CN110052675B - 一种电火花加工放电介质及制备方法及表面改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电火花加工放电介质,属于电火花加工领域，所述的放电介质包括纳米流体和第一基液，纳米流体包括纳米粒子，所述的纳米粒子为导体和/或半导体材料；能够使得纳米粒子分散在其中的第二基液，所述的第二基液其能够单独作为电火花加工放电介质；分散稳定剂，所述的分散稳定剂对纳米粒子进行表面修饰以使得放电介质中有带有负电荷的胶团，本发明还公开了该放电介质的制备方法以及通过该放电介质对工件进行切割时同时进行改性的改性方法。

Description

一种电火花加工放电介质及制备方法及表面改性方法

技术领域

本发明涉及电火花切割领域。

背景技术

电火花线切割加工是在一定工作介质中，利用连续移动电极丝对工件进行脉冲放电时的电腐蚀现象切割成形的，可加工任何硬度、强度、脆性的导电材料，在模具和复杂的零件加工得到广泛的运用。电火花脉冲放电时，放电通道中产生大量的热，使电极表面的金属瞬时熔化和气化，一部分被抛离凹坑形成电蚀产物，另一部分重凝在工件表面形成厚度不均匀、具有微裂纹和残余拉应力的“白层”。为获得光整表面及良好的表面性能，现有技术中常采用研磨、抛光等机械或手工抛光，这种处理方法不仅降低加工效率、增大劳动强度，同时抛光处理后的材料表层精度也难以控制。

与常规电火花加工相比，混粉电火花加工技术能改善加工质量，但它是将粒径为微米级的粉末直接添加到工作液中，现有的微米级流体在加工的时候，颗粒表面不带有电荷，在电场的作用以及后续的熔化后，只是随机的分布在加工件的表面，因此，在工件进行切割的时候，难以通过微米级流体对加工件进行表面改性。

纳米流体是指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质，这是纳米技术应用于热能工程这一传统领域的创新性的研究，但是纳米流体应用到电火花线切割加工及改性的工作介质中现有技术中还没有相关记载。

发明内容

本发明的目的在于：公开了一种电火花加工放电介质及该放电介质的制备方法，所述的放电介质采用纳米流体作为原料，所述的纳米流体在放电介质中形成均匀的负电胶团，在脉冲电源下在对工件切割的同时能够进行表面改性处理。

本发明公开的放电介质包括：

其包括纳米流体和第一基液，纳米流体分散在第一基液当中以形成均匀的放电介质，所述的纳米流体包括：

纳米粒子，所述的纳米粒子为导体和/或半导体材料；

能够使得纳米粒子分散在其中的第二基液；

分散稳定剂，所述的分散稳定剂对纳米粒子进行表面修饰以能够在放电介质中形成均匀分布的带负电胶团。

为了使得放电介质中形成均匀的负电胶团以能够对工件表面进行改性，在制备纳米流体的时候，纳米粒子通过添加分散剂、表面活性剂等分散稳定剂来进行修饰，经过本发明修饰的纳米颗粒能够在放电介质中形成带同种电荷的胶团，该胶团带同种的负电荷，并且胶团大小使得其能够悬浮在基液当中，由于胶团均带负电荷，由于电荷的斥力，胶团之间一方面能够防止胶团之间聚集，另一方面，相互斥力也能够使得胶团之间做无规则的热运动，防止胶团之间的进一步聚结。在外部没有施加电场的作用下，纳米流体中的颗粒均匀分布，不会产生聚结，不需要外部的搅拌就能够保证介质的均匀，不需要安装搅拌装置，加工设备更加的简单，投资成本低。均匀的纳米流体介质不会造成短路、堵塞、排泄困难等现象，并且由于胶团在放电介质均匀分布，通过控制电场强度、时间等外部参数来控制进入到工件表面的颗粒的量，进一步能够控制以对工件表面进行改性处理。

在一个优选的方案中，所述的纳米粒子的尺寸范围为30nm-50nm，其能够满足充分的分散要求，使得放电介质中带有均匀的负电胶团。

在一个优选的方案中，所述的纳米粒子为铝，硅、石墨，SiC的一种或几种。

在一个优选的方案中，所述的分散稳定剂为分散剂或表面活性剂，所述的分散剂为羧甲基纤维素钠、蒙脱土的一种或两种。

在一个优选的方案中，第二基液为离子水，煤油的一种或两种，第一基液为乳化液或去离子水。

本发明还公开了上述放电介质的制备方法，

该制备制备方法包括：

1)将分散稳定剂溶解于第二基液当中；

2)将纳米粒子和溶解于分散稳定剂的第二基液混合，并使得纳米粒子与第二基液形成悬浮液以对纳米粒子进行表面修饰；

3)加入防沉淀稳定剂，搅拌，调节PH值为7-9；

4)加入分散稳定剂，搅拌，振动，得到纳米流体；

5)将纳米流体与第一基液混合，搅拌形成所述的放电介质，在放电介质中形成均匀的负电胶团。

在一个优选的方案中，在步骤二中，在温度40℃下，机械搅拌30分钟，搅拌转速为680r/min，使得纳米粒子与第二基液形成悬浮液，所述的第一基液为乳化液，所述的第二基液为去离子水。

