研究预防阳极金属溶解和工作液电解的方法

1　概述

　　由于电火花线切割加工（WEDM,Wire-EDM）具有不受加工材料硬度的影响，没有加工应力，加工精度高并能加工复杂形状工件及可以进行无人操作加工等优点，因此，线切割加工被认为是当前一种主要的金属加工方法。
　　在慢走丝线切割加工过程中，与电源相联的电极丝通过放电产生的能量撞击工件表面来对工件进行切削。工件必须是导体，为防止加工过程中短路状态发生，电极丝与工件之间必须有绝缘工作液流过，这样才能有合适的条件来产生放电，通常这种绝缘液体采用去离子水。它具有成本低、不易着火、便于安全生产的优点。
　　在相同的脉冲能量下，在水中进行放电切割能够提高加工生产率。减小电极丝损耗和改善被加工工件的表面质量、但是，当所采用的脉冲电源加在放电间隙上的空载脉冲电压含有直流分量时，水中进行电火花线切割便会产生电解锈蚀放电状态，如电极丝及工件表面上会观察到水电解和阳极金属原子溶解现象。这就导致被加工工件表面的电蚀过程失控，表面精度受损；增加了工件表面的锈蚀或氧化，减弱工件的机械强度。另外，水电解产生的氢气及氧气组成了“爆炸性”气体混合物，在火花放电时会发生爆炸，使加工工件表面产生缺陷，损坏电极丝，使固定电极移动，降低了加工精度。

2　慢走丝电火花线切割过程中电解锈蚀放电状态的分析

　　在线切割加工过程中，电解锈蚀放电状态十分普遍。这种令人头痛的放电状态主要与流过工作液的电流有关,如图1和图2所示。在图1中电极丝与脉冲电源负极相连，工件电极即阳极与脉冲电源正极相连。图2（a）和图2（b）显示出线切割过程中放电状态的机理波形。图中给出加在正负电极上随时间变化的电压V及在加工间隙中流过的放电电流I。脉冲电源在每个周期发出一个脉冲电压，在准备放电过程中电压V达到电压峰值Va,而放电瞬间间隙两端电压降到放电间隙电压Ve。随着放电的结束间隙两端电压降V到零伏。同时，放电过程中电极间流过电流为Ie,放电结束后间隙电流为Ir。

图1　电解锈蚀放电状态示意图

图2　线切割过程中间隙电压和电流波形图

　　首先，加工过程中阳极金属原子溶解是产生电解锈蚀的主要原因。由于水浸渍在电极之间，并且水的电导率很低，一般为几兆西门子每厘米到几十兆西门子每厘米，于是间隙电压在其间便形成“漏电流”Ia。在漏电流I作用下工件表面溶解的金属原子电离释放出金属阳离子和自由电子，如下式所示：

　　其次，水电解也能够加快电解锈蚀的速度。虽然水是一种弱电解质，但它能够分解出正离子H⁺和负离子OH^-,如下式所示：

　　加工过程中在电场的作用下，正离子H⁺和负离子OH^-分别向阴极和阳极移动，电极丝表面附近，氢离子H⁺得到电子后释放出氢气而增加了因放电引起爆炸的危险。另外，加工时放电间隙很小，阳极离解下的金属阳离子Mⁿ⁺就有很大机会与氢氧根离子反应生成M（OH）_{n#p#分页标题#e#}沉淀物沉积在工件表面。这样，工件的机械强度和表面精度就将受影响。
　　由于加工时间一般为几小时或几天，而工件经常为钢，因此，电解锈蚀放电产生的阳极金属溶解、阳极金属氢氧化物沉积及加工过程生成的氢气被火花引燃爆炸现象都将变得不可容忍。因为它不仅破坏加工金属表面精度，改变金属表面几何形状，减弱工件的机械强度,与此同时，还破坏所有在加工过程中与水接触、能够导电的机床各个部分，如：工作台、卡具和导电块等。加工结束后，对被电解锈蚀的金属工件进行精加工根本不可能达到预期效果，另外，必须得对机床部件进行仔细测量和附加校正。因此，自电火花加工问世以来，制造商和用户就努力去寻找控制电解锈蚀放电状态的良方妙药。

