电火花电解复合加工工作液的制备及其对割缝效果的影响

孙永兴，曲 馨，王引真，冯 涛，焦 震

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266580）

油气井出砂已成为疏松砂岩油藏开采中遇到的普遍问题，严重影响了油气藏的正常开发。防砂割缝筛管是石油开采过程中使用的一种有效的防砂工具[1]。目前，国内外常用的筛管加工方法有机械加工和激光加工，但机械加工的割缝表面质量差、较易磨损、使用周期短，激光加工成本高且会出现黏渣及“火柴头”等缺陷。为了解决这些问题，本文采用电火花电解复合加工方法进行割缝研究。电火花电解复合加工具有独特的工艺特性，它是在电解液中发生放电从而在加工间隙中实现电化学溶解及电火花蚀除的复合过程，在该过程中用同类的工作液介质和脉冲电源可实现在一套设备上通过控制系统变更复合的类型来满足不同的加工要求[2]。

复合加工过程中常用的煤油具有更小的放电间隙、更高的击穿阻抗且不会产生锈蚀，但其闪点低、挥发性大、臭味大、安全性差，易引起火灾事故。而传统水基工作液具有成本低、不易燃、不污染环境等优点，但其加工效率低、易锈蚀机床设备。因此，本文选用20号机油、纯净水、司班80、平平加A-20等研制了一种新型电火花电解复合加工水包油型工作液，并研究其对复合加工的影响规律。

1 实验方案

本实验研制了一种新型电火花电解复合加工水包油型工作液，在配制工作液时，选用的原材料为20号机油、纯净水、司班80、平平加A-20等。采用自主研发的电火花电解复合加工设备对试板进行切割实验，试板材料为Q235钢，尺寸为230 mm×170 mm×2 mm，表面经打磨除锈处理。复合加工实验参数如下：脉冲宽度为36μs，脉冲间隔为20μs，电流为30 A，电极盘转速为300 r/min。

实验中，用OCA50型光学接触角测量仪检测溶液的表面张力，用Winner 2000型激光粒度分析仪检测乳化液的颗粒度，用DMi8型荧光倒置显微镜对乳化液进行显微观察，用塞尺测微片测量割缝宽度，用3202型手持式粗糙度仪检测割缝加工的表面粗糙度。实验测得的加工效率为复合加工从开始到结束的电极盘进给量与总用时的比值。

2 基础工作液的配制

在配制工作液的过程中，选用适当的乳化剂，并使其HLB值与所用油相一致，这是配制稳定工作液的关键[3-4]。一般来说，当HLB值约为8～15时易形成水包油型工作液。

2.1 复配乳化剂HLB值的确定

实验选用20号机油。为了确定该机油的HLB值，选取司班80（HLB值为 4.3）与吐温80（HLB值为15）两种HLB值相差较大的乳化剂进行复配。复配乳化剂的HLB值为：

式中：H（AB）为混合表面活性剂的 HLB 值；H（A）、H（B）分别为纯表面活性剂 A、B 的 HLB 值；w（A）、w（B）分别为混合表面活性剂中A、B的质量分数。

实验中，在温度为45℃条件下，采用界面复合物生成法并根据不同复配乳化剂的HLB值配制乳化液。将乳化好的乳液放入恒温槽稳定48小时后观察、记录其状态，如图1所示，1～8号乳化液对应的HLB值分别为8～15。当复配乳化剂的HLB值为8时，所配制的工作液分散均匀、稳定性最好；而随着复配乳化剂的HLB值增加，其他各组出现了分层现象。因此，实验选定复配乳化剂的HLB值为8。

图1 乳化液静置示意图

2.2 乳化条件的正交优化

考虑到温度、纯水量、机油量和乳化液含量对所配制的工作液稳定性的影响，首先进行四因素三水平L9（34）的正交试验研究。根据表1所示正交试验设计条件，以工作液稀释液（质量分数为5%）的表面张力作为工作液的性能评价指标，用极差法对正交试验结果进行分析，结果见表2。可知，当温度为45℃、纯水量为6.2 ml、机油量为4 ml、乳化剂为2.8 g时，配制的基础工作液最佳，其溶液表面张力为27.12 mN/m，符合切削液表面张力≤40 mN/m的标准。所配制的基础工作液的显微照片、粒度分析分别见图2和图3，使用复配乳化剂形成的溶液颗粒度集中于0.46～9.703μm，表明分散及稳定性好。

表1 乳化条件正交试验因素水平表

采用基础工作液的稀释液（质量分数为5%）并添加少量防锈剂，对钢板进行割缝加工实验，割缝加工效率为 5.58×10-3mm/s、缝宽为 0.45 mm、表面粗糙度为Ra2.67μm，其加工过程无飞溅、安全性高。由实验结果可知，自制的水包油型基础工作液安全性提高、表面粗糙度值小，但加工效率偏低。