在一个优选的方案中，振动采用超声波清洗仪。

在一个优选的方案中，超声波清洗仪工作频率为50Hz，功率80W，在温度40℃下超声振动20分钟。

在一个优选的方案中，在步骤3中，用KOH调节PH值为8。

在更优选的方案中，分散剂稳定剂可选用羧甲基纤维素钠、蒙脱土、十二烷基苯磺酸钠。

作为改进，所述的步骤二的物理方法为：在温度40℃下，机械搅拌30分钟，搅拌转速为680r/min。

作为改进，所述的步骤五中超声波清洗仪工作频率为50Hz，功率80W，在温度40℃下超声振动20分钟。

作为改进，所述的步骤四的PH值为8，以使得胶团带有负电荷

在一个具体的实施例当中，本发明的放电介质能够被用于电火花切割加工及表面改性处理，被用于工件的表面改性和线切割的时候，供液方式可采用采用双工作液箱式，其中粗加工采用常规工作介质，精加工采用本发明所述的放电介质，本发明所述的双工作液箱式供液方式是指公告号为CN 205254285 U，公告日为2016年5月25日，专利权人为：四川理工学院(现四川轻化工大学)的中国实用新型专利文献公开的供液方式，上述专利文献的全文内容被引用于此。

在另一个具体的实施例当中，在使用本发明公开的放电介质进行工件的表面改性和线切割的时候，本发明放电介质的供液方式也采用丝带式供液方式，本发明所述的丝带式供液方式是指公告号为CN 206169428 U，公告日为2017年5月17日，专利权人为：四川理工学院(现四川轻化工大学)的中国实用新型专利文献公开的供液方式，上述专利文献的全文内容被引用于此。

在一个具体的实施例当中，本发明公开了一种使用电火花切割工件的时候同时进行表面改性方法，其可以按照现有的设备进行切割，该改性方法能够通过放电介质对工件表面进行可控的改性处理，同时防止了工作介质不均带来的短路、堵塞等问题。

本发明公开的表面改性方法如下：

1)提供本发明所述的放电介质；

2)将放电介质引入到工件加工放电间隙中；

3)在放电间隙中，无电场作用下，负电胶团由于相互斥力均匀的分布在放电介质中；

4)脉冲电源施加外电场，以使得带负电胶团在电场的作用下作定向泳动，迁移到正极的工件表面，形成纳米粒子富集区域；

5)放电介质被脉冲电流击穿放电，迁移到正极表面的纳米粒子被熔化以对工件表面进行改性。

本发明的放电介质被带入放电间隙中，由于纳米粒子被表面修饰进而放电介质中有均匀的负电荷胶团，在无电场作用下，负电荷胶团均匀分布，之后施加外电场，在电场作用下，带负电胶团作定向泳动，迁移到正极的工件表面，形成纳米粒子富集区域；进一步的，当放电介质被击穿放电，电极表面金属瞬时熔化、气化，负电胶团扩散、迁移到工件表面，与工件表面熔接、粘接等以对工件表面进行改性。

本发明的放电介质为纳米流体放电介质，为了使得放电介质中能够均匀的带有负电荷胶团，在一个改进的方案中，该放电介质包括纳米流体和第一基液，纳米流体包括第二基液、纳米粒子和分散稳定剂，分散稳定剂对纳米粒子进行表面修饰以使得放电介质中有均匀分布的负电胶团。分散稳定剂可以为分散剂、表面活性剂、防沉淀稳定剂，具体也可以采用多种分散稳定剂的结合，在一个具体的方案中，同时添加分散剂、表面活性剂和防沉淀稳定剂，其中分散剂为羧甲基纤维素钠，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠，防沉降稳定剂为蒙脱土。

在本发明切割改性的时候，放电介质供液方法通过丝带式供液方式、上下喷液式供液方式或双工作液箱供液方式将纳米流体放电介质引入到工件加工间隙中。

在一个优选的实施例当中，在脉冲电流下，迁移到正极表面的负电胶团与工件表面熔接、粘接、沉积和表面高温冶炼合金化，发生原位自生反应，形成冶金结合型的牢固强化层以提高工件的表面性能。

在一个优选的实施例当中，纳米流体按照重量份包括去离子水98份、SiC纳米颗粒0.8份、分散剂羧甲基纤维素钠0.6份，表面活性剂十二烷基苯磺酸钠1.2份，防沉降稳定剂蒙脱土0.4份。作为更进一步的优选，所述的放电介质中SiC纳米颗粒粒径50nm。

