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3.2 电极丝与工作液

3.2.1 电极丝

1.电极丝材料

由于高速走丝电火花线切割在加工过程中具有走丝速度快、往复运动等工艺特点,因此电极丝材料必须具备良好的导电性、较低的电子逸出功、良好的耐电蚀性能和较大的抗拉强度等。

电极丝材料不同,线切割加工的速度也不同。到目前为止,比较适合制作电极丝的材料主要有钼丝、钨钼合金丝、纯铜丝、黄铜丝等。为了提高切割性能,也有专用的各种电极丝,如内为黄铜丝、外镀熔点较低的锌或锌合金,允许较大的峰值电流,在火花放电时产生较大的汽化爆炸力,可达到较高的切割速度。

数控高速走丝电火花线切割加工的电极丝需要反复使用,它的热物理特性对加工工艺指标有重要的影响作用。电极丝应具有良好的耐蚀性,以利于提高加工精度;应具有良好的导电性,以利于提高电路效率;应具有较高的熔点,以利于大电流加工;应具有较高的抗拉强度和良好的直线性,以利于提高使用寿命。

电极丝材料应根据材料性能、加工对象和加工方法等综合因素来考虑。常用电极丝材料的性能及选用见表3-1。

表3-1 常用电极丝材料的性能及选用

2.电极丝直径

电极丝直径的选择应根据加工和工艺要求、切缝宽窄、工件厚度和拐角尺寸大小来选择。首先,在加工要求允许的情况下,应尽量选择直径较大的电极丝。因为直径大,则抗拉强度大、能承载的电流大、能采用较强的电规准进行加工,从而提高加工效率。同时,电极丝直径大会导致切缝宽、放电产物排除条件好、能提高电源的脉冲利用率。但是,大直径电极丝难以加工出内尖角工件,加工精度降低;反之,如果电极丝直径过小,则抗拉强度低、易断丝、放电产物排除条件差、易经常出现加工过程不稳定现象,导致加工效率降低。

常用电极丝的直径有 ϕ 0.12mm、 ϕ 0.14mm、 ϕ 0.18mm和 ϕ 0.2mm。电极丝直径与拐角极限和工件厚度的关系如第4章中表4-2所列。加工带尖角、窄缝的小型模具零件宜选用较细的电极丝,可以使加工精度相应提高;若加工大厚度工件或大电流切割时应选较粗的电极丝,可以提高加工效率。表3-2为几种直径规格钼丝的最小拉断力,可供在工程实践中参考使用。

表3-2 几种直径规格钼丝的最小拉断力

3.电极丝走丝速度

对于高速线切割加工,在一定范围内,提高走丝速度有利于把工作液带入割缝,冲走电蚀物,保持加工的稳定。对于厚件,提高走丝速度有利于减少电极丝在加工区停留的时间,减少电极丝的损耗。但走丝速度过高将使电极丝的振动加剧,降低切割精度,使表面质量变差,易断丝。高速走丝线切割的走丝速度以小于10m/s为宜。相对于快走丝,慢走丝线切割电极丝张力均匀,振动小,加工稳定,表面质量较好。

3.2.2 工作液

1.工作液的作用和要求

在电火花线切割加工中,工作液是脉冲放电的介质,对切割速度、表面粗糙度、加工精度等加工工艺指标的影响很大。高速走丝电火花线切割机床使用的工作液是专用乳化液,市场上供应的乳化液有多种,各有特点,有的适于精加工,有的适于大厚度切割,也有的是在原来工作液中添加某些化学成分来提高其切割速度或增加防锈能力等。无论哪种工作液都应具有下列性能:

(1)一定的绝缘性能 火花放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行。工作液的绝缘性能可使击穿后的放电通道压缩,局限在较小的通道半径内火花放电,形成瞬时局部高温,熔化、汽化金属。放电结束后又迅速恢复放电间隙成为绝缘状态。

普通自来水的绝缘性能较差,其电阻率仅为1×10 3 ~1×10 4 Ω·cm,加上电压后容易产生电解作用而不能火花放电。加入矿物油、皂化钾等后制成的乳化液,电阻率为1×10 4 ~1×10 5 Ω·cm,适合于电火花线切割加工。煤油的绝缘性能较高,其电阻率大于1×10 6 Ω·cm,同样电压之下较难击穿放电,放电间隙偏小,生产率低,只有在特殊精加工时才采用。

(2)较好的洗涤性能 所谓洗涤性能,是指液体有较小的表面张力、对工件有较大的亲和附着力、能渗透进入窄缝中,且有一定去除油污能力的性能。洗涤性能好的工作液,切割时排屑效果好、切割速度高,切割后表面光亮清洁,割缝中没有油污黏糊。洗涤性能不好的工作液则相反,有时切割下来的料芯被油污糊状物粘住,不易取下来,切割表面也不易清洗干净。

(3)较好的冷却性能 在放电过程中,放电点局部瞬时温度极高,尤其是大电流加工时表现更加突出。为防止电极丝烧断和避免工件表面局部退火,必须充分冷却,要求工作液具有较好的吸热、传热、散热性能。