表2 正交试验结果及分析

图2 基础工作液的显微照片

图3 基础工作液的粒度分析

3 添加剂对工作液的影响

3.1 蔗糖含量

为了提高复合加工的效率，在配制的水包油型基础工作液中加入蔗糖作为爆破剂，有利于增强放电加工中的爆炸能量和排屑能力，但蔗糖含量不易过高。实验以蔗糖稀释7 L后所占的比例分别为0.2%（14 g）、0.4%（28 g）、0.6%（42 g）、0.8%（56 g）的量在水包油型工作液中加入蔗糖，得到的割缝效果见表3。蔗糖含量对加工效率、缝宽及表面粗糙度的影响见图4。

表3 蔗糖含量对复合加工的影响

图4 蔗糖含量对复合加工的影响

由图4a可知，随着蔗糖含量增加，加工效率先增加、后减小。分析原因：蔗糖作为爆炸剂加入，在一定范围内随着蔗糖含量增加，脉冲放电的瞬时爆炸能量也增加，爆破产生的冲击波促进了电蚀产物的排出，也有利于加工屑从加工缝隙中排出，同时降低了二次放电的几率，有效放电次数增加，从而使复合加工效率增加。但当蔗糖含量超过0.4%时，过高的蔗糖含量会造成加工表面电蚀产物粘结，使加工过程中的不正常放电次数增加，阻碍了加工的进行；另一方面，电火花电解复合加工的放电过程是在电极间隙内的气泡中进行的，放电通道的起始点与形成过程都可能在气体介质中发生[5]，随着蔗糖含量增加，加工间隙中爆破产生的冲击力影响甚至阻止了氢气泡聚集形成气泡膜，使复合加工的放电过程被抑制，进而导致加工效率降低。

由图4b可知，随着蔗糖含量增加，割缝宽度先减小、后增大，随后在约0.4 mm处波动。分析原因：蔗糖作为爆炸剂加入，增加了脉冲放电瞬时爆炸的能量，使得单次放电的蚀除量增加，从而增大了缝宽。但蔗糖含量过高会造成加工表面电蚀产物粘结，割缝内部的电蚀产物如不及时排出，会粘附在缝内并抑制单次放电的蚀除量，从而减小缝宽。当蔗糖含量大于0.4%时，由蔗糖引起的蚀除量增加与加工表面电蚀产物引起的蚀除量抑制相当，故再增加蔗糖含量，缝宽也不再增大，而是在约0.4 mm处波动。

由图4c可知，随着蔗糖含量增加，割缝表面粗糙度值先增大、后减小。分析原因：复合加工成形表面是由多个放电凹坑组成的，当加入蔗糖后，脉冲放电能量增加，放电凹坑的深度相对增大，使得成形面的表面粗糙度值增大。随着蔗糖含量继续增加，爆破产生的冲击波使工作液振动加剧，有利于排出加工产物，从而防止间隙中的颗粒链接成小桥而引起拉弧，并减少凹坑的形成，使蚀除凹坑的平均深度与面积增加得相对缓慢。此外，蔗糖含量过高引起的割缝内部电蚀产物粘结可能也对放电凹坑起到了填充作用，从而使表面粗糙度值的增大趋于平缓并有所改善。

综上分析，在本实验条件下，加入0.2%的蔗糖可得到最佳的加工效果。

3.2 电解质含量

在电火花电解复合加工过程中，工作液电导率对加工性能有着重要的影响。电导率过大、电弧放电通道过宽导致电弧能量分散，使电火花蚀除效果降低，但电解加工效率提高，有利于降低工件表面粗糙度值；电导率过小，则电解加工过程会被抑制。为了获得较好的加工效果，控制工作液中的电解质浓度至关重要。适宜的电解质浓度能使工作液在电解过程中产生合适的气泡层与钝化层，在电解加工结束时为火花放电创造理想的条件，从而使复合加工过程能稳定地进行。

一定的电导率范围及合理的NaCl、NaNO3配比可使加工效果最佳[2]。因此，本实验在含有14 g蔗糖的工作液的基础上，溶入不同含量的电解质、添加少量防锈剂、设置NaCl、NaNO3的配比为1∶4进行割缝加工实验，并通过改变工作液中的电解质含量寻找两种电解质的最佳配比，从而研究工作液中的电解质含量对复合加工的影响。实验过程中设置的固定加工参数如下：脉冲宽度为36μs，脉冲间隔为20μs，电流为30 A，电极盘转速为300 r/min。实验配方设计及实验结果见表4。添加不同电解质含量对复合加工效率、缝宽、表面粗糙度的影响见图5。

