1　概述

　　由于電火花線切割加工（WEDM,Wire-EDM）具有不受加工材料硬度的影響，沒(méi)有加工應(yīng)力，加工精度高并能加工復(fù)雜形狀工件及可以進(jìn)行無(wú)人操作加工等優(yōu)點(diǎn)，因此，線切割加工被認(rèn)為是當(dāng)前一種主要的金屬加工方法。
　　在慢走絲線切割加工過(guò)程中，與電源相聯(lián)的電極絲通過(guò)放電產(chǎn)生的能量撞擊工件表面來(lái)對(duì)工件進(jìn)行切削。工件必須是導(dǎo)體，為防止加工過(guò)程中短路狀態(tài)發(fā)生，電極絲與工件之間必須有絕緣工作液流過(guò)，這樣才能有合適的條件來(lái)產(chǎn)生放電，通常這種絕緣液體采用去離子水。它具有成本低、不易著火、便于安全生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
　　在相同的脈沖能量下，在水中進(jìn)行放電切割能夠提高加工生產(chǎn)率。減小電極絲損耗和改善被加工工件的表面質(zhì)量、但是，當(dāng)所采用的脈沖電源加在放電間隙上的空載脈沖電壓含有直流分量時(shí)，水中進(jìn)行電火花線切割便會(huì)產(chǎn)生電解銹蝕放電狀態(tài)，如電極絲及工件表面上會(huì)觀察到水電解和陽(yáng)極金屬原子溶解現(xiàn)象。這就導(dǎo)致被加工工件表面的電蝕過(guò)程失控，表面精度受損；增加了工件表面的銹蝕或氧化，減弱工件的機(jī)械強(qiáng)度。另外，水電解產(chǎn)生的氫氣及氧氣組成了“爆炸性”氣體混合物，在火花放電時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸，使加工工件表面產(chǎn)生缺陷，損壞電極絲，使固定電極移動(dòng)，降低了加工精度。

2　慢走絲電火花線切割過(guò)程中電解銹蝕放電狀態(tài)的分析

　　在線切割加工過(guò)程中，電解銹蝕放電狀態(tài)十分普遍。這種令人頭痛的放電狀態(tài)主要與流過(guò)工作液的電流有關(guān),如圖1和圖2所示。在圖1中電極絲與脈沖電源負(fù)極相連，工件電極即陽(yáng)極與脈沖電源正極相連。圖2(a)和圖2(b)顯示出線切割過(guò)程中放電狀態(tài)的機(jī)理波形。圖中給出加在正負(fù)電極上隨時(shí)間變化的電壓V及在加工間隙中流過(guò)的放電電流I。脈沖電源在每個(gè)周期發(fā)出一個(gè)脈沖電壓，在準(zhǔn)備放電過(guò)程中電壓V達(dá)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(jié)束間隙兩端電壓降V到零伏。同時(shí)，放電過(guò)程中電極間流過(guò)電流為Ie,放電結(jié)束后間隙電流為Ir。

圖1　電解銹蝕放電狀態(tài)示意圖

圖2　線切割過(guò)程中間隙電壓和電流波形圖

　　首先，加工過(guò)程中陽(yáng)極金屬原子溶解是產(chǎn)生電解銹蝕的主要原因。由于水浸漬在電極之間，并且水的電導(dǎo)率很低，一般為幾兆西門(mén)子每厘米到幾十兆西門(mén)子每厘米，于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(yáng)離子和自由電子，如下式所示：

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

　　加工過(guò)程中在電場(chǎng)的作用下，正離子H⁺和負(fù)離子OH^-分別向陰極和陽(yáng)極移動(dòng)，電極絲表面附近，氫離子H⁺得到電子后釋放出氫氣而增加了因放電引起爆炸的危險(xiǎn)。另外，加工時(shí)放電間隙很小，陽(yáng)極離解下的金屬陽(yáng)離子Mⁿ⁺就有很大機(jī)會(huì)與氫氧根離子反應(yīng)生成M(OH)_n沉淀物沉積在工件表面。這樣，工件的機(jī)械強(qiáng)度和表面精度就將受影響。
　　由于加工時(shí)間一般為幾小時(shí)或幾天，而工件經(jīng)常為鋼，因此，電解銹蝕放電產(chǎn)生的陽(yáng)極金屬溶解、陽(yáng)極金屬氫氧化物沉積及加工過(guò)程生成的氫氣被火花引燃爆炸現(xiàn)象都將變得不可容忍。因?yàn)樗�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(jī)械強(qiáng)度,與此同時(shí)，還破壞所有在加工過(guò)程中與水接觸、能夠?qū)щ姷臋C(jī)床各個(gè)部分，如：工作臺(tái)、卡具和導(dǎo)電塊等。加工結(jié)束后，對(duì)被電解銹蝕的金屬工件進(jìn)行精加工根本不可能達(dá)到預(yù)期效果，另外，必須得對(duì)機(jī)床部件進(jìn)行仔細(xì)測(cè)量和附加校正。因此，自電火花加工問(wèn)世以來(lái)，制造商和用戶就努力去尋找控制電解銹蝕放電狀態(tài)的良方妙藥。

