近年來(lái)，機(jī)械加工技術(shù)日新月異，線(xiàn)切割電火花加工作為一種特種精密機(jī)械加工技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。特別是慢走絲線(xiàn)切割加工，已成為模具制造與機(jī)械加工行業(yè)提高加工效率和品質(zhì)的一種必不可少的加工方法。
電極絲技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用
線(xiàn)切割技術(shù)的發(fā)展，離不開(kāi)電極絲技術(shù)的同步發(fā)展�，F(xiàn)在國(guó)際上流行的慢走絲機(jī)床設(shè)計(jì)理念就是根據(jù)電極絲性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，而電極絲技術(shù)的突破往往又會(huì)帶動(dòng)線(xiàn)切割機(jī)設(shè)計(jì)的革新。從最初使用的無(wú)氧銅絲切割到現(xiàn)在的復(fù)合線(xiàn)切割，慢走絲切割的發(fā)展經(jīng)歷了從低效率、低品質(zhì)到高效率、高品質(zhì)、自動(dòng)化、專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)的漫長(zhǎng)歷程。
中國(guó)的線(xiàn)切割技術(shù)從最早的快走絲、中走絲加工到現(xiàn)已普遍應(yīng)用的慢走絲加工，是在逐步引進(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。自上世紀(jì)七八十年代鍍鋅電極絲發(fā)明以來(lái)，市場(chǎng)上先后出現(xiàn)了普通黃銅電極絲、鍍鋅電極絲、鉬絲、鎢絲、復(fù)合絲（里層為鋼絲，外表為銅等）等各種各樣的電極絲。
真正的慢走絲技術(shù)進(jìn)入中國(guó)是在上世紀(jì)90年代初，而最早使用慢走絲加工的廠家是珠三角地區(qū)的幾家外商獨(dú)資企業(yè)，由于當(dāng)時(shí)中國(guó)的有色金屬加工技術(shù)還不成熟，所使用的原材料依賴(lài)進(jìn)口，故在二十世紀(jì)之前慢走絲加工在中國(guó)的發(fā)展一直很緩慢。
2000年之后，隨著中國(guó)冶煉、機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，電極絲才呈現(xiàn)出逐漸加速發(fā)展之勢(shì)，特別是中國(guó)加入WTO后，國(guó)外進(jìn)口的電極絲類(lèi)型也越來(lái)越多，令廣大使用者眼花繚亂，難以選擇。而正確選用電極絲又是提高加工品質(zhì)、發(fā)揮機(jī)床效率、減少人力成本的關(guān)鍵。
當(dāng)前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的電火花加工已逐漸向高速度、高品質(zhì)方向發(fā)展，但中國(guó)仍處于較低的發(fā)展水平。盡管最近幾年中國(guó)引進(jìn)的切割機(jī)床（包括國(guó)產(chǎn)的慢走絲切割設(shè)備）中，也逐漸加入了除普通黃銅電極絲外的其他類(lèi)型電極絲的使用參數(shù)，但使用者仍經(jīng)常使用普通黃銅電極絲進(jìn)行加工，導(dǎo)致機(jī)床效率難以更好發(fā)揮。
還有不少使用者在引進(jìn)高性能線(xiàn)切割機(jī)時(shí)，由于缺乏對(duì)選擇電極絲重要性的認(rèn)識(shí)，不管什么機(jī)型或加工狀況，都把價(jià)廉的普通黃銅電極絲作為唯一選擇。
