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 近年来,机械加工技术日新月异,线切割电火花加工作为一种特种精密机械加工技术也得到了迅速发展。特别是慢走丝线切割加工,已成为模具制造与机械加工行业提高加工效率和品质的一种必不可少的加工方法。

    电极丝技术的发展及应用

    线切割技术的发展,离不开电极丝技术的同步发展。现在国际上流行的慢走丝机床设计理念就是根据电极丝性能进行设计,而电极丝技术的突破往往又会带动线切割机设计的革新。从最初使用的无氧铜丝切割到现在的复合线切割,慢走丝切割的发展经历了从低效率、低品质到高效率、高品质、自动化、专业化生产的漫长历程。

    中国的线切割技术从最早的快走丝、中走丝加工到现已普遍应用的慢走丝加工,是在逐步引进吸收国外先进技术的基础上发展起来的。自上世纪七八十年代镀锌电极丝发明以来,市场上先后出现了普通黄铜电极丝、镀锌电极丝、钼丝、钨丝、复合丝(里层为钢丝,外表为铜等)等各种各样的电极丝。

    真正的慢走丝技术进入中国是在上世纪90年代初,而最早使用慢走丝加工的厂家是珠三角地区的几家外商独资企业,由于当时中国的有色金属加工技术还不成熟,所使用的原材料依赖进口,故在二十世纪之前慢走丝加工在中国的发展一直很缓慢。

    2000年之后,随着中国冶炼、机械加工技术的发展,电极丝才呈现出逐渐加速发展之势,特别是中国加入WTO后,国外进口的电极丝类型也越来越多,令广大使用者眼花缭乱,难以选择。而正确选用电极丝又是提高加工品质、发挥机床效率、减少人力成本的关键。

    当前,西方发达国家的电火花加工已逐渐向高速度、高品质方向发展,但中国仍处于较低的发展水平。尽管最近几年中国引进的切割机床(包括国产的慢走丝切割设备)中,也逐渐加入了除普通黄铜电极丝外的其他类型电极丝的使用参数,但使用者仍经常使用普通黄铜电极丝进行加工,导致机床效率难以更好发挥。

    还有不少使用者在引进高性能线切割机时,由于缺乏对选择电极丝重要性的认识,不管什么机型或加工状况,都把价廉的普通黄铜电极丝作为唯一选择。

    随着使用者技能的不断提升和慢走丝切割技术在机械加工行业的逐渐普及,人们发现,使用镀锌电极丝等复合电极丝的机床能发挥出更高的效率,加工出来的工件精度也更高。2000年后,越来越多的使用者开始尝试使用高性能的黄铜丝、镀锌电极丝等复合电极丝,并逐渐认识到不同加工条件下选用不同类型的电极丝会收到更好的效果。不仅“电极丝就是黄铜做的”这一认识误区被打破,中国国内也开始出现了能够独立研发、生产电极丝的企业。

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 图1:精密加工成型的零件

    电极丝的特性

    一种新技术的引进,要经过模仿、吸收、消化、创新这一过程,从最初的H65普通黄铜(65%的铜,35%的锌),到现在应用越来越多的H63、H62等含锌量更高的黄铜,人们认识到在切割过程中真正起作用的是锌。因为普通黄铜中铜的熔点是1083.5℃,锌的沸点也仅有907℃。

    在切割过程中,由于高温放电作用,切割线会在瞬间达到2000℃以上高温,气化后的锌会把切割中放电产生的能量带到切割金属的表面,并改善冲洗效果,同时锌气化所产生的气压还会把放电产生的蚀物吹走。这一理论研究显示,电极线中锌含量越高,切割效果就越好。

    但从有色金属加工学来讲,当锌的比例超过40%后,电极丝的α单相结晶组织将变成α和β双相结晶组织,此时材料会变得太脆而不适合加工成直径很小的细丝。普通黄铜电极丝在普遍追求高效率切割的今天受到了加工工艺方面的制约,从而催生出拥有其他特殊性能的电极丝。

    据当前国内外技术研究总结,电极丝材料必须具备以下特性:

