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电火花线切割工作液的应用现状及发展趋势
电火花线切割工作液的应用现状及发展趋势

摘要：本文介绍了电火花线切割加工机理研究现状、电火花线切割设备的分类及工作特点,分析了电火花线切割加工工艺对线切割工作液的性能要求，介绍线切割工作液的分类、组成和线切割工作液合成的研究成果，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。
关键字：电火花线切割工作液;研究现状；发展趋势;
Electric spark line cutting fluid application present situation and development trend
Abstract： This paper introduces the electric spark line cutting processing mechanism of electric spark line cutting equipment， classification and characteristic, analysed electric spark line cutting processing on line cutting fluid performance requirements， the line cutting fluid classification， composition and line cutting fluid and the research achievements, at home and abroad are described。 Established line of cutting fluid theory model.Analysis of development trend of cutting fluid， cutting fluid on the significance of the study， and predict with special processing fast development and the people to the environment, line cutting fluid theory will give special processing liquid synthetic convenience.
Keywords： Electric spark line cutting fluid； research status； development trend;
0引言
电火花线切割加工（Wire CutElectrical Discharge Machining,WEDM）简称线切割加工，是电火花加工的一种形式.电火花加工是1943 年由苏联学者拉扎连珂夫妇发明的。电火花线切割加工工艺具有工具电极与工件不接触、两者间作用力很小且易于自动控制、脉冲参数可调、能在同一机床上连续进行粗、半精、精加工等优点，被广泛应用于加工淬火钢、不锈钢、模具钢、硬质合金等难加工材料以及用于加工模具等具有复杂表面的零部件,在民用和国防工业中获得越来越多的应用,已成为切削加工的重要补充和发展。与普通切削加工不同，电火花线切割加工是利用移动的细金属丝(铜丝或钼丝）作为工具电极，同时把工具电极接高频脉冲电源的负极，工件接高频脉冲电源的正极。当脉冲电压加到两极之间时,便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，并在该局部产生火花放电，从而产生瞬间高温（可达10 000 ℃左右），使工件局部金属材料很快达到熔点、沸点直至气化，从而切割成形[1］。
1 电火花线切割加工概述
　　随着电火花线切割机的应用日趋广泛，对电火花线切割加工机理研究也不断发展。一般认为电火花线切割加工机理是基于放电蚀除原理，其包括介质击穿与通道形成、能量分配与传递、材料腐蚀与抛出以及消电离4个阶段。各阶段具体过程如下：
1.1 介质击穿与通道形成
进行电火花线切割加工时,电极丝（负极）和工件(正极）分别接脉冲电源的两极，将工作液充入放电间隙。当两电极间的间隙达到一定距离时,两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电.
1。2 能量分配与传递
在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达10 000 ℃以上.
1.3 材料腐蚀与抛出
当温度升高时,压力也急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。
1。4 消电离
这一阶段在工件表面上留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。另有观点认为,以煤油、去离子水作为工作液时，电火花线切割加工机理是放电蚀除原理;而以乳化液作为工作液时,由于其介电强度较煤油和去离子水小,即电导率较高，此时电火花线切割加工机理是放电蚀除原理和弱电解原理的复合作用原理[2 ］。目前，对电火花线切割加工机理的研究尚无统一定论。
2 电火花线切割加工设备分类及工作特点
根据电极丝运动方式的不同，电火花线切割加工机床可以分为高速走丝电火花线切割机床和低速走丝电火花线切割机床。20世纪70年代初发展起来的“中速走丝线切割机”实际属于高速走丝电火花线切割机床范畴，可在高速走丝电火花线切割机床上实现多次切割功能，其所谓“中走丝”并非指走丝速度介于高速与低速之间，而是指其为复合走丝线切割机床，加工质量可介于高速走丝机床与低速走丝机床之间.“中走丝"原理是：在粗加工时，采用高速走丝；在精加工时，采用低速走丝 ［3］。高速走丝电火花线切割机床和低速走丝电火花线切割机床的对比.
低速走丝电火花线切割机床加工效率、精度相对较高，电极丝损耗小，加工过程中主要使用去离子水和煤油作为工作液；
高速走丝电火花线切割机床加工效率、精度相对较低，电极丝损耗大，加工过程中采用乳化液等作为工作液.由于低速走丝电火花线切割机床造价较高，目前该类机床以进口为主。高速走丝电火花线切割机床性价比较高,正以每年20000台的速度投放市场[4]。本文所说的线切割工作液主要指用于高速走丝电火花线切割加工的线切割工作液。
3 高速走丝电火花切割机床对工作液的性能要求
由于电火花线切割加工不同于一般的金属切削过程,属于放电加工,因此线切割工作液除了要具有冷却、排屑、润滑、防锈等功能外，同时作为放电介质直接参与加工过程.在电火花线切割加工过程中，线切割工作液的主要作用包括：对放电通道的压缩作用；对放电产物的消除作用；对电极工件和加工屑的冷却作用；对放电区的消电离作用等。
高速电火花线切割机床对线切割工作液的主要性能要求包括［5]:
3。1 具有适中的介电性能,使放电能力相对集中，不允许短路，同时在放电加工结束后，有利于电极间绝缘状态的恢复。乳化液介质的电导率一般为4。0 ×102～1.0 ×104 μs/cm.通常提高电导率有利于切割效率的提高，但是太高则易引起短路，导致断丝；而降低电导率有利于切割质量的提高，但是太低则易导致切割效率降低,甚至切不动。寻找电导率的平衡点是保证线切割工作液加工性能的关键.
3.2 有一定的爆炸力，用较小的电流能够切割较厚的工件，并有利于排除熔化金属微粒.加入爆炸剂是高速走丝电火花线切割工作液有别于一般切削工作液的一个显著特征.目前应用较多的爆炸剂是松香和各种糖类有机物，其加入量一般控制在工作液总量的10%（质量分数)以内。如爆炸剂加入太多,会导致断丝频率增加以及加工表面电蚀产物粘接等问题.
3。3 具有良好的润滑性。为改善工件的表面粗糙度，减少电极丝的损耗，且保证工件在加工结束后不自行脱落而又能轻松被取出,要求线切割工作液具有较好的润滑性及综合加工性能。
4 线切割液的分类和研究状况
4。1 线切割液的分类高速化
早期的线切割液基本是从金属的刀锯切削液发展而来的，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 － 线切割液、皂化液等; 第二小类为半合成型，由乳化剂、矿物油、水溶性防锈剂等构成，矿物油含量约为15% ～ 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
电火花线切割液分类
油基切割液
乳化性
水基切割液
半合成型
合成水溶型
主要组成