隨著使用者技能的不斷提升和慢走絲切割技術(shù)在機(jī)械加工行業(yè)的逐漸普及，人們發(fā)現(xiàn)，使用鍍鋅電極絲等復(fù)合電極絲的機(jī)床能發(fā)揮出更高的效率，加工出來(lái)的工件精度也更高。2000年后，越來(lái)越多的使用者開(kāi)始嘗試使用高性能的黃銅絲、鍍鋅電極絲等復(fù)合電極絲，并逐漸認(rèn)識(shí)到不同加工條件下選用不同類(lèi)型的電極絲會(huì)收到更好的效果。不僅“電極絲就是黃銅做的”這一認(rèn)識(shí)誤區(qū)被打破，中國(guó)國(guó)內(nèi)也開(kāi)始出現(xiàn)了能夠獨(dú)立研發(fā)、生產(chǎn)電極絲的企業(yè)。
圖1：精密加工成型的零件
電極絲的特性
一種新技術(shù)的引進(jìn)，要經(jīng)過(guò)模仿、吸收、消化、創(chuàng)新這一過(guò)程，從最初的H65普通黃銅（65%的銅，35%的鋅），到現(xiàn)在應(yīng)用越來(lái)越多的H63、H62等含鋅量更高的黃銅，人們認(rèn)識(shí)到在切割過(guò)程中真正起作用的是鋅。因?yàn)槠胀S銅中銅的熔點(diǎn)是1083.5℃，鋅的沸點(diǎn)也僅有907℃。
在切割過(guò)程中，由于高溫放電作用，切割線(xiàn)會(huì)在瞬間達(dá)到2000℃以上高溫，氣化后的鋅會(huì)把切割中放電產(chǎn)生的能量帶到切割金屬的表面，并改善沖洗效果，同時(shí)鋅氣化所產(chǎn)生的氣壓還會(huì)把放電產(chǎn)生的蝕物吹走。這一理論研究顯示，電極線(xiàn)中鋅含量越高，切割效果就越好。
但從有色金屬加工學(xué)來(lái)講，當(dāng)鋅的比例超過(guò)40%后，電極絲的α單相結(jié)晶組織將變成α和β雙相結(jié)晶組織，此時(shí)材料會(huì)變得太脆而不適合加工成直徑很小的細(xì)絲。普通黃銅電極絲在普遍追求高效率切割的今天受到了加工工藝方面的制約，從而催生出擁有其他特殊性能的電極絲。
據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究總結(jié)，電極絲材料必須具備以下特性：
1.機(jī)械特性
在電火花放電加工過(guò)程中，電極絲須能承受一定的拉力和因放電引起的沖擊力。如果材料強(qiáng)度太低或者斷裂韌性太低，會(huì)造成電極絲抖動(dòng)，最終導(dǎo)致切割工件表面不光滑，甚至?xí)鸲嗟狼懈罹�(xiàn)痕。特別是對(duì)于一些難加工的金屬工件，切割時(shí)施加的張力（組成電極絲材料的強(qiáng)度）越大，越容易切割。另外，材質(zhì)強(qiáng)度還有助于電極絲恢復(fù)直度，擁有一定延伸性的電極絲材料對(duì)切割有斜度的工件也會(huì)比較有益。
2.氣化特性
在加工過(guò)程中，放電產(chǎn)生的熱量是不斷增加的，如果熱量不能夠通過(guò)其他介質(zhì)及時(shí)釋放，熔點(diǎn)再高的電極絲也會(huì)被燒斷，因此組成電極絲的材料必須能將這些熱量帶出。
3.物理特性
電極絲的物理特性是提高切割效率的關(guān)鍵，通常是指電極絲的熔點(diǎn)。這主要由電極絲材料的基礎(chǔ)成份配比及芯材的組成金屬性質(zhì)決定。因?yàn)殡姌O絲在切割時(shí)的抖動(dòng)會(huì)產(chǎn)生瞬間的短路效應(yīng)，這時(shí)，切割過(guò)程會(huì)減慢，如此時(shí)電極絲未因放電燒蝕而與切割金屬間產(chǎn)生間隙，切割廢屑便不會(huì)被沖水帶出，這時(shí)電極絲就會(huì)燒斷。
4.幾何特性
這里所說(shuō)的幾何特性通常是指尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性。電極絲的外徑直接決定了切割工件的表面尺寸精度，當(dāng)前電極絲機(jī)床的設(shè)計(jì)也要求電極絲擁有較小的外形幾何誤差。而電極絲的最后尺寸精度只能由拉絲模具的尺寸精度來(lái)保證，當(dāng)今世界的切割機(jī)床還不具備根據(jù)電極絲外徑來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)切割精度的功能，如果尺寸精度不穩(wěn)定，最后的切割精度也不穩(wěn)定。
5.電氣特性
電火花加工靠瞬間的放電腐蝕切割金屬，瞬間放電間隙越短，切割的金屬表面光潔度越高，因此電極絲必須具備能夠承受瞬間高脈沖電流和大切割電流的能力。
電極絲的分類(lèi)
現(xiàn)在市場(chǎng)上流行的電極絲都是上述五種特性的有機(jī)組合，也會(huì)加入其他一些特別明顯的性能，如高強(qiáng)度、強(qiáng)延伸性等。根據(jù)不同的使用條件及加工狀況，電極絲可分為如下幾種：
1.普通黃銅電極絲
這種電極絲是銅鋅二元合金，因受鋅含量制約，其切割速度提升有限，一般被現(xiàn)在的國(guó)內(nèi)普通用戶(hù)使用，掉銅粉、斷線(xiàn)是使用該電極絲過(guò)程中的常見(jiàn)現(xiàn)象。
圖2：黃銅絲
2.鍍鋅電極絲
芯材為普通黃銅，外面鍍一層鋅，由于鋅在切割過(guò)程中的氣化作用，這種電極絲的放電會(huì)比較穩(wěn)定，切割表面比普通黃銅絲光滑。國(guó)際上比較成熟的制造國(guó)家主要分布在歐洲，目前國(guó)內(nèi)也有個(gè)別廠家能夠生產(chǎn)，掉粉是該電極絲在使用過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題。
圖3：鍍鋅絲
3.速度型鍍層電極絲
芯材為普通黃銅，鍍層為銅鋅合金，鍍層比普通鍍鋅電極絲略厚。這種鍍層電極絲較普通鍍鋅電極絲的切割速度要快，適合于高效率加工，目前這種電極絲只能在國(guó)外生產(chǎn)，中國(guó)尚處在開(kāi)發(fā)階段。
4.擴(kuò)散退火型電極絲
研究發(fā)現(xiàn)，表面有均勻小坑洞的電極絲會(huì)改善電極絲的放電沖洗效果，基于此，產(chǎn)生了這種表面多孔結(jié)構(gòu)的電極絲。擴(kuò)散退火型電極絲芯材為無(wú)氧銅，并通過(guò)擴(kuò)散退火在外包一層銅鋅合金（銅和鋅的比例為1：1），由于芯材為無(wú)氧銅，表層是采用擴(kuò)散退火形成的多孔結(jié)構(gòu)，故這種電極絲的沖洗效果優(yōu)于常規(guī)電極絲。但無(wú)氧銅自身的抗拉強(qiáng)度較低，以其為芯材制成的電極絲強(qiáng)度也很低，只有500MPa，目前這種電極絲只適合于特殊機(jī)床的特殊加工。
5.鋼芯電極絲
芯材為鋼絲，表層鍍純銅再鍍黃銅，也有直接鍍黃銅的，因?yàn)檫@種電極絲芯材為鋼，故在高溫下這種電極絲的強(qiáng)度大大高于以上四種電極絲，特別適合于困難條件下的加工，如超厚、大斜度、多層、沖水不良、石墨、單晶硅等難加工物質(zhì)。
6.精細(xì)型電極絲
一般的電極絲直徑最小為0.07mm，對(duì)于有小α角要求的精細(xì)加工，α角的直徑要求達(dá)到0.02-0.10mm，這時(shí)就須選用鎢或者鉬來(lái)制造超細(xì)的電極絲，但因?yàn)殒u或者鉬屬于稀有金屬且加工難度較大，經(jīng)常采用下述的鋼琴絲來(lái)代替。
7.鋼琴電極絲
這種電極絲因?yàn)樾静臑橹圃熹撉儆玫母咛间?所以又叫鋼琴絲。鋼琴電極絲芯材為高碳鋼，表層鍍黃銅，也有再鍍鋅的。高碳鋼價(jià)格較低，所以這種電極絲經(jīng)常代替上述的精細(xì)型電極絲。高碳鋼絲經(jīng)多道次的加工及熱處理，強(qiáng)度可與鎢絲或鉬絲相當(dāng)。
電極絲的斷線(xiàn)問(wèn)題
現(xiàn)階段，中國(guó)精密模具與機(jī)械精密制造加工還是一個(gè)新興行業(yè)，很多新技術(shù)的使用仍處在嘗試階段。上述第三、四、五、六、七種電極絲在中國(guó)的實(shí)際使用還很少，經(jīng)常使用的電極絲只有黃銅絲和鍍鋅電極絲兩種，下面針對(duì)這兩種電極絲在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的斷線(xiàn)問(wèn)題做一分析。
1.對(duì)斷線(xiàn)的誤解
在使用電極絲的過(guò)程中，用戶(hù)或切割師傅會(huì)誤以為斷線(xiàn)是因?yàn)殡姌O絲強(qiáng)度低而被拉斷的，其實(shí)斷線(xiàn)的真正原因不是電極絲強(qiáng)度低，而是韌性不足。