    1.机械特性

    在电火花放电加工过程中,电极丝须能承受一定的拉力和因放电引起的冲击力。如果材料强度太低或者断裂韧性太低,会造成电极丝抖动,最终导致切割工件表面不光滑,甚至会引起多道切割线痕。特别是对于一些难加工的金属工件,切割时施加的张力(组成电极丝材料的强度)越大,越容易切割。另外,材质强度还有助于电极丝恢复直度,拥有一定延伸性的电极丝材料对切割有斜度的工件也会比较有益。

    2.气化特性

    在加工过程中,放电产生的热量是不断增加的,如果热量不能够通过其他介质及时释放,熔点再高的电极丝也会被烧断,因此组成电极丝的材料必须能将这些热量带出。

    3.物理特性

    电极丝的物理特性是提高切割效率的关键,通常是指电极丝的熔点。这主要由电极丝材料的基础成份配比及芯材的组成金属性质决定。因为电极丝在切割时的抖动会产生瞬间的短路效应,这时,切割过程会减慢,如此时电极丝未因放电烧蚀而与切割金属间产生间隙,切割废屑便不会被冲水带出,这时电极丝就会烧断。

    4.几何特性

    这里所说的几何特性通常是指尺寸精度和尺寸稳定性。电极丝的外径直接决定了切割工件的表面尺寸精度,当前电极丝机床的设计也要求电极丝拥有较小的外形几何误差。而电极丝的最后尺寸精度只能由拉丝模具的尺寸精度来保证,当今世界的切割机床还不具备根据电极丝外径来自动调节切割精度的功能,如果尺寸精度不稳定,最后的切割精度也不稳定。

    5.电气特性

    电火花加工靠瞬间的放电腐蚀切割金属,瞬间放电间隙越短,切割的金属表面光洁度越高,因此电极丝必须具备能够承受瞬间高脉冲电流和大切割电流的能力。

    电极丝的分类

    现在市场上流行的电极丝都是上述五种特性的有机组合,也会加入其他一些特别明显的性能,如高强度、强延伸性等。根据不同的使用条件及加工状况,电极丝可分为如下几种:

    1.普通黄铜电极丝

    这种电极丝是铜锌二元合金,因受锌含量制约,其切割速度提升有限,一般被现在的国内普通用户使用,掉铜粉、断线是使用该电极丝过程中的常见现象。

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  图2:黄铜丝

    2.镀锌电极丝

    芯材为普通黄铜,外面镀一层锌,由于锌在切割过程中的气化作用,这种电极丝的放电会比较稳定,切割表面比普通黄铜丝光滑。国际上比较成熟的制造国家主要分布在欧洲,目前国内也有个别厂家能够生产,掉粉是该电极丝在使用过程中的常见问题。

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  图3:镀锌丝

    3.速度型镀层电极丝

    芯材为普通黄铜,镀层为铜锌合金,镀层比普通镀锌电极丝略厚。这种镀层电极丝较普通镀锌电极丝的切割速度要快,适合于高效率加工,目前这种电极丝只能在国外生产,中国尚处在开发阶段。

    4.扩散退火型电极丝

    研究发现,表面有均匀小坑洞的电极丝会改善电极丝的放电冲洗效果,基于此,产生了这种表面多孔结构的电极丝。扩散退火型电极丝芯材为无氧铜,并通过扩散退火在外包一层铜锌合金(铜和锌的比例为1:1),由于芯材为无氧铜,表层是采用扩散退火形成的多孔结构,故这种电极丝的冲洗效果优于常规电极丝。但无氧铜自身的抗拉强度较低,以其为芯材制成的电极丝强度也很低,只有500MPa,目前这种电极丝只适合于特殊机床的特殊加工。

    5.钢芯电极丝

    芯材为钢丝,表层镀纯铜再镀黄铜,也有直接镀黄铜的,因为这种电极丝芯材为钢,故在高温下这种电极丝的强度大大高于以上四种电极丝,特别适合于困难条件下的加工,如超厚、大斜度、多层、冲水不良、石墨、单晶硅等难加工物质。

