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寧波博威麥特萊科技有限公司
1 引言
隨著材料加工技術(shù)及機(jī)械加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，慢走絲用電極絲經(jīng)歷了從普通黃銅電極絲到鍍層電極絲的使用轉(zhuǎn)換，甚至現(xiàn)在正在研究的多層復(fù)合電極絲，這些鍍層電極絲的研究無不依據(jù)放電加工的原理應(yīng)運(yùn)而生，不同組織的涂層及涂層結(jié)構(gòu)，適合于切割不同類型的料件。
2 慢走絲用電極絲切割材料的簡介
中走絲、快走絲是我國具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電火花線切割加工技術(shù)，為區(qū)別于上述兩種加工方式，近年來，隨著慢走絲發(fā)展技術(shù)在中國的逐漸普及，根據(jