【word】 电火花线切割液研究进展

1、电火花线切割液研究进展2011年6月第39卷第11期机床与液压machineto0l&hydraulicsjun.2011v01.39no.1ldoi:10.3969/j.issn.10013881.2011.11.040电火花线切割液研究进展杨鹏,宋昌清(西安科技大学材料科学与工程学院,陕西西安710054)摘要:介绍线切割液的分类,组成和线切割液合成的研究成果,简述了国内外已建立的线切割液理论模型.分析线切割液发展趋势,阐述线切割液理论研究的意义,并预测随着特种加工的快速发展和人们对环境要求的提高,线切割液的理论研究必将给特种加工液的合成带来方便.关键词:电火花线切割液;研究现状;

2、发展趋势中图分类号:tg4文献标识码:a文章编号:10013881(2011)111434researchprogressinfluidforwedmyangpeng,songchangqing(departmentofmaterialscienceandengineering,xianuniversityofscienceandtechnology,xianshaanxi710054.china)abstract:theclassification,compositionandresearchresultsofwirecuttingfluidwereintroduced.thetheoret

3、icalmodelsofwirecuttingfluidindomesticandaboardwereillustrated.thetrendofwirecuttingfluidwasanalyzed.thesignificanceoftheoreticalresearchofwirecuttingfluidwasdescribed.itwaspredictedthatwiththerapiddevelopmentofspecialprocessingandhighenvi?ronmentalrequirementsofpeople,thetheoreticalresearchofwirecu

4、ttingfluidwouldbeconveniencetosynthesisofspecialcuttingfluid.keywords:fluidforwedm;researchstatus;developmenttrend线切割液是电火花线切割(wedm)加工中的冷却液体,其性能的好坏对加工效果起至关重要的影响.好的线切割液要有一定的电介强度,去游离,灭弧,防止断丝和使用寿命长,安全无毒等特点,可使切割加工获得理想的加工光洁度和加工效率,并能延长机床的使用寿命.近年来线切割液的使用量快速增长,单线切割用乳化液年消耗量已超过1万吨.但是国内普遍使用的线切割液从切割效率上讲效率较低,低速走丝

5、电火花线切割(wedmls)一次切割最高效率已达500mill/min,实用一次切割最高效率为150姗/min左右”,而我国独有的高速走丝电火花线切割(wedm.hs)自20世纪80年代以来实用一次切割最高效率仍长期徘徊在608omm/rain;从环保角度讲,目前使用的主流切割液难处理,对我国环境造成很大危害,我国废水排放的标准是cod(化学需氧量)不大于100mg/l,而废乳化液cod高达几万甚至几十万毫克/升.随着环境立法的不断加强,合成具有高切割效率和低污染的切割液已成为企业和社会的迫切需求.1线切割液的分类和研究状况1.1线切割液的分类早期的线切割液基本是从金属的刀锯切削液发展而来的,

6、对于线割液国内外第一类产品主要是以矿物油为主要成份的油性切割液,完全由矿物油和油溶性物质构成,使用时直接添加不能兑水,例如:极压切割油,电火花液.此类产品对环境污染较大,易燃,同时清洗工件需要非极性氯的烷烃溶剂,人体接触后易产生不良反应,此类切割液已基本淘汰.第二类产品是水性切割液或水乳型切割液,此类产品可以溶于水或被水分散形成乳化液.分为三小类:第一小类为乳化型,由矿物油,乳化剂,必要的添加剂构成,矿物油含量不少于60%,使用时兑水稀释为5%的悬浮液,先倒入乳化油,再一次性注入普通自来水搅拌均匀后使用,产品如:防锈乳化油,dx一线切割液,皂化液等;第二小类为半合成型,由乳化剂,矿物油,水溶性

7、防锈剂等构成,矿物油含量约为15%一30%,使用时兑水稀释为5%8%的悬浮液,产品如:微乳切割液,某些”水基线切割收稿日期:20100518基金项目:西安科技大学校级支持项目作者简介:杨鹏(1984一),男,在读硕士研究生,主要从事高分子材料,切削液等方面的研究.电话email:yangpengyxn163.corn.?144?机床与液压第39卷液”等;第三小类为合成型,完全由水溶性物质构成,使用时兑水稀释为5%25%的水溶液,产品如:合成切割液,水溶性线切割液,内圆切片液等.各分类组成和特点见表1.表1电火花线切割液分类1.2线切割液组成成分的研究线切割液一般由分散

8、剂,表面活性剂,爆炸剂,防锈剂,有机碱,渗透剂,润滑剂,消泡剂和稀释剂等组成.1.2.1分散剂分散剂是促使颗粒均匀分散于介质中,形成稳定悬浮体的药剂.早期的油性产品的分散剂主要有三乙基己基磷酸,十二烷基硫酸钠,甲基戊醇,纤维素衍生物,聚丙烯酰胺等.现在水性切割液分散物质多为水溶性有机化物,如聚乙二醇,聚乙烯醇,聚羧酸类分散剂,聚丙烯酸钠,膦酰基羧酸共聚物等,而其中以聚乙二醇,聚丙二醇,亲水性多元醇及衍生化合物使用居多.分散剂和其他助剂同时使用,同时发挥多种性能,如河北理工大学张秀玲等通过以油酸,三乙醇胺,硼酸和聚乙二醇一400分散剂等为原料合成一种具有较好水解稳定性,防锈性,润滑性和表面活性的

