SiC纳米介质电火花线切割高速低损加工研究*

马秀丽 滕凯 孙涛 张磊

（①徐州机电技师学院，江苏 徐州 221131；②徐州工程学院，江苏 徐州 221018）

高速走丝电火花线切割作为一种非接触式的电火花特种加工技术，被广泛应用于工程机械、装备制造和航空航天等领域。为了进一步提高线切割加工的切割速度和表面质量，相继进行了气体、水雾和混粉工作液等不同介质的脉冲火花放电试验与研究。王彤等[1−4]分别在工作液、气体与水雾等介质中进行了电火花放电对比研究。研究发现，气体、水雾介质较工作液介质中的加工表面粗糙度、尺寸精度和形位公差均有所提高，但也存在电火花放电间隙小，排屑困难，加工不稳定的情况。张威等[5]在常规介质中添加了质量浓度为10 g/L 的TiC粉末，研究发现，混粉介质较常规介质电火花加工表面更加平整，裂纹减少，表面质量和表面硬度均得到提高。白雪等[6]发现当混粉介质被击穿时，均匀分布在电场中的SiC颗粒，迅速串联、扩展，在两极之间形成多条放电通道，能够增大放电间隙，减小短路率，提高加工稳定性。

目前，混粉电火花加工研究主要集中在电火花成型加工领域，针对电火花线切割的研究较少。尤其在高速走丝电火花线切割加工研究方面，未见有基于纳米级混粉工作液介质的线切割高速低损加工研究。为此，采用SiC纳米混粉工作液作为介质进行电火花线切割试验研究。利用SiC纳米微粒，降低极间绝缘性，增大放电间隙，拓展放电通道，分散放电点，以此提高电火花线切割加工的切割速度和表面质量，并降低电极丝损耗。

1 试验条件与方法

1.1 试验装置

线切割双介质供液系统集成了常规和纳米介质两个供液系统。如图1b所示，常规介质供液系统的水基工作液由喷液板12的常规供液入口6进入，通过喷嘴器11的通液孔7流入喷嘴螺母8与喷嘴器11之间的储液腔，最后从两者之间的缝隙（常规供液出口10）喷出。常规供液系统的供液量大，喷液压力低，对电极丝3的扰动较小。纳米介质供液系统的混粉工作液由供液导管2的混粉供液入口1进入，通过导丝器5与喷嘴器11相连通的储液腔，从喷嘴器11的混粉供液出口9喷出。纳米介质供液系统的喷液压力较高，工作液直接径向作用于电极丝3上，导致电极丝振动加剧。为此，该系统设计了导模4来降低电极丝的振动。

图1 线切割双介质供液系统

1.2 试验条件

试验所用机床为DK7763D高速走丝电火花线切割机床；电极丝为钼丝，直径0.18 mm；试验件材料为Cr12MoV模具钢，板材厚度20 mm。常规介质为BM-01水基工作液，与水的配比为1∶10。纳米介质为在常规介质中加入SiC纳米微粉，制备成混粉悬浮工作液；SiC粒径50 nm，密度3.2 g/cm3，比表面积60 m2/g，浓度0.1～0.9 g/L；抗沉降稳定剂为蒙脱土K10（Bentonite clay K-10），浓度0.3～0.5 g/L；分散剂为羧甲基纤维素钠(CMC)，浓度0.5～0.7 g/L。线切割具体加工工艺参数见表1。

表1 线切割工艺参数

2 试验结果与讨论

2.1 工作介质对电火花线切割加工的影响

由图2可知，在其他加工条件不变的情况下，随着混粉浓度的升高，电火花线切割加工的切割速度逐步提高，表面粗糙度逐步降低。当混粉浓度为0.3 g/L时，切割速度达到最大值120 mm2/min，较常规工作液提高了22.16%；表面粗糙度降低到最小值8.07 μm，较常规工作液降低了15.05%。随着混粉浓度的继续增高，切割速度先明显降低，后又趋于缓和；表面粗糙度则变化较小，仅略有增大。分析认为，放电间隙中充满的SiC纳米微粒，将放电介质中的单一放电通道扩展为多个火花通道，使得到达电极的脉冲能量在空间上被分割，电极表面放电点增多[7]。同时，随着半导体微粒的加入，极间隔离减小，电场强度增大，当相邻两微粒之间的电场强度达到临界电场强度时，迅速在两极间扩展、串联，形成放电时间更短，蚀除面更分散的放电通道，有利于放电间隙的增大和放电稳定性的提高[7−10]。但当混粉浓度过高时，放电加工短路率增高，电弧放电增多，导致切割速度、表面加工质量有所降低。