現(xiàn)在市場(chǎng)上大量出現(xiàn)的抗拉強(qiáng)度只有450MPa的電極絲，是不是因?yàn)閺?qiáng)度低而被經(jīng)常拉斷呢？實(shí)際情況并非如此。如前所述，慢走絲電火花切割的實(shí)質(zhì)是靠放電腐蝕來(lái)切割金屬，放電時(shí)在電極絲表面形成放電腐蝕坑洞是電極絲在切割時(shí)斷線(xiàn)的根本原因。
從操作層面上來(lái)講，拉伸強(qiáng)度越高越好，因?yàn)閺?qiáng)度越高的電極絲直度會(huì)越好，也越容易穿絲，但如果從操作層面來(lái)提高拉伸強(qiáng)度，則會(huì)導(dǎo)致放電性能下降。現(xiàn)在也有一些電極絲生產(chǎn)企業(yè)在開(kāi)發(fā)既有高抗拉強(qiáng)度、同時(shí)放電性能也并不受損的電極絲。
2.斷線(xiàn)的本質(zhì)
從斷裂力學(xué)的角度看，斷裂是在裂紋源擴(kuò)展到一定程度后產(chǎn)生的。放電時(shí)，電極絲表面會(huì)因放電腐蝕作用形成許多坑洞，電極絲也會(huì)同時(shí)受到電火花或者排屑的沖擊，切割過(guò)程中幾個(gè)受力最小的小坑洞會(huì)因斷裂韌性不足而發(fā)生斷裂，即斷線(xiàn)。
3.電極絲放電加工過(guò)程中沖水的作用
水在電火花加工過(guò)程中的作用很重要，慢走絲機(jī)床通常所用的易損材料有樹(shù)脂、過(guò)濾器、電極絲等，而樹(shù)脂和過(guò)濾器主要是用來(lái)清潔和過(guò)濾在機(jī)床上往復(fù)循環(huán)利用的水，以保證電極絲的氣化特性不被降低。
放電過(guò)程中形成的小坑與很多因素有關(guān)，最重要的因素就是沖水，沖水的效果直接影響了電極絲與工件之間間隙的氣化特性。當(dāng)然，沖水還可輕易地把電腐蝕產(chǎn)生的廢屑排走，并帶走放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。
4.廉價(jià)電極絲問(wèn)題
現(xiàn)階段我國(guó)使用的電極絲，95%以上由含銅60~65%的普通黃銅制作，而我國(guó)又是一個(gè)銅資源嚴(yán)重匱乏的國(guó)家。隨著最近兩年銅價(jià)的日漸攀升，國(guó)內(nèi)個(gè)別制造企業(yè)開(kāi)始選用回收廢雜銅來(lái)生產(chǎn)電極絲母線(xiàn)，而這些廢雜銅中往往含有鐵、鎳、錫、鉛等降低電極絲性能的有害雜質(zhì)。
因目前中國(guó)精煉銅工藝水準(zhǔn)不高，難以清除這些雜質(zhì)，造成生產(chǎn)出來(lái)的電極絲內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻，從而降低了電極絲的韌性及最終使用性能，成為引起斷線(xiàn)的罪魁禍?zhǔn)�。這不僅會(huì)降低加工效率，還會(huì)影響切割工件的加工品質(zhì)甚至損壞機(jī)床。而一般的用戶(hù)又檢測(cè)不到這些雜質(zhì)元素的存在，在實(shí)際操作中，往往通過(guò)降低切割速度來(lái)減少斷線(xiàn)，有的用戶(hù)甚至還歸因于機(jī)床性能變化或切割師傅的技術(shù)不高。
圖4：普通切割線(xiàn)生產(chǎn)工藝間圖
結(jié)語(yǔ)
綜上所述，在選擇使用電極絲時(shí)，首先要從機(jī)型著手，看機(jī)型適合什么類(lèi)型的電極絲；其次要考慮加工工況，如加工材料硬度、表面品質(zhì)要求、加工零件精度要求以及機(jī)床所選用配套耗材的品質(zhì)狀況等，當(dāng)然還要考慮水質(zhì)的好壞；再次要考慮機(jī)床設(shè)備是否經(jīng)常滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行；最后還要考慮各種不同電極絲的性能差異。