本发明还公开了一种放电介质的制备方法，该放电介质用于本发明所述的工件表面改性，按照该方法制备的纳米流体中的纳米粒子被表面修饰，纳米粒子在放电介质中形成稳定的带有负电荷的胶团，同时胶团之间由于斥力的存在能够在纳米流体中均匀分布，进一步为对工件表面的可控的改性提供了可能。

在进一步的一个实施例当中，采用本发明的放电介质用于线切割时候工件的表面改性，在该实施例当中，采用丝带式的供液方式，在该供液方式下，纳米流体放电介质被带入极间，在放电间隙中，在没有施加外电场的情况下，放电介质中的纳米颗粒由于被修饰，胶团带有均匀的负电荷，胶团之间能够产生相互斥力，由于该斥力的作用，胶团之间不会相互聚结，同时由于胶团之间的斥力，带电胶团也能够做无规则的热运动而进一步防止其聚结，所以胶团能够在放电介质中均匀分布。在施加外电场，在电场作用下，带负电胶团在电场的作用下作定向泳动，迁移到正极的工件表面，形成纳米粒子富集区域；放电介质被击穿放电，电极表面金属瞬时熔化、气化，纳米粒子扩散、迁移到工件表面，与工件表面熔接、粘接、沉积和表面高温冶炼合金化，发生原位自生反应，形成冶金结合型的牢固强化层，以对工件表面进行改性。同时，由于本发明纳米流体放电介质的均匀性，能够有效的控制迁移到工件表面的粒子量，进一步对工件的表面改性进行控制。

附图说明

图1是无电场作用时放电介质示意图；

图2是脉冲电源施加电场时放电介质的示意图；

图3本发明的工艺流程图；

图4是切割的试件；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

实施例1：放电介质的制备

纳米流体按照重量份包括去离子水98份、SiC纳米颗粒0.8份、分散剂羧甲基纤维素钠0.6份，表面活性剂十二烷基苯磺酸钠1.2份，防沉降稳定剂蒙脱土0.4份，SiC纳米颗粒粒径50nm，纳米流体放电介质的制备方法如下：

步骤一、在去离子水加入分散剂羧甲基纤维素钠和十二烷基苯磺酸钠，在温度40℃下，机械搅拌30分钟，搅拌转速为600r/min，使其充分溶解；

步骤二、加入碳化硅纳米颗粒，在温度40℃下，机械搅拌30分钟，搅拌转速为680r/min，获得碳化硅纳米悬浮液；

步骤三、将防沉降稳定剂蒙脱土加入步骤二溶液中，在温度40℃下，机械搅拌30分钟，搅拌转速为650r/min；

步骤四、用KOH调节溶液pH值为8.0；

步骤五、加入十二烷基苯磺酸钠，在温度40℃下，机械搅拌30分钟，搅拌转速为650r/min，形成悬浮液；

步骤六，将悬浮液置于超声波清洗仪中，频率为50Hz，功率80W，在温度40℃下超声振动20分钟，得到稳定的SiC纳米流体；

步骤七，将步骤六后的SiC纳米流体溶液以1:30的比例稀释到去离子水或乳化液中，机械搅拌10分钟，可获得SiC纳米粒子带负电荷的电火花线切割放电介质。

本实施例公开的放电介质分散性好，通过表面修饰，在放电介质中形成带电胶团，在脉冲电源施加的外电场的情况下能够定向泳动，迁移到工件表面，并在放电介质被击穿的情况下能够熔化并在工件表面反应进而对工件进行表面改性，以提高表面性能。进一步的，本发明的放电介质即使不搅拌的情况下，也能够保证放电介质的均匀性，进而也能够防止短路、堵塞，并且放电介质的均匀性也对加工改性的可控性创造了条件，使得能够控制加工表面改性的区域和程度。本发明经过修饰的纳米流体放电介质自身能够保证均匀性，不需要额外的装置来进行搅拌等，结构简单、操作方面、设备投资低。纳米粒子在经过修饰之后的放电介质还具有复杂的双电层结构，胶粒带有极性电荷，并且胶粒的电荷均匀稳定，可被控制，在电场的作用下，能够控制胶粒的迁移，进而能够控制胶粒的聚集程度，进一步控制工件的表面加工。

实施例2：工件的表面改性处理

本实施例采用实施例1的放电介质，如图1所示，在无电场作用时，形成均匀分布带有负电胶团的放电介质；在有电场的作用下，如图2所示，带电胶团颗团具有向相反极性的电极定向泳动的特点，带负电胶团在电场的作用下作定向泳动，迁移到正极的工件表面，形成纳米颗粒组成的富集区域。