    6.精细型电极丝

    一般的电极丝直径最小为0.07mm,对于有小α角要求的精细加工,α角的直径要求达到0.02-0.10mm,这时就须选用钨或者钼来制造超细的电极丝,但因为钨或者钼属于稀有金属且加工难度较大,经常采用下述的钢琴丝来代替。

    7.钢琴电极丝

    这种电极丝因为芯材为制造钢琴用的高碳钢,所以又叫钢琴丝。钢琴电极丝芯材为高碳钢,表层镀黄铜,也有再镀锌的。高碳钢价格较低,所以这种电极丝经常代替上述的精细型电极丝。高碳钢丝经多道次的加工及热处理,强度可与钨丝或钼丝相当。

    电极丝的断线问题

    现阶段,中国精密模具与机械精密制造加工还是一个新兴行业,很多新技术的使用仍处在尝试阶段。上述第三、四、五、六、七种电极丝在中国的实际使用还很少,经常使用的电极丝只有黄铜丝和镀锌电极丝两种,下面针对这两种电极丝在使用过程中经常出现的断线问题做一分析。

    1.对断线的误解

    在使用电极丝的过程中,用户或切割师傅会误以为断线是因为电极丝强度低而被拉断的,其实断线的真正原因不是电极丝强度低,而是韧性不足。

    现在市场上大量出现的抗拉强度只有450MPa的电极丝,是不是因为强度低而被经常拉断呢?实际情况并非如此。如前所述,慢走丝电火花切割的实质是靠放电腐蚀来切割金属,放电时在电极丝表面形成放电腐蚀坑洞是电极丝在切割时断线的根本原因。

    从操作层面上来讲,拉伸强度越高越好,因为强度越高的电极丝直度会越好,也越容易穿丝,但如果从操作层面来提高拉伸强度,则会导致放电性能下降。现在也有一些电极丝生产企业在开发既有高抗拉强度、同时放电性能也并不受损的电极丝。

    2.断线的本质

    从断裂力学的角度看,断裂是在裂纹源扩展到一定程度后产生的。放电时,电极丝表面会因放电腐蚀作用形成许多坑洞,电极丝也会同时受到电火花或者排屑的冲击,切割过程中几个受力最小的小坑洞会因断裂韧性不足而发生断裂,即断线。

    3.电极丝放电加工过程中冲水的作用

    水在电火花加工过程中的作用很重要,慢走丝机床通常所用的易损材料有树脂、过滤器、电极丝等,而树脂和过滤器主要是用来清洁和过滤在机床上往复循环利用的水,以保证电极丝的气化特性不被降低。

    放电过程中形成的小坑与很多因素有关,最重要的因素就是冲水,冲水的效果直接影响了电极丝与工件之间间隙的气化特性。当然,冲水还可轻易地把电腐蚀产生的废屑排走,并带走放电过程中产生的热量。

    4.廉价电极丝问题

    现阶段我国使用的电极丝,95%以上由含铜 60~65%的普通黄铜制作,而我国又是一个铜资源严重匮乏的国家。随着最近两年铜价的日渐攀升,国内个别制造企业开始选用回收废杂铜来生产电极丝母线,而这些废杂铜中往往含有铁、镍、锡、铅等降低电极丝性能的有害杂质。

    因目前中国精炼铜工艺水准不高,难以清除这些杂质,造成生产出来的电极丝内部组织结构不均匀,从而降低了电极丝的韧性及最终使用性能,成为引起断线的罪魁祸首。这不仅会降低加工效率,还会影响切割工件的加工品质甚至损坏机床。而一般的用户又检测不到这些杂质元素的存在,在实际操作中,往往通过降低切割速度来减少断线,有的用户甚至还归因于机床性能变化或切割师傅的技术不高。

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 图4:普通切割线生产工艺间图

    结语

    综上所述,在选择使用电极丝时,首先要从机型着手,看机型适合什么类型的电极丝;其次要考虑加工工况,如加工材料硬度、表面品质要求、加工零件精度要求以及机床所选用配套耗材的品质状况等,当然还要考虑水质的好坏;再次要考虑机床设备是否经常满负荷运行;最后还要考虑各种不同电极丝的性能差异。

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