3　慢走絲線切割電火花加工控制電解銹蝕放電狀態(tài)的方法

　　在借鑒前人的基礎(chǔ)上，研制了一種慢走絲線切割控制電解銹蝕放電狀態(tài)的電源裝置，如圖3所示。其適用于從粗加工到精加工的不同規(guī)準(zhǔn)加工中。它是在傳統(tǒng)的電火花線切割電源裝置基礎(chǔ)上增添一組控制電解銹蝕放電狀態(tài)系統(tǒng)。作為典型的陽(yáng)極保護(hù)裝置，此系統(tǒng)能夠控制傳統(tǒng)線切割電源裝置中由于電解銹蝕放電產(chǎn)生的工作液電解及陽(yáng)極金屬原子電離等一系列不良現(xiàn)象。在線切割加工回路中工件作為陽(yáng)極，同時(shí)，在電解銹蝕控制電路中。工件又作為陰極來(lái)使用。電解銹蝕控制電路中至少有一個(gè)或多個(gè)電解控制電極，其個(gè)數(shù)由工件的復(fù)雜程度決定。在圖3中，采用兩個(gè)電解控制電極，它們浸在水中或?qū)⑺�不斷地噴灑其上，同時(shí)，控制電壓加在他們和工件之間。工作過(guò)程中，在電解控制回路產(chǎn)生電流Ia和Ie,這兩個(gè)電流用來(lái)抵消加工放電回路漏電流Ia和放電電流Ie產(chǎn)生的電解銹蝕放電。其結(jié)果消除了傳統(tǒng)加工方法中由于電解銹蝕產(chǎn)生的陽(yáng)極金屬溶解和工作液電解現(xiàn)象。

圖3　控制電解銹蝕放電狀態(tài)控制電源示意圖

　　慢走絲線切割控制電解銹蝕放電狀態(tài)電源系統(tǒng)中運(yùn)用功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)作為開(kāi)關(guān)元件。幅值相同的直流電源E和E(100～150V)通過(guò)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(電解銹蝕控制)電極間�？刂破鰿on₁控制M₁、M₂;控制器Con₂控制M₃、M₄,它們輸出的脈沖信號(hào)在相位上互差180°。為了適應(yīng)不同加工材料和加工過(guò)程，控制器Con₁和控制器Con₂對(duì)電極絲和工件間及工件和AE電極間的脈寬和脈間信號(hào)分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。檢測(cè)電路K₁和檢測(cè)電路K₂分別檢測(cè)AE電極和工件及工件和電極絲間的電壓信號(hào)即加工狀態(tài)信號(hào)和控制電解放電狀態(tài)信號(hào)，這兩種信號(hào)在控制器Con₁和控制器Con₂中與事先給定信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后控制M₁、M₂、M₃、M₄為了防止加工過(guò)程中過(guò)電流損壞功率MOSFET,用電流傳感器CK來(lái)檢測(cè)加工過(guò)程的電流信號(hào)，從而也保證了加工過(guò)程的穩(wěn)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(duì)值不超過(guò)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(yáng)離子將沉積到工件表面上，不但達(dá)不到控制電解銹蝕的目的，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銹蝕放電狀態(tài)電源的性能指標(biāo)是：脈寬調(diào)節(jié)范圍從1～100us,脈間調(diào)節(jié)范圍從10～1000us,最小占空系數(shù)為0.1%;放電峰值電流為50A,放電峰值電壓從100～150V之間可調(diào)。為了限制實(shí)際的金屬腐蝕，采用具有高耐腐蝕能力的金屬作為AE電極材料，如：不銹鋼、鈦、石墨和表面涂有防腐層的物質(zhì)如鉑等。

4　結(jié)論

　　本文討論了慢走絲線切割加工過(guò)程中電解銹蝕放電狀態(tài)的基本原理，研制了控制電解銹蝕放電狀態(tài)的電源裝置來(lái)控制加工過(guò)程電解銹蝕放電狀態(tài)此電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。性能價(jià)格比高，對(duì)加工速度無(wú)影響，其具有在工件上流有雙向電流的特點(diǎn)，這是通過(guò)在傳統(tǒng)加工電源中添加另一套輔助系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。工作過(guò)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(guò)程中的電壓波形見(jiàn)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;下部分為控制電解銹蝕放電狀態(tài)的電壓波形，其脈寬為4us,脈間為20us；可以看出，控制電解銹蝕電路流過(guò)很小的控制電流，因?yàn)閺钠潆妷翰ㄐ紊峡梢钥闯黾s有20V的壓降。此控制電解銹蝕放電狀態(tài)電源裝置較好地完成了對(duì)電解銹蝕的控制。工件的表面精度和機(jī)械強(qiáng)度與傳統(tǒng)加工方法相比提高了很多�？傊�，作為一種新的制造方法，控制電解銹蝕放電狀態(tài)電源裝置在高精度線切割加工中將起到重要作用，其應(yīng)用范疇將更加廣泛。

圖4　正常加工時(shí)放電間隙電壓和控制電解銹蝕電壓波形