当极间放电介质在脉冲电源下被击穿放电时，电能在放电通道瞬间释放，极间的瞬时高温使工件表面金属瞬时熔化、气化，工件表面聚集有适量的导体或/和半导体颗粒扩散、迁移到工件表面，与工件表面熔接、粘接、沉积和表面高温冶炼合金化，发生原位自生反应，形成冶金结合型的牢固强化层，有利于提高加工表面的致密度、力学性能和表面粗糙度等，电火花线切割放电形状加工的同时能完成加工表面的按需调控改性。

在本发明中采用经过表面修饰的纳米流体作为原料制备放电介质，针对每个工件的特性，工艺参数等，改变纳米流体的分散相、粒径、表面活性剂和电极丝的丝速等工艺参数，在用电极丝切割的同时可以根据工件的需求对工件进行表面改性，使得工件的耐磨性、耐腐蚀性性能得到相应的提高，在操作切割过程的时候，就可以使得工件的相应性能达到要求，不需要抛光操作，节约了工序和操作成本。

实施例3：在本实施例当中，使用实施例1中过的放电介质，对厚度为10mm的SKH-51材料HS-WEDM多次切割实验，结果如图4所示。

其中1号试件为48mlSiC纳米流体加入到1500ml去离子水制备的放电介质进行切割后的试件，供液方式采用本发明所述的丝带液式；

加工2号试件的放电介质为乳化液，供液方式采用本发明所述的丝带液式；

加工3号试件的放电介质为48mlSiC纳米流体加入到1500ml乳化液中，供液方式采用本发明所述的丝带液式；

加工4号试件的放电介质为乳化液，采用常规的上下供液式；

从图2中可以观察出，1号试件的加工表面光泽度好，上下条纹不明显，4号试件加工表面效果最差，上下条纹明显。3号试件的加工表面光泽度好，2号试件的加工表面效果低于1号试件和3号试件。

Claims (8)

1.一种电火花工件加工表面改性方法，其特征在于，该方法包括：

1）提供放电介质，所述的放电介质包括纳米流体和第一基液，纳米流体分散在第一基液当中以形成均匀的放电介质，所述的纳米流体包括纳米粒子、第二基液、分散稳定剂，所述的纳米粒子为导体和/或半导体材料，所述的纳米粒子分散在第二基液当中，所述的分散稳定剂对纳米粒子进行表面修饰以能够在放电介质中形成均匀分布的带负电胶团；

2）将放电介质引入到工件加工放电间隙中；

3）在放电间隙中，无电场作用下，负电胶团均匀的分布在放电介质中；

4）脉冲电源施加外电场，负电胶团在电场的作用下作定向泳动，迁移到正极的工件表面，在工件表面形成纳米粒子富集区域；

5）放电介质被脉冲电流击穿放电，迁移到正极表面的胶团被熔化以对工件表面进行改性。

2.根据权利要求1所述的电火花工件加工表面改性方法，其特征在于，通过丝带式供液方式、上下喷液式供液方式或双工作液箱供液方式将放电介质引入到工件加工放电间隙中。

3.根据权利要求1-2任一项所述的电火花工件加工表面改性方法，其特征在于，迁移到正极表面的纳米粒子与工件表面熔接、粘接、沉积和表面高温冶炼合金化，发生原位自生反应，形成冶金结合型的牢固强化层。

4.根据权利要求1所述的电火花工件加工表面改性方法，其特征在于，所述的纳米粒子的尺寸范围为30nm-50nm，所述的纳米粒子为铝、硅、石墨、SiC的一种或几种。

5.根据权利要求4所述的电火花工件加工表面改性方法，其特征在于，所述的分散稳定剂为分散剂或表面活性剂，所述的分散剂为羧甲基纤维素钠、蒙脱土的一种或两种。

6.根据权利要求5所述的电火花工件加工表面改性方法，其特征在于，第二基液为离子水、煤油的一种或两种，第一基液为乳化液或去离子水。

7.根据权利要求6所述的电火花工件加工表面改性方法，其特征在于，所述的纳米流体按照重量份包括去离子水98份、SiC纳米颗粒0.8份、分散剂羧甲基纤维素钠0.6份、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠1.2份、防沉降稳定剂蒙脱土0.4份，所述的第一基液为乳化液。

8.根据权利要求4-7任一项所述的电火花工件加工表面改性方法，其特征在于，所述放电介质制备方法包括：

1）将分散稳定剂溶解于第二基液当中；

2）将纳米粒子和溶解有分散稳定剂的第二基液混合，并使得纳米粒子与第二基液形成悬浮液以对纳米粒子进行表面修饰；

3）加入防沉淀稳定剂，搅拌，调节PH值为7-9；

4）加入分散稳定剂，搅拌，振动，得到纳米流体；

5）将纳米流体与第一基液混合，搅拌形成所述的放电介质。

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