慢走絲線切割電解鏽蝕放電狀態的分析和控制

1　概述

　　由於電火花線切割加工（WEDM,Wire-EDM）具有不受加工材料硬度的影響，沒有加工應力，加工精度高並能加工複雜形狀工件及可以進行無人操作加工等優點，因此，線切割加工被認為是當前一種主要的金屬加工方法。　 　在慢走絲線切割加工過程中，與電源相聯的電極絲通過放電產生的能量撞擊工件表面來對工件進行切削。工件必須是導體，為防止加工過程中短路狀態發生，電極 絲與工件之間必須有絕緣工作液流過，這樣才能有合適的條件來產生放電，通常這種絕緣液體採用去離子水。它具有成本低、不易著火、便於安全生產的優點。　 　在相同的脈衝能量下，在水中進行放電切割能夠提高加工生產率。減小電極絲損耗和改善被加工工件的表面質量、但是，當所採用的脈衝電源加在放電間隙上的空 載脈衝電壓含有直流分量時，水中進行電火花線切割便會產生電解鏽蝕放電狀態，如電極絲及工件表面上會觀察到水電解和陽極金屬原子溶解現象。這就導致被加工 工件表面的電蝕過程失控，表面精度受損；增加了工件表面的鏽蝕或氧化，減弱工件的機械強度。另外，水電解產生的氫氣及氧氣組成了「爆炸性」氣體混合物，在 火花放電時會發生爆炸，使加工工件表面產生缺陷，損壞電極絲，使固定電極移動，降低了加工精度。

2　慢走絲電火花線切割過程中電解鏽蝕放電狀態的分析

　 　在線切割加工過程中，電解鏽蝕放電狀態十分普遍。這種令人頭痛的放電狀態主要與流過工作液的電流有關,如圖1和圖2所示。在圖1中電極絲與脈衝電源負極 相連，工件電極即陽極與脈衝電源正極相連。圖2(a)和圖2(b)顯示出線切割過程中放電狀態的機理波形。圖中給出加在正負電極上隨時間變化的電壓V及在 加工間隙中流過的放電電流I。脈衝電源在每個周期發出一個脈衝電壓，在準備放電過程中電壓V達到電壓峰值Va,而放電瞬間間隙兩端電壓降到放電間隙電壓 Ve。隨著放電的結束間隙兩端電壓降V到零伏。同時，放電過程中電極間流過電流為Ie,放電結束後間隙電流為Ir。

　 　首先，加工過程中陽極金屬原子溶解是產生電解鏽蝕的主要原因。由於水浸漬在電極之間，並且水的電導率很低，一般為幾兆西門子每厘米到幾十兆西門子每厘 米，於是間隙電壓在其間便形成「漏電流」Ia。在漏電流I作用下工件表面溶解的金屬原子電離釋放出金屬陽離子和自由電子，如下式所示：

　其次，水電解也能夠加快電解鏽蝕的速度。雖然水是一種弱電解質，但它能夠分解出正離子H+和負離子OH-,如下式所示：

　　加工 過程中在電場的作用下，正離子H+和負離子OH-分別向陰極和陽極移動，電極絲表面附近，氫離子H+得到電子後釋放出氫氣而增加了因放電引起爆炸的危險。 另外，加工時放電間隙很小，陽極離解下的金屬陽離子Mn+就有很大機會與氫氧根離子反應生成M(OH)n沉澱物沉積在工件表面。這樣，工件的機械強度和表 面精度就將受影響。

　　由於加工時間一般為幾小時或幾天，而工件經常為鋼，因此，電解鏽蝕放電產生的陽極金屬溶解、陽極金屬氫氧化物沉積及 加工過程生成的氫氣被火花引燃爆炸現象都將變得不可容忍。因為它不僅破壞加工金屬表面精度，改變金屬表面幾何形狀，減弱工件的機械強度,與此同時，還破壞 所有在加工過程中與水接觸、能夠導電的機床各個部分，如：工作台、卡具和導電塊等。加工結束後，對被電解鏽蝕的金屬工件進行精加工根本不可能達到預期效 果，另外，必須得對機床部件進行仔細測量和附加校正。因此，自電火花加工問世以來，製造商和用戶就努力去尋找控制電解鏽蝕放電狀態的良方妙藥。