9、工作液的多功能添加剂,并采用一步法制备一种具有较好理化性能的线切割工作液.专利200410072301.1公布了以聚乙二醇作分散剂和胺碱主要成分的半导体线切液.1991年,日本专利公开了水基切割液主要含有质量分数为5%一90%的水,5%一90%的聚乙二醇(聚丙二醇)等基础物质,同时还含有0.01%一5%的聚乙二醇及高分子多糖等水溶性的增稠剂.1.2.2表面活性剂表面活性剂能降低切割液表面张力,加强切割液的渗透作用,使切割液能很好地附着在切割线上起到润滑,冷却,润湿等作用.常用的表面活性剂有油酸钠,三乙醇胺,硬脂酸,十二烷基苯磺酸钠,季铵化物,聚山梨酯等.表面活性剂的加入对线切割液的渗透性和洗涤

10、效果有增强效果,但不是越多越好,表面活性剂对切割速度的影响主要取决于其洗涤润湿性能及构成乳化液后的电导率.河北工业大学宁培桓等研究了不同表面活性剂对线切割液表面张力的影响,指出表面活性剂质量分数升高使线切割液黏度增大,表面张力随表面活性剂质量分数的增加而显着减小,但超过一定量时面张力则无明显变化.1.2.3爆炸剂为增加切割效率或切割硬质合金和较厚工件时的爆炸力,常在乳化液中添加爆炸剂.爆炸剂的加入有利于放电加工中爆炸能量的增加和排屑,并且可以用较小的电流切割较厚的工件,其是提高切割效率的重要手段之一,目前应用较多的爆炸剂是水溶性聚合物,松香和各种糖类有机物.但加入量一般控制在工作液总量的10%

11、以内,太多后会引起断丝频率增加和加工表面电蚀产物黏结等问题.滕向阳在去离子水和三乙醇胺组成的工作液中,按质量比逐步添加松香,在保证机床及其他工艺参数不变的前提下,观察松香含量对加工效率及表面粗糙度的影响,证明了增加松香的含量,可以提高加工效率和改善表面粗糙度.1.2.4防锈剂水性切割液会增加机床和工件的腐蚀,防锈剂的加入可有效减缓腐蚀效果.水溶性防锈剂大多是电解质,电解质的高导电性严重影响介电性能和放电效果,所以筛选出具有合适电性能的水溶性防锈剂是关键技术问题.目前使用的水性防锈剂有硼胺类和羧酸胺类,如单乙醇胺,二异丙醇胺,硼酸混合物,硼酸酯及羧酸和胺盐混合物等,不使用nano:,铬酸盐,磷酸

12、盐等系列防锈剂,主要以羧酸酯,酰胺及有机硼等多种添加剂进行复配而成.方建华等采用硼氮化改性菜籽油作润滑添加剂,三乙醇胺和无机硼酸盐作为防锈剂,柠檬酸三钠作光亮剂合成水性切割液.1.2.5其他种类的添加剂有的线切割液还有润滑剂,渗透剂,乳化剂,防腐剂,稳定剂,增稠剂,硬水软化剂,螯合剂,皂化液等其他添加剂.例如文献6中使用很多助剂,第11期杨鹏等:电火花线切割液研究进展?145?对线切割液效果有改进;刘志东等提到了几种添加剂,如磷酸钠作为硬水软化剂,钼酸盐,钨酸盐类等无机缓蚀剂.一些添加剂的少量加入对线切割液的性能有很大影响,例如硫酸钠和碳酸钠,磷酸根类助剂能和水中的铁,钙,镁形成不溶盐达到调节

13、水硬度的目的,文献在水性线切割液中采用柠檬酸三钠作为光亮剂,改善加工工件的表面光洁度.2线切割液的理论研究随着电气技术,电化学技术和检测技术的发展,线切割的研究已经步人量化型研究时代,线切割液理化参数的测量,效果的表征已可以精确量化.线切割理论模型的建立已见一些成果,其能使人们从理论上指导线切割液的合成.2.i线切割理论研究国内外学者从机械力学,流体分子动力学等方向对切割加工中线锯振动和切割液流动压力等进行了研究,并且建立了分子动力学仿真模型.skeithhar-grove等采用有限元法建立了切割低碳钢aisi4340的切割参数对工件温度层厚度和温度分布计算的模型,对线切割液的合成有导向意义.