图2 混粉浓度对切割加工的影响

图3a为常规介质电火花极间放电示意图。由图可知，电极丝与工件之间充满均匀的液体工作介质，当两极之间施以电压，便产生了均匀电场。随着电极丝的进给运动，极间间隙变小，电场强度逐步加强，此时正、负带电粒子在电场力作用下雪崩式碰撞电离，致使介质中的电流迅速增大，从而击穿液体介质，瞬间形成仿垂体状的等离子放电通道。

图3b为纳米介质电火花极间放电示意图。与常规介质不同，纳米介质中混有分散相SiC微粒，微粒在电场中被极化而产生的电场与外电场叠加，使得极间均匀电场畸变。在介质击穿过程中，通道扩张压力远大于自生磁场的约束力和运动阻力，等离子体沿径向向外运动，使放电通道迅速扩张[7]。由于电子质量比正离子质量小、加速度大，放电通道在阳极拓展明显大于与阴极，整个放电通道成喇叭口状。又由于放电间隙的增大，致使单位面积上的放电能量大大减弱，提高了工件表面加工质量。

图3 电火花极间放电示意图

如图4a所示，在小脉冲间隔，大峰值电流切割条件下，常规工作液单个脉冲放电形成的放电凹坑大，加工表面重铸凸台高，存在明显的蚀除材料冷却再黏连情况[9−11]，容易造成拉弧放电、短路等情况，降低了切割速度和加工表面质量。由图4b可见，混粉工作液较常规工作液的加工表面要平整的多，单个脉冲放电被SiC纳米微粒分散，形成若干个均匀的小放电凹坑，重铸层也较薄，基本不存在明显的凸台，表面加工质量大大提升。另外，加工表面的冷缩微孔洞多且均匀，表明极间冷却效果好，放电较充分，有利于切割速度的提升。

图4 不同工作介质的蚀除微观表面

研究发现，线切割极间放电通道形成后，便以差动方式进行移动（见图3）。蚀除面的长度约为走丝速度与脉冲宽度乘积的一半。通过对比两种介质的电蚀表面发现，纳米介质较常规介质的蚀除面长度明显加大，这表明纳米介质的放电通道的拓展更快、更大。

2.2 工作介质对电极丝损耗的影响

图5为纳米介质与常规介质电极丝初始火花放电电蚀表面微观图。由图中可以看出，纳米介质放电痕轮廓清晰，蚀除面平整，没有明显的灼伤。常规介质放电痕轮廓较模糊，蚀除面不平整，电蚀表面有灼伤，存在明显的蚀除材料冷却再黏连情况。

图5 不同介质电极丝初始电蚀表面

分析认为，放电间隙的增大，极间放电条件的改善，放电通道的扩大可有效降低电极丝的损耗。在电火花放电绝缘间隙不变的条件下，导电微粉的混入，无疑增大了极间的实际放电间隙，降低了瞬间放电合力对电极丝的轰击力。SiC纳米微粒削弱了电蚀产物对脉冲放电的引发作用，使得放电分布于整个加工表面，单位面积上瞬间放电合力小，放电通道扩展快，蚀除表面较平整[12]。此外，纳米微粒比表面积大、吸附性强，有利于增加电极丝拖拽能力，增强极间的导热能力，改善极间的放电条件，有效降低了电极丝的损耗。试验研究发现，在Cr12MoV模具钢105mm2（切割截面积）的切割量下，纳米介质的电极丝损耗为1.21 μm（直径减小），较常规介质降低21.87%。

3 结语

（1）在脉冲宽度45 μs，脉冲间隔200 μs，峰值电流25 A，混粉浓度0.3 g/L的加工条件下，SiC纳米介质较常规介质的切割速度提高22.16%，表面粗糙度降低15.05%，电极丝损耗降低21.87%。

（2）SiC纳米微粒使极间的电场畸变，在电场力作用下，将单个脉冲放电通道拓展为多个，放电点分散，改善了加工表面质量，降低了电极丝损耗。

（3）SiC纳米微粒降低了工作介质的电阻率，使工作介质的绝缘强度降低，极间的击穿间隙增大，有利于工件切割速度的提高。