3　慢走丝线切割电火花加工控制电解锈蚀放电状态的方法

　　在借鉴前人的基础上，研制了一种慢走丝线切割控制电解锈蚀放电状态的电源装置，如图3所示。其适用于从粗加工到精加工的不同规准加工中。它是在传统的电火花线切割电源装置基础上增添一组控制电解锈蚀放电状态系统。作为典型的阳极保护装置，此系统能够控制传统线切割电源装置中由于电解锈蚀放电产生的工作液电解及阳极金属原子电离等一系列不良现象。在线切割加工回路中工件作为阳极，同时，在电解锈蚀控制电路中。工件又作为阴极来使用。电解锈蚀控制电路中至少有一个或多个电解控制电极，其个数由工件的复杂程度决定。在图3中，采用两个电解控制电极，它们浸在水中或将水不断地喷洒其上，同时，控制电压加在他们和工件之间。工作过程中，在电解控制回路产生电流Ia和Ie,这两个电流用来抵消加工放电回路漏电流Ia和放电电流Ie产生的电解锈蚀放电。其结果消除了传统加工方法中由于电解锈蚀产生的阳极金属溶解和工作液电解现象。

图3　控制电解锈蚀放电状态控制电源示意图

　　慢走丝线切割控制电解锈蚀放电状态电源系统中运用功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）作为开关元件。幅值相同的直流电源E和E（100～150V）通过功率MOSFET M₁、M₂、M₃、M₄和限流电阻R₁、R₂、R₃、R₄将工作电压直接加到电极丝、工件和AE（电解锈蚀控制）电极间。控制器Con₁控制M₁、M₂;控制器Con₂控制M₃、M₄,它们输出的脉冲信号在相位上互差180°。为了适应不同加工材料和加工过程，控制器Con₁和控制器Con₂对电极丝和工件间及工件和AE电极间的脉宽和脉间信号分别进行调节。检测电路K₁和检测电路K₂分别检测AE电极和工件及工件和电极丝间的电压信号即加工状态信号和控制电解放电状态信号，这两种信号在控制器Con₁和控制器Con₂中与事先给定信号进行运算后控制M₁、M₂、M₃、M₄为了防止加工过程中过电流损坏功率MOSFET,用电流传感器CK来检测加工过程的电流信号，从而也保证了加工过程的稳定。在此电路中R#p#分页标题#e#₁、R₂阻值是R₃、R₄的3～4倍，这样，使电流Ia和Ie的绝对值不超过漏电流Ia和放电电流Ie。不然的话，从AE电极上溶解的金属阳离子将沉积到工件表面上，不但达不到控制电解锈蚀的目的，反而影响了工件的表面粗糙度和表面精度。
　　慢走丝线切割控制电解锈蚀放电状态电源的性能指标是：脉宽调节范围从1～100us,脉间调节范围从10～1000us,最小占空系数为0.1%;放电峰值电流为50A,放电峰值电压从100～150V之间可调。为了限制实际的金属腐蚀，采用具有高耐腐蚀能力的金属作为AE电极材料，如：不锈钢、钛、石墨和表面涂有防腐层的物质如铂等。

4　结论

　　本文讨论了慢走丝线切割加工过程中电解锈蚀放电状态的基本原理，研制了控制电解锈蚀放电状态的电源装置来控制加工过程电解锈蚀放电状态此电源结构简单。性能价格比高，对加工速度无影响，其具有在工件上流有双向电流的特点，这是通过在传统加工电源中添加另一套辅助系统来实现的。工作过程中，控制电解电流比正常加工电流小，因此能够获得好的加工效果。其工作过程中的电压波形见图4。上部分为WEDM正常放电的间隙电压波形，脉宽为8us,脉间为15us;下部分为控制电解锈蚀放电状态的电压波形，其脉宽为4us,脉间为20us；可以看出，控制电解锈蚀电路流过很小的控制电流，因为从其电压波形上可以看出约有20V的压降。此控制电解锈蚀放电状态电源装置较好地完成了对电解锈蚀的控制。工件的表面精度和机械强度与传统加工方法相比提高了很多。总之，作为一种新的制造方法，控制电解锈蚀放电状态电源装置在高精度线切割加工中将起到重要作用，其应用范畴将更加广泛。

图4　正常加工时放电间隙电压和控制电解锈蚀电压波形