；

(2)精修切割：

在初步切割结束后，再对工件进行电火花精修切割，但切割时向切缝中注入的冷却液应改为矿物油或采用高压喷射矿物油油雾。油雾的压力为0.1MPa以上。具体实施时可在电火花线切割机床上准备两套冷却系统，在精修切割阶段将冷却系统从复合工作液冷却系统转换到矿物油冷却系统。

所述的复合工作液主要由油酸、表面活性剂、氢氧化钾、植物油、防锈剂和工业纯净水组成，其重量百分比为：油酸7％～8％，表面活性剂20％～25％，氢氧化钾5％～8％，植物油4％～6％，防锈剂6％～8％，工业纯净水：余量。

所述精修切割用的矿物油为煤油、锭子油、变压器油、放电加工油及专用电火花机油等，矿物油还可用其它粘度较低的油类加以代替。

本发明的有益效果：

本发明解决了目前采用水溶性工作液为介质进行电火花切割后工件表面存在的电蚀(电解)从而产生表面“软化层”的问题，并大大降低了表面粗糙度值。该方法不同于LSWEDM采用抗电解电源处理此问题的方法。使得利用普通峰值电压和电流的高频脉冲电源即可完成表面完整性较高的线切割加工，有利于提高电火花加工质量，降低成本，提升我国的电火花加工能力和水平。

本发明可直接利用现有传统的或经过改造的HSWEDM机床进行切割加工，只需要增加一套油或油雾高压喷射系统和切换装置，即可达到消除电蚀(电解)问题所产生的表面“软化层”目的。

本发明具有方法简单、易于实现、投资少，见效快等特点。

本发明具体使用时，仍然宜采用洗涤性良好的复合工作液进行前几次切割以保持缝隙内均匀的冷却并将蚀除产物排出切缝，为采用油或高压油雾喷射冷却创造前提条件，其极间状态如图3所示。采用煤油加工后所获得的加工表层纵深显微硬度分布如图4所示，在最后一次修光切割中只需简单更换介质就可以进行无电解作用的精修加工。其获得的最终切割表面不存在因为电解现象产生的“软化层”，同时由于是在油中放电，切割的表面粗糙度值也大大降低。

附图说明

图1是采用水溶性工作液一次切割获得的加工表层纵深显微硬度分布图。

图2是现有的LSWEDM防电解脉冲电源加工波形原理图。

图3是采用洗涤性好的复合工作液加工时极间状况示意图。

图4采用本发明的加工方法精修加工时采用煤油加工后所获行的加工表层纵深显微硬度分布图。

图5采用复合工作液进行三次切割的表面形貌照片。

图6前两次采用复合工作液第三次采用煤油切割的表面形貌照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图3、4所示。

一种提高电火花线切割加工表面完整性的方法，它包括初步切割和精修切割，其中的初步切割步骤包括：

a、采用高速走丝电火花线切割(HSWEDM)用脉冲电源作为工作电源；

b、采用钼丝、黄铜丝线或合金丝线作为工作电极；

c、单向或双向走丝的同时向切缝中注入洗涤性好的复合工作液进行冷却，以保持切缝内均匀的冷却并将蚀除产物排出切缝，如图3所示；控制走丝速度在：双向走丝时为6～10m/s，单向走丝时为1～10m/min；冷却用的工作液可采用本发明的复合工作液，它主要由油酸、表面活性剂、氢氧化钾、植物油、防锈剂和工业纯净水组成，其重量百分比为：油酸7％～8％，表面活性剂20％～25％，氢氧化钾5％～8％，植物油4％～6％，防锈剂6％～8％，工业纯净水：余量。

d、采用上述a、b、c步骤中的参数一次或多次反复切割，直至切割完成；

(2)精修切割：

在初步切割结束后，采用小能量参数(相对于初步切割而言)对工件进行电火花精修切割，但切割时向切缝中注入的冷却液应改为矿物油或采用高压喷射矿物油油雾。而非初步切割时的复合工作液，当采用喷雾冷却时，喷雾的油雾的压力应控制在0.1MPa以上。具体实施时可在电火花线切割机床上准备两套冷却系统，在精修切割阶段将冷却系统从复合工作液冷却系统转换到矿物油冷却系统。在精修切割所使用的矿物油可采用粘度较低的煤油、专用火花机油或其它类似的油类，如锭子油、变压器油、放电加工油等加以代替。

图4是利用本发明的方法以煤油作为冷却液精修后的表面硬度分布示意图，其基体材质为：模具钢Cr12淬火。

本发明在初步切割中以水溶性工作液为冷却介质，最终的精修切割通过将油液体浇注或者将油雾通过高压喷射到放电切缝内充当放电介质从而对放电表面进行冷却，达到最终提高切割表面完整性、消除电蚀(电解)问题所产生的表面“软化层”。它不同于LSWEDM采用抗电解电源处理此问题的方法。使得只需通过工作介质的变换，利用普通峰值电压和电流的高频脉冲电源即可完成表面完整性较高的线切割加工，有利于提高电火花加工质量。表1是采用本发明的方法精修前后表面硬度对照表，图5，6是采用复合工作液三次切割的常规加工及本发明加工(前两次用复合工作液切割最后一次用煤油切割)同样参数条件下工件表面微观形貌图。

表1常规加工及本发明加工后表面硬度及粗糙度对照表

以下是本发明的复合工作液的配方：

复合工作液1：油酸7kg，表面活性剂20kg，氢氧化钾5kg，植物油4kg，防锈剂6kg(如三乙醇氨)，工业纯净水：58kg。

复合工作液2：油酸8kg，表面活性剂25kg，氢氧化钾8kg，植物油6kg，防锈剂8kg(如三乙醇氨)，工业纯净水45kg。

复合工作液3：油酸7.5kg，表面活性剂22.5kg，氢氧化钾6.5kg，植物油5kg，防锈剂7kg(如三乙醇氨)，工业纯净水51.5kg。

复合工作液4：油酸7kg，表面活性剂22kg，氢氧化钾7kg，植物油4.5kg，防锈剂7.5kg(如三乙醇氨)，工业纯净水52kg。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。