表4 电解质含量对复合加工的影响

图5 电解质含量对复合加工的影响

由图5a可知，随着电解质含量增加，工作液电导率直线上升，而加工效率逐渐减小。随着工作液电导率继续增加，一方面产生的漏电流加大，有效利用的加工能量降低，电火花放电电弧进一步发散，单次电弧脉冲蚀除母材量降低，导致加工效率降低；另一方面，工作液绝缘性能变差，极间消电离变得困难，导致放电电弧能量密度被削弱，击穿电压降低，极间不能形成放电通道，从而抑制了电火花加工，降低了加工效率。这只是局部气泡击穿，使效率降低，仅起到改善电解反应的效果，此时加工过程可被看作完全的电解加工[6]。此外，随着电解作用增强，电解产物不能及时排出也易导致短路，从而影响加工过程的稳定性，使加工效率降低。

由图5b可知，随着电解质含量增加，加工缝宽先减小、后增大。分析原因：一开始随着电解作用加强，电火花加工作用时间缩短，故缝宽减小；随着电解质含量进一步增加，导电率增大，单次脉冲电弧能量密度不断降低，加工时间变长，电解反应比重加大，割缝内部蚀除量增加，从而增大了缝宽。

由图5c可知，随着电解质含量增加，表面粗糙度值呈减小的趋势。分析原因：由于工作液中存在电解质粒子，放电电流的分布状况受到影响，当电解质浓度较低时，离子作用较弱，放电点集中，局部蚀除量大，使得放电凹坑大、加工均匀性差、表面粗糙度值大；随着电解质含量增加，表面粗糙度值呈减小的趋势，一是因为放电过程中的电解反应对加工表面的不平整处有改善作用；二是随着电解质浓度增加，放电电流在放电区域的均匀性增强，放电蚀除点分散，对应每一个放电蚀除点的能量较低，使得表面粗糙度值降低。

由图 6、图 7 可知，在加入 NaCl、NaNO3后，割缝表面烧损现象显著减小，试板表面几乎无烧损现象，故可知工作液中的电解质含量对试板表面质量有重要影响。在电解质含量较少或无电解质的情况下，以电火花加工为主，但加工间隙中的颗粒链接成“小桥”引起拉弧，易导致凹坑和烧伤痕迹。随着电解质含量增加，电解反应增强，电解产生氢气泡的过程引起工作液振动，促进了反应产物排出，降低了二次异常放电的几率，从而使得异常电弧减少，表面烧损情况得到抑制，表面质量变好[7]。此外，随着电导率增加，工件表面的电解作用加强，这相当于抛光的过程，所以表面质量得到提高[8]。

图6 未加电解质的割缝表面

图7 添加电解质的割缝表面

本实验在含有14 g蔗糖的水包油型工作液中加入1 g NaNO3和0.25 g NaCl进行割缝加工实验，与未加电解质的工作液相比，添加电解质后的加工效率有所降低，但缝宽和表面粗糙度值均有所减小，且试样表面质量有明显改善。因此，在本实验条件下，可得到最佳的加工效果。此外，为了保证工作液的其他指标，实验过程中还添加了有机硅消泡剂、三乙醇胺等添加剂，水包油型工作液的最终配方见表5。分别选用机油和自制的工作液进行割缝加工实验，二者的对比结果见表6。

表5 水包油型工作液最终配方

表6 不同工作液的割缝效果对比

可见，在最优的加工工艺参数下，自制的最优配方的水包油型工作液相比常用机油工作液的加工效率有所提高，表面粗糙度值有所减小，表面质量得到了较好的改善，但缝宽却有所增大。在使用机油进行割缝加工过程中，油面经常因着火而冒出刺鼻黑烟，安全性、清洁性较水包油型工作液差。

4 结论

（1）在本实验条件下，当乳化剂的HLB值为8时，溶液稳定性最好。正交试验优化后，确定温度为45℃、纯水量为6.2 g、机油量为4 g、乳化剂为2.8 g时所配制的水包油型基础工作液最佳。此时溶液的表面张力为27.12 mN/m，溶液颗粒度集中于0.46～9.703μm。

（2）在基础工作液中添加蔗糖，随着蔗糖含量增加，加工效率先增加、后减小，割缝宽度先减小、后增大，随后在约0.4 mm处波动，表面粗糙度值先增加、后减小。在确保“高效、窄缝”的加工前提下，当蔗糖含量为0.2%（14 g）时，加工效果最佳。在蔗糖含量为14 g的水包油型工作液中加入1 g NaNO3和0.25 g NaCl进行割缝加工实验，随着电解质含量增加，加工效率减小，加工缝宽先减小、后增大，表面粗糙度值逐渐降低，试样表面质量明显改善。因此，在本实验条件下，加入1 g NaNO3和0.25 g NaCl可得到最佳的加工效果。

（3）在电火花电解复合加工过程中，自行配制的水包油型工作液相比机油的割缝加工效果来看，加工效率有所提高、表面粗糙度值有所减小、表面质量得到改善，且安全性、清洁性均有提高，但割缝宽度需进一步改善。