碳化硅納米介質電火花線切割加工研究

陳 成，滕 凱，孫 濤

（1.無錫科技職業學院智能制造學院，江蘇 無錫 214028；2.徐州工程學院機電工程學院，江蘇 徐州 221018）

1 引言

電火花線切割通過電極絲脈沖火花放電蝕除工件材料，達到工件切割成型的目的。它不同于用機械力和機械能來切除工件材料的傳統加工技術，沒有明顯的切削力，是一種非接觸式的電火花特種加工技術，被廣泛應用于航空航天、機械加工等領域。目前，電極絲脈沖放電普遍在常規工作液中完成，極間放電方式限制了工件切割速度和表面加工質量的進一步提高。文獻[1]采用大氣作為工作介質進行了電火花線切割加工試驗。實驗表明，線切割氣中加工較液中加工，加工過程清潔環保，表面加工質量高。但在實際加工中，由于加工間隙小，排屑不順暢，極易造成短路和加工不穩定。文獻[2-3]在水霧介質中進行了線切割加工研究，發現在水霧中加工較大氣中加工切削更鋒利，加工屑附著更少，但在大能量放電加工時也存在極間放電不穩定現象。文獻[4]分別在液體、氣體與水霧介質中進行了電火花線切割多次加工試驗研究。研究發現，在液中粗加工，水霧中半精加工，氣中精加工的工件表面粗糙度、直線度均優于單一介質的多次切割加工效果，但多介質多次切割也存在加工方式切換帶來的不便，增加了加工輔助時間。文獻[5]在常規工作液中添加了微米級SiC粉末，極間放電時，分散了放電能量，改善了工件表面加工質量。

但由于粉末顆粒較大，導致極間分布不均，極易造成電弧放電，降低了加工穩定性。文獻[6]采用固、液、氣三相流作為混合介質進行電火花成型加工，該方式能夠有效改善氣中加工短路率高、加工效率低的問題，但也存在三相流混合介質制備難度大，供液不穩定等難題。

為此，提出一種采用SiC納米混粉工作液進行電火花線切割加工的新工藝、新方法。該方式可有效解決極間電火花放電間隙小、排屑不暢、放電沖擊大、加工不穩定等問題，進而改善極間加工條件，進一步提高工件切割速度和表面加工質量。

2 試驗條件與方法

試驗所用機床為蘇州寶瑪數控有限公司生產的DK7763D高速走絲電火花線切割機床；常規工作液為BM-01水基工作液，與水的配比為1:10；電極絲為Φ0.18mm 鉬絲；試驗件材料為Cr12MoV模具鋼，板厚20mm。混粉工作液為在常規工作液中加入SiC納米微粉，制備成混粉懸浮工作液。SiC微粉粒徑50nm，密度3.2g∕cm3，比表面積60m2∕g，濃度（0.1～0.5）g∕L；分散劑為羧甲基纖維素鈉（CMC），濃度0.7g∕L；抗沉降穩定劑為蒙脫土K10（Bentonite clay K-10），濃度0.3g∕L。

混粉工作液供液系統，如圖1所示。在供液時，只需將攪拌均勻的懸浮工作液按配比加入原有供液系統即可，無需增加附屬設備或對原有供液系統進行改造。SiC 納米微粒具有比表面積大、吸附性強、分散均勻等優點，可使工作介質中的微粒分布均勻，不易沉淀，從而滿足極間電火花放電加工的需求。

圖1 實驗加工現場Fig.1 Experimental Processing Site

基于SiC納米混粉工作液的高速走絲電火花線切割正交試驗，選取脈沖寬度（ts），脈沖間隔（ti∕ts），峰值電流（Ip）和混粉濃度（C）等工藝參數作為實驗因素，設計了4因素3水平（L9（34））的正交實驗，實驗水平因素，如表1所示。