(4)对环境无污染,对人体无危害 在加工中工作液不应产生有害气体;不应对操作人员的皮肤、呼吸道产生刺激等反应,不应锈蚀工件、夹具和机床。

此外,工作液还应配制方便、使用寿命长、乳化充分,冲制后油水不分离,长时间储存也不应有沉淀或变质现象。

2.工作液的配制

根据电火花线切割机床的类型和加工对象,选择适合的工作液的种类、浓度及导电率。对高速走丝线切割加工,一般常选用质量分数为10%左右的乳化液,此时可达到较高的线切割速度。常用的方法是将自来水冲入乳化油,搅拌后使工作液充分乳化成均匀的乳白色。天冷(在0℃以下)时可先用少量开水冲入拌匀,再加冷水搅拌。

新配制的工作液,当加工电流约为2A时,其切割速度约为40mm 2 /min,若每天工作8h,使用约2天以后效果最好,继续使用8~10天后,工作液中混入切割加工产物、污物,工作液变脏,使得其消电离性能变差,容易导致加工过程中发生二次放电,对加工不利,且易断丝,须更换新的工作液。加工时供液一定要适当,既不能流量过大也不能过小,要调整到使工作液刚好包住电极丝,这样才能使工作液顺利进入加工区,达到稳定加工的效果。

3.工作液参数选择

(1)工作液的电阻率 工作液的电阻率根据工件材料确定。对于表面在加工时容易形成绝缘膜的铝、钼、结合剂烧结的金刚石,受电腐蚀易使表面氧化的硬质合金和表面容易产生气孔的工件材料,需提高工作液的电阻率。不同工件材料适用的工作液电阻率见表3-3。

表3-3 不同工件材料适用的工作液电阻率

(2)工作液喷嘴(头)的流量和压力 工作液喷嘴(头)的流量和压力大,冷却排屑的条件好,有利于提高切割速度和加工表面的垂直度,但是在精加工时,要减小工作液喷嘴(头)的流量或压力,以减少电极丝的振动。

4.工作液的处理

目前国内外常用的处理方法有超滤法、化学破乳+气浮法、电气浮法等。

(1)超滤法 超滤法的原理是利用孔隙较大的半透膜,采用交叉流动的方式,在一定的压差和湍流流动的情况下,废水中大部分极性分子能通过半透膜,而所有非极性分子(如胶体微粒)和相对分子质量较大的物质则不能通过半透膜而被截留,从而使废水得到净化。采用超滤法处理乳化液废水的优点是操作稳定,能够保证出水的矿物油浓度低于10mg/L,油水分离过程不需要化学药剂,系统本身不产生污泥,可回收的废油浓度较高,设备紧凑,占地小,维护管理方便,可有效地解决日益产生的乳化液废水污染问题,而且废水量相对较小。普遍认为,超滤法的缺点是一次性投资大。

超滤法也有其一定的适应性,不是所有的乳化液废水都能用超滤法处理,特别是皂化度较高、分子链较长的乳化液含油废水,若采用超滤法工艺,皂化油或乳化油将会堵塞超滤膜表面,使超滤无法进行下去。

综上所述,选用超滤法工艺处理乳化液废水,必须根据乳化液废水的性质,选用合适材质和孔隙率的超滤膜,在试验的基础上合理组合工艺,才能达到满意的处理效果。

(2)化学破乳+气浮法 由于乳化液废水中乳化油液滴表面带负电荷,双电层起稳定作用,化学破乳法就是在废水中加入化学药剂,降低双电层的电势,压缩双电层,使之聚结,并加入絮凝剂,使小油珠凝结成较大的油滴,然后将其从水中分离。

化学破乳法包括:投加絮凝剂,投加酸,投加盐类物质并加热乳化液,投加盐类物质并电解,投加酸和有机分散剂,投加有机脂类物质和混凝剂等。

采用化学破乳+气浮法处理乳化液废水,其优点是一次性投资较省,另外化学破乳+气浮法还可以解决不能被超滤装置处理的高乳化度乳化液废水,只要有合适的破乳药剂,化学破乳法就能适应较广的处理范围。化学破乳+气浮法的主要缺点在于破乳药剂的选择性和适用性限制。多数破乳药剂对应一种或几种乳化液,当工艺线上更换乳化液时,废水处理选用的破乳药剂也需要更换,这就增加了操作管理的难度和运行的费用。另外,化学破乳+气浮法工艺的设备组成较多,运行管理工作量较大。

(3)电气浮法 电气浮法的实质是将含有电解质的混有油或乳化液废水作为可电解的介质,通过正负电极导以电流进行电解,产生三种效应,即电解氧化(或还原)、电解混凝以及电气浮。当以可溶性极板,如可氧化的铁、铝极板作为阳极板时,三种效应会同时出现;而以产气为主要目的的电气浮,则应以不溶性的惰性材料,如石墨、不锈钢、镀铂钦板及敷以二氧化铅(PbO 2 )沉积表面的钦阳极作为阳极板。

电气浮法能够有效地利用电解液中的氧化还原反应,以及由此产生的初生态微小气泡的上浮作用来处理含油乳化液废水。这种方法不仅能使废水中的微细悬浮颗粒和乳化油与气泡粘附而浮出,而且可将水中的一些金属离子形成不溶性的氢氧化物从水中分离,以及使某些可溶性有机物附着在这些氢氧化物沉淀上一起分离,从而使污水得到净化。此法曾在我国某些炼油厂试验过,极板采用“碳-碳”材料,原水中含乳化油300mg/L,投加聚合铝15mg/L,电压10V,气浮时间控制在10~15min,除油效果在98%以上。 5cyL/6p4IpjHQnijXxBZFo6xbdvgY5GDkLMN8j3JFPAH9kBcpYLMHsdWiGnS9Nid

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