矿物油/油溶性添加剂

矿物油、乳化剂、添加剂

乳化剂、矿物油、水溶性防锈剂
水溶性物质

稀释液
矿物油
水
水
水
特点
切割效率高、绝缘灭
弧较好，防锈
切割效率高、润滑好、绝缘灭弧较好、节约矿物油
切割效率较高、污染较小、节约矿物油
切割效率较高、无污染，节省矿物油
缺陷
污染大、易引发火灾

污染大
防锈效果差
介电性能和防锈效果较差
使用量
已基本淘汰
目前主流
切割液

目前切割液发展方向

目前切割液发展方向
4.2 线切割液组成成分的研究
线切割液一般由分散剂、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.
4.2。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[6］通过以油酸、三乙醇胺、硼酸和聚乙二醇－ 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% ~ 90% 的水、5％ ～ 90%的聚乙二醇（ 聚丙二醇） 等基础物质，同时还含有0。 01% ～ 5%的聚乙二醇及高分子多糖等水溶性的增稠剂。
4.2。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。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著减小，但超过一定量时面张力则无明显变化。
4。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% 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。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。
4。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NaNO2、铬酸盐、磷酸盐等系列防锈剂，主要以羧酸酯、酰胺及有机硼等多种添加剂进行复配而成。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。
4.2。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，对线切割液效果有改进; 刘志东等［7］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水硬度的目的，文献［8］ 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。
4。3 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入量化型研究时代,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.
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。S Keith Hargrove等[10］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.Probir Saha 等［11]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。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。
五、电火花线切割工作液发展趋势
随着线切割技术的发展和线切割机床的推广使用,线切割工作液的性能要求也在不断提高。
满足大厚度工件的稳定切割要求。大厚度工件通常指厚200 mm 以上的钢以及厚70 mm 的难加工材料，如紫铜、硬质合金等.对于大厚度工件，由于线切割工作液很难进入放电间隙发挥冷却、润滑、排屑等作用，而增大放电间隙又会造成电极丝振幅增加，加工不稳定，因而对线切割工作液的介电性能、冷却性能、润滑排屑性能以及蚀除产物的包丝稳定性能提出了更高的要求.
满足环保要求的线切割工作液。环境保护已经成为本世纪关注的焦点，电火花线切割工作液除应具有良好的加工性能外，还应具有使用寿命长、对环境污染少、对人体无害等特点。同时，线切割工作液产品中不应含有亚硝酸钠和铬酸盐等有害物质，以满足国家环保法规要求。
开发适用于特种材料切割的专用线切割工作液。随着线切割加工工艺的推广应用，陶瓷复合材料、铝及其合金等特种或特殊材料的切割以及半导体材料切割等将不断出现，
六、结论
电火花线切割加工与普通切削加工不同,是电、热、力综合作用的过程，其加工机理尚有待于进一步探讨。而对线切割加工机理的更深刻认识，将有助于研发线切割工作液。由于线切割工作液的性能对电火花线切割加工工程影响很大，因此，满足大厚度工件切割要求、开发环保型线切割工作液以及应用于特种或特殊材料切割的专用线切割工作液将是未来电火花线切割工作液的开发热点。
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
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