表1 實驗水平表Tab.1 Experimental Level

通過正交實驗獲得Cr12MoV模具鋼的電火花線切割高速切割加工工藝優化參數。在最優加工條件下，分別采用混粉工作液與常規工作液進行電火花線切割加工對比試驗研究，重點分析混粉濃度、峰值電流、脈沖間隔對電火花線切割加工的影響。實驗數據可通過多渠道獲得，其中切割速度可從線切割軟件操作系統直接實時讀取，也可通過定量計算獲得；加工表面粗糙度Ra可通過TR200 粗糙度儀，如圖2（a）所示。測量獲得；工件微觀表面可通過FEI inspect S50 掃描電子顯微鏡，如圖2（b）所示。掃描拍照獲得。

圖2 實驗測量儀器Fig.2 Experimental Measuring Instrument

3 試驗結果及分析

3.1 電火花線切割工藝參數優化

3.1.1 極差分析

基于SiC納米混粉工作液的電火花線切割加工切割速度極差分析，如表2所示。

表2 極差分析表Tab.2 Range Analysis Table

由極差分析原理可知，工藝參數對切割速度影響的主次因素依次為：峰值電流＞脈沖間隔＞脈沖寬度＞混粉濃度，提高工件切割速度的最優工藝參數組合為C3B1A3D2，即峰值電流為25A，脈沖間隔為6 倍，脈沖寬度為45μs，混粉濃度為0.3g∕L。實驗發現，采用混粉工作液與常規工作液兩種不同介質加工時，脈沖寬度、脈沖間隔和峰值電流對工件切割速度的影響具有一致性。

3.1.2 主效應分析

線切割采用混粉工作液加工時，各因素指標對工件切割速度影響的變化趨勢圖，如圖3所示。

圖3 線切割加工主效應分析圖Fig.3 Main Effect Analysis of WEDM

由圖可知，當混粉濃度由0.1g∕L逐漸增加到0.3g∕L的過程中，工件的切割速度有小幅度提高；當混粉濃度大于0.3g∕L時，工件的切割速度又小幅度降低。這表明混粉濃度對工件切割速度的影響雖然較小，但具有極值性。

3.1.3 方差分析

通過方差分析表，如表3所示。峰值電流和脈沖間隔對工件切割速度的影響具有顯著性。因此，以下的試驗研究將在脈沖寬度為45μs，脈沖間隔為6倍，峰值電流為25A的最優加工條件下，對采用混粉工作液與常規工作液兩種不同工作介質加工的線切割效果進行對比研究，重點分析混粉濃度、峰值電流和脈沖間隔對工件切割速度和表面加工質量的影響。

表3 方差分析表Tab.3 Analysis of Variance

3.2 混粉濃度對電火花線切割加工的影響

混粉濃度對切割加工的影響，如圖4所示。

圖4 混粉濃度對切割加工的影響Fig.4 Effect of Mixed Powder Concentration on WEDM

在其他加工條件不變的情況下，隨著混粉濃度的逐步升高，電火花線切割加工的切割速度逐步提高，表面粗糙度逐步降低。當混粉濃度增加到0.3g∕L時，混粉工作液中的切割速度達到最大值120mm2∕min，較常規工作液中的切割速度提高了21.16%；混粉工作液中的表面粗糙度Ra降低到8.07μm，較常規工作液中的表面粗糙度降低了15.05%。隨著混粉濃度的繼續增大，切割速度先明顯降低，后又趨于緩和；表面粗糙度則變化較小，僅略有增大。

進一步研究發現，放電間隙中充滿的SiC納米微粒，將放電介質中的單一放電通道擴展為多個火花通道，使得到達電極的脈沖能量在空間上被分割，電極表面放電點增多[7]。

同時，隨著SiC半導體微粒的加入，極間隔離減小，電場強度增大；當相鄰兩微粒之間的電場強度達到臨界電場強度時，迅速在兩極間串聯、擴展，形成放電通道的時間更短，能量利用率高，有利于放電間隙的增大和放電穩定性的提高[7-9]。但當混粉濃度過高時，放電加工短路率增高，電弧放電變得頻繁，導致切割速度、表面加工如圖5（a）所示，在相同加工條件下，常規工作液中的單個脈沖放電形成的放電凹坑大，加工表面重鑄凸臺高，存在明顯的蝕除材料再黏連情況[10]，容易造成拉弧放電、短路等情況，大大降低了加工表面粗糙度。由圖5（b）可見，混粉工作液較常規工作液中的切割加工表面要平整的多，單個脈沖放電被SiC 納米微粒分散，形成若干個均勻的小放電凹坑，重鑄層也較薄，基本不存在明顯的凸臺，表面加工質量明顯改善。

