近年來，機(jī)械加工技術(shù)日新月異，線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。特別是慢走絲線切割加工，已成為模具製造與機(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
線切割技術(shù)的發(fā)展，離不開電極絲技術(shù)的同步發(fā)展?，F(xiàn)在國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)線切割機(jī)設(shè)計(jì)的革新。從最初使用的無氧銅絲切割到現(xiàn)在的複合線切割，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、專業(yè)化生產(chǎn)的漫長歷程。
中國的線切割技術(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)吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。自上世紀(jì)七八十年代鍍鋅電極絲發(fā)明以來，市場上先後出現(xiàn)了普通黃銅電極絲、鍍鋅電極絲、鉬絲、鎢絲、複合絲（裏層為鋼絲，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)，由於當(dāng)時(shí)中國的有色金屬加工技術(shù)還不成熟，所使用的原材料依賴進(jìn)口，故在二十世紀(jì)之前慢走絲加工在中國的發(fā)展一直很緩慢。
2000年之後，隨著中國冶煉、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，特別是中國加入WTO後，國外進(jìn)口的電極絲類型也越來越多，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，但中國仍處於較低的發(fā)展水準(zhǔn)。儘管最近幾年中國引進(jìn)的切割機(jī)床（包括國產(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)高性能線切割機(jī)時(shí)，由於缺乏對(duì)選擇電極絲重要性的認(rèn)識(shí)，不管什麼機(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)，使用鍍鋅電極絲等複合電極絲的機(jī)床能發(fā)揮出更高的效率，加工出來的工件精度也更高。2000年後，越來越多的使用者開始嘗試使用高性能的黃銅絲、鍍鋅電極絲等複合電極絲，並逐漸認(rèn)識(shí)到不同加工條件下選用不同類型的電極絲會(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，中國國內(nèi)也開始出現(xiàn)了能夠獨(dú)立研發(fā)、生產(chǎn)電極絲的企業(yè)。
電極絲的特性
一種新技術(shù)的引進(jìn)，要經(jīng)過模仿、吸收、消化、創(chuàng)新這一過程，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℃。
在切割過程中，由於高溫放電作用，切割線會(huì)在瞬間達(dá)到2000℃以上高溫，氣化後的鋅會(huì)把切割中放電產(chǎn)生的能量帶到切割金屬的表面，並改善沖洗效果，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，電極線中鋅含量越高，切割效果就越好。
但從有色金屬加工學(xué)來講，當(dāng)鋅的比例超過40%後，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程中，電極絲須能承受一定的拉力和因放電引起的衝擊力。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€痕。特別是對(duì)於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)度還有助於電極絲恢復(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
這裏所說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。而電極絲的最後尺寸精度只能由拉絲模具的尺寸精度來保證，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，最後的切割精度也不穩(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衝電流和大切割電流的能力。
電極絲的分類
現(xiàn)在市場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)在的國內(nèi)普通用戶使用，掉銅粉、斷線是使用該電極絲過程中的常見現(xiàn)象。
2.鍍鋅電極絲
芯材為普通黃銅，外面鍍一層鋅，由於鋅在切割過程中的氣化作用，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。國際上比較成熟的製造國家主要分佈在歐洲，目前國內(nèi)也有個(gè)別廠家能夠生產(chǎn)，掉粉是該電極絲在使用過程中的常見問題。
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，適合於高效率加工，目前這種電極絲只能在國外生產(chǎn)，中國尚處在開發(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，基於此，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氧銅，並通過擴(kuò)散退火在外包一層銅鋅合金（銅和鋅的比例為1：1），由於芯材為無氧銅，表層是採用擴(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)於常規(guī)電極絲。但無氧銅自身的抗拉強(qiáng)度較低，以其為芯材製成的電極絲強(qiáng)度也很低，只有500MPa，目前這種電極絲只適合於特殊機(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)度大大高於以上四種電極絲，特別適合於困難條件下的加工，如超厚、大斜度、多層、沖水不良、石墨、單晶矽等難加工物質(zhì)。
6.精細(xì)型電極絲
一般的電極絲直徑最小為0.07mm，對(duì)於有小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製造超細(xì)的電極絲，但因?yàn)殒u或者鉬屬於稀有金屬且加工難度較大，經(jīng)常採用下述的鋼琴絲來代替。
7.鋼琴電極絲
這種電極絲因?yàn)樾静臑檠u造鋼琴用的高碳鋼,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)。
電極絲的斷線問題
現(xiàn)階段，中國精密模具與機(jī)械精密製造加工還是一個(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程中經(jīng)常出現(xiàn)的斷線問題做一分析。
1.對(duì)斷線的誤解
在使用電極絲的過程中，用戶或切割師傅會(huì)誤以為斷線是因?yàn)殡姌O絲強(qiáng)度低而被拉斷的，其實(shí)斷線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)際情況並非如此。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)斷線的根本原因。
從操作層面上來講，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提高拉伸強(qiáng)度，則會(huì)導(dǎo)致放電性能下降?，F(xiàn)在也有一些電極絲生產(chǎn)企業(yè)在開發(fā)既有高抗拉強(qiáng)度、同時(shí)放電性能也並不受損的電極絲。
2.斷線的本質(zhì)
從斷裂力學(xué)的角度看，斷裂是在裂紋源擴(kuò)展到一定程度後產(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衝擊，切割過程中幾個(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。
3.電極絲放電加工過程中沖水的作用
水在電火花加工過程中的作用很重要，慢走絲機(jī)床通常所用的易損材料有樹脂、篩檢程式、電極絲等，而樹脂和篩檢程式主要是用來清潔和過濾在機(jī)床上往復(fù)迴圈利用的水，以保證電極絲的氣化特性不被降低。
放電過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，並帶走放電過程中產(chǎn)生的熱量。
4.廉價(jià)電極絲問題
現(xiàn)階段我國使用的電極絲，95%以上由含銅 60~65%的普通黃銅製作，而我國又是一個(gè)銅資源嚴(yán)重匱乏的國家。隨著最近兩年銅價(jià)的日漸攀升，國內(nèi)個(gè)別製造企業(yè)開始選用回收廢雜銅來生產(chǎn)電極絲母線，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。而一般的用戶又檢測不到這些雜質(zhì)元素的存在，在實(shí)際操作中，往往通過降低切割速度來減少斷線，有的用戶甚至還歸因於機(jī)床性能變化或切割師傅的技術(shù)不高。
結(jié)語
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)型適合什麼類型的電極絲；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)常滿負(fù)荷運(yùn)行；最後還要考慮各種不同電極絲的性能差異。
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