3　慢走絲線切割電火花加工控制電解鏽蝕放電狀態的方法

　 　在借鑒前人的基礎上，研製了一種慢走絲線切割控制電解鏽蝕放電狀態的電源裝置，如圖3所示。其適用於從粗加工到精加工的不同規准加工中。它是在傳統的電 火花線切割電源裝置基礎上增添一組控制電解鏽蝕放電狀態系統。作為典型的陽極保護裝置，此系統能夠控制傳統線切割電源裝置中由於電解鏽蝕放電產生的工作液 電解及陽極金屬原子電離等一系列不良現象。在線切割加工迴路中工件作為陽極，同時，在電解鏽蝕控制電路中。工件又作為陰極來使用。電解鏽蝕控制電路中至少 有一個或多個電解控制電極，其個數由工件的複雜程度決定。在圖3中，採用兩個電解控制電極，它們浸在水中或將水不斷地噴洒其上，同時，控制電壓加在他們和 工件之間。工作過程中，在電解控制迴路產生電流Ia和Ie,這兩個電流用來抵消加工放電迴路漏電流Ia和放電電流Ie產生的電解鏽蝕放電。其結果消除了傳 統加工方法中由於電解鏽蝕產生的陽極金屬溶解和工作液電解現象。

慢 走絲線切割控制電解鏽蝕放電狀態電源系統中運用功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效應管)作為開關元件。幅值相同的直流電源E和 E(100～150V)通過功率MOSFET M1、M2、M3、M4和限流電阻R1、R2、R3、R4將工作電壓直接加到電極絲、工件和AE(電解鏽蝕控制)電極間。控制器Con1控制M1、M2; 控制器Con2控制M3、M4,它們輸出的脈衝信號在相位上互差180°。為了適應不同加工材料和加工過程，控制器Con1和控制器Con2對電極絲和工 件間及工件和AE電極間的脈寬和脈間信號分別進行調節。

檢測電路K1和檢測電路K2分別檢測AE電極和工件及工件和電極絲間的電壓信號即加工狀態信號和控制電解放電狀態信號，這兩種信號在控制器Con1 和控制器Con2中與事先給定信號進行運算後控制M1、M2、M3、M4為了防止加工過程中過電流損壞功率MOSFET,用電流感測器CK來檢測加工過程 的電流信號，從而也保證了加工過程的穩定。在此電路中R1、R2阻值是R3、R4的3～4倍，這樣，使電流Ia和Ie的絕對值不超過漏電流Ia和放電電流 Ie。不然的話，從AE電極上溶解的金屬陽離子將沉積到工件表面上，不但達不到控制電解鏽蝕的目的，反而影響了工件的表面粗糙度和表面精度。

　 　慢走絲線切割控制電解鏽蝕放電狀態電源的性能指標是：脈寬調節範圍從1～100us,脈間調節範圍從10～1000us,最小占空係數為0.1%;放電 峰值電流為50A,放電峰值電壓從100～150V之間可調。為了限制實際的金屬腐蝕，採用具有高耐腐蝕能力的金屬作為AE電極材料，如：不鏽鋼、鈦、石 墨和表面塗有防腐層的物質如鉑等。

4　結論

　　本文討論了慢走絲線切割加工過程中電解鏽蝕放電狀態的基本原理，研製了控制電 解鏽蝕放電狀態的電源裝置來控制加工過程電解鏽蝕放電狀態此電源結構簡單。性能價格比高，對加工速度無影響，其具有在工件上流有雙向電流的特點，這是通過 在傳統加工電源中添加另一套輔助系統來實現的。工作過程中，控制電解電流比正常加工電流小，因此能夠獲得好的加工效果。其工作過程中的電壓波形見圖4。上 部分為WEDM正常放電的間隙電壓波形，脈寬為8us,脈間為15us;下部分為控制電解鏽蝕放電狀態的電壓波形，其脈寬為4us,脈間為20us；可以 看出，控制電解鏽蝕電路流過很小的控制電流，因為從其電壓波形上可以看出約有20V的壓降。此控制電解鏽蝕放電狀態電源裝置較好地完成了對電解鏽蝕的控 制。工件的表面精度和機械強度與傳統加工方法相比提高了很多。總之，作為一種新的製造方法，控制電解鏽蝕放電狀態電源裝置在高精度線切割加工中將起到重要 作用，其應用範疇將更加廣泛。

——立式加工中心篇2013-05-14 06:48:03

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