圖5 不同工作介質的蝕除微觀表面Fig.5 Etched Micro Surfaces of Different Working Media

另外，加工表面的冷縮微孔洞多且均勻，表明極間冷卻效果好，放電較充分，排屑順暢，有利于材料的進一步蝕除，大大提高了工件加工的穩定性。

3.3 峰值電流對電火花線切割加工的影響

峰值電流對切割加工的影響，如圖6所示。

圖6 峰值電流對切割加工的影響Fig.6 Effect of Peak Current on WEDM

在其他加工條件不變的情況下，峰值電流的增大對切割速度的提高具有明顯作用。當峰值電流為最小值（5A）時，采用混粉工作液與常規工作液兩種不同介質加工的工件切割速度與加工表面粗糙度數值大小相近；但隨著峰值電流的逐漸增大，前者的切割速度增幅明顯大于后者，表面粗糙度也小于后者。分析認為，隨著單個脈沖放電能量的增大，常規工作液中的脈沖放電對加工表面的沖擊變大，且是單一的，加工表面形成的放電凹坑大，重鑄層厚，拋離重新冷卻粘連的熔瘤大且不平，導致下一次放電短路率提高，加工變得不穩定。

混粉工作液中的納米微粒串聯拓展形成多條放電通道，有效降低了脈沖放電對加工表面的沖擊，使放電凹坑變得小且密集；單位面積內的瞬時放電通道增多，使材料蝕除能力變強，放電間隙增大，放電短路率降低，加工變得穩定高效。

3.4 脈沖間隔對電火花線切割加工的影響

脈沖間隔對切割速度的影響僅次于峰值電流，脈沖間隔對切割加工的影響，如圖7所示。

圖7 脈沖間隔對切割加工的影響Fig.7 Effect of Pulse Interval on WEDM

在脈沖間隔（空占比）由6倍增大到8倍時，放電間隔時間增加33%，極間排屑和散熱得到改善，混粉工作液與常規工作液兩種不同介質中的加工表面粗糙度分別降低2%與3%，此時二者單位時間內放電能量減弱29%，導致二者的切割速度分別降低26.6%，和15.4%。

這表明，為減少精加工余量，而降低表面粗糙度，將大大降低粗加工的切割效率，得不償失。隨著脈沖間隔的進一步增大，兩種工作介質下的加工表面粗糙度均有大幅度降低，表明極間放電充分，排屑順暢，表面加工質量得到改善；此時極間放電短路率降低，但單位時間內放電能量減弱較多，切割速度有明顯降低。整體而言，采用混粉工作液比采用常規工作液加工的工件切割速度均有所提高，表面粗糙度均有所降低。這說明SiC納米微粒的加入，有效增大了極間放電間隙，改善了極間放電條件，降低了短路率，有利于切割速度的提高和表面加工質量的改善。

4 結論

（1）在脈沖寬度為45μs，脈沖間隔為6倍，峰值電流為25A的最優切割加工條件下，采用SiC納米混粉工作液（混粉濃度0.3g∕L）比采用常規工作液加工的工件切割速度提高21.16%，加工表面粗糙度降低15.05%。

（2）增大放電能量時，采用混粉工作液加工與采用常規工作液加工效果相比較，前者的工件切割速度均高于后者；前者的加工表面粗糙度均低于后者。

（3）極間SiC納米微粒使電場畸變，在電場力作用下，將單個脈沖放電通道拓展為多個，形成分散的放電點，改善了工件的加工表面質量。同時，SiC作為半導體材料，降低了工作介質的電阻率，使工作液的絕緣強度降低，增大了極間擊穿間隙，提高了工件的切割速度。