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行無人操作加工等優(yōu)點，因此，線切割加工被認為是當(dāng)前一種主要的金屬加工方法。

　　在慢走絲線切割加工過程中，與電源相聯(lián)的電極絲通過放電產(chǎn)生的能量撞擊工件表面來對工件進行切削。工件必須是導(dǎo)體，為防止加工過程中短路狀態(tài)發(fā)生，電極絲與工件之間必須有絕緣工作液流過，這樣才能有合適的條件來產(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。

　　在相同的脈沖能量下，在水中進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，水中進行電火花線切割便會產(chǎn)生電解銹蝕放電狀態(tài)，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(xiàn)象。這就導(dǎo)致被加工工件表面的電蝕過程失控，表面精度受損;增加了工件表面的銹蝕或氧化，減弱工件的機械強度。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，在火花放電時會發(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，降低了加工精度。

　　2　慢走絲電火花線切割過程中電解銹蝕放電狀態(tài)的分析

　　在線切割加工過程中，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極相連，工件電極即陽極與脈沖電源正極相連。圖2(a)和圖2(b)顯示出線切割過程中放電狀態(tài)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。脈沖電源在每個周期發(fā)出一個脈沖電壓，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(jié)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(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　線切割過程中間隙電壓和電流波形圖

　　首先，加工過程中陽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，一般為幾兆西門子每厘米到幾十兆西門子每厘米，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+得到電子后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(yīng)生成M(OH)n沉淀物沉積在工件表面。這樣，工件的機械強度和表面精度就將受影響。

　　由于加工時間一般為幾小時或幾天，而工件經(jīng)常為鋼，因此，電解銹蝕放電產(chǎn)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(xiàn)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?qū)щ姷臋C床各個部分，如：工作臺、卡具和導(dǎo)電塊等。加工結(jié)束后，對被電解銹蝕的金屬工件進行精加工根本不可能達到預(yù)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，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)。作為典型的陽極保護裝置，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極，同時，在電解銹蝕控制電路中。工件又作為陰極來使用。電解銹蝕控制電路中至少有一個或多個電解控制電極，其個數(shù)由工件的復(fù)雜程度決定。在圖3中，采用兩個電解控制電極，它們浸在水中或?qū)⑺粩嗟貒姙⑵渖希瑫r，控制電壓加在他們和工件之間。工作過程中，在電解控制回路產(chǎn)生電流Ia和Ie,這兩個電流用來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)中運用功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管)作為開關(guān)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(電解銹蝕控制)電極間。控制器Con1控制M1、M2;控制器Con2控制M3、M4,它們輸出的脈沖信號在相位上互差180°。為了適應(yīng)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(diào)節(jié)。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(tài)信號和控制電解放電狀態(tài)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后控制M1、M2、M3、M4為了防止加工過程中過電流損壞功率MOSFET,用電流傳感器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(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)的電源裝置來控制加工過程電解銹蝕放電狀態(tài)此電源結(jié)構(gòu)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(tǒng)加工電源中添加另一套輔助系統(tǒng)來實現(xiàn)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。此控制電解銹蝕放電狀態(tài)電源裝置較好地完成了對電解銹蝕的控制。工件的表面精度和機械強度與傳統(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　正常加工時放電間隙電壓和控制電解銹蝕電壓波形