14、probirsaha等采用二阶多变量回归模型和前馈bp神经网络模型输入相关工艺参数,从神经网络模型预测的切割速率和表面粗糙度整体平均误差为3.29%,多变量回归模型得出的为整体平均预测误差6.02%,这两种模式已被用于研究切割速度和表面粗糙度.ntosun等实验了在不同脉宽,开路电压,线速度和流体介质压力的条件下工件表面粗糙度的变化,建立幂函数模型,并对影响工件表面粗糙度的加工参数的重要程度进行了方差分析.2.2线切割液相关理论线切割液理化参数是线切割众多模型中的重要组成部分.线切割液要求具有合适的电导率和黏度,低腐蚀速率,热导率和低积碳等,针对线切割液参数国内外也有研究.例如sbleeb等在

15、2006年提出了反相热流体的概念,指出此流体黏度随着温度的升高而增加,这样的流体在切割过程中有利于热量的移走及微细粉末的移除.南京航空航天大学刘志东等u利用fluent软件对以复合工作液为冷却介质的低速运丝电火花线切割放电间隙内流场进行了模拟,通过试验验证了仿真的正确性,结果表明:维持正常切割的喷液条件,使整个放电极间液流速度不为零,否则会产生切割表面烧伤及切割不稳定的情况.太原科技大学郑建军等h应用扫描电镜及x射线能谱仪等设备,对采用线切割制取的裂纹样品内表面的黑色不明物进行了分析,认为这些黑色覆盖物为脉冲电流在放电过程中油性液体介质裂变产物(主要为碳黑)涂覆在裂纹内部形成的积碳.并说明炭黑

16、的沉积机理:碳氢化合物首先与水蒸气中的氧反应,在裂纹狭缝间形成co.反应为:ch+o2co+h2o温度升高长链裂解,原子团形成,反应为:chc+h一2+h2氢气有助于还原积碳形成,这些积碳留在裂纹表面形成黑色不明物.与此同时得出积碳层的质量m与单个脉冲放电时形成稳定放电通道而传递给介质和工件的能量p成正比,而p随脉冲持续时间的增大而增大,也可以说积碳层的质量m与脉冲持续时间成正比关系.这些研究对合成高效线切割液有理论指导意义.2.3线切割液理化参数测量及意义目前国内外线切割液的理化参数研究多注重在电导率上,而目前电导率测量的难题在于线切割过程是瞬间放电过程,在常规环境下测得的数据不能反映电火花

17、加工瞬间的实际电导率,这是由于加工时工作液的极化效应和电容效应所致.建立线切割液电导率测量电路模型,成为准确测定工作液电导率的关键.王锐在双电层电容电路模型中采用单一稳态交流频率和线性极化下测量工作液电导率.目前,无论是国外的高端线切割厂商,还是国内的中低端厂商,对工作液的控制都遵循一个原则,即将工作液的电导率和温度设定在一个合适的点,然后采用各种测量控制方法将这两个参数恒定在设定点附近.但是根据线切割的理论,结合加工参数和过程,用实时响应的检测系统对线切割加工中加工参数进行及时调整或自动化调整具有重要意义,其原理如图1图1线切割jn-v实时响应系统原理图?146?机床与液压第39卷中国工程物

18、理研究院彭泽军等分析了电火花加工工艺的特点及其复杂性,提出了基于神经网络的电火花加工工艺选择模型,该模型能模拟熟练操作者的决策过程.测试结果表明:该模型能真实反映机电火花加工实验一业一l提供工艺参数样本收集l一工艺数据库学习模块给定加工条选择模块电火花加工工艺选择模型参数库图2基于神经网络的电火花加工工艺选择模型床本身的工艺特点,模型值和实测值相差较小,能实现在给定加工要求下电加工参数的自动选择.建立的模块包括工艺数据库的建立,学习模块,电火花加工工艺选择模型参数库,工艺自动选择模块4部分,其关系和作用过程如图2示.3线切割液的发展趋势线切割液的应用伴随着线切割的发展,线切割除在导电材料(如金

19、属)加工上应用较广外,还用于工程陶瓷回转表面的放电加工,硅晶片切割等领域.但是线切割的发展离不开高效切割液的开发和对切割液传统种类的突破.使用复合工作液和采用新的介质成为打破技术颈瓶成为的一种新方法.复合工作液(或微乳化液)是指介于乳化液和水基合成液之间的新型工作介质,其既具有乳化液的润滑性,又有水基合成液的清洗性.切割液传统种类的突破可以解决液体介质的一些问题,新的切割介质可指气流或在切割液中加入细砂等.刘志东提出通过增加运丝,高压喷液和采用复合工作液等方式解决线切割中断丝,低效率和切割效果差等问题.哈尔滨理工大学机械动力学院王彤等人在分析压缩气体条件下电火花加工机理的基础上,提出一种气中电

20、火花线切割加工的新工艺,突破了线切割液以液体为主的观点.从线切割应用领域发展的趋势看,切割液的发展要向高效,特种化,无害化方向发展,这就要求在传统观念和线切割液理论研究上有突破.4结语电火花线切割加工技术已经在生产中得到了广泛应用,线切割液的发展也经历了由油性到乳化性,水溶性,到压缩气体做加工介质的阶段.但是线切割和线切割液的理论还不完善,在未来特种加工快速发展和人们对环境的高要求下,线切割和线切割液理论的研究必将给特种加工液的合成带来方便.参考文献:【1】刘志东.复合工作液提高高速走丝电火花线切割效率研究j.南京航空航天大学,2008,40(1):100105.【2】张秀玲,马其坤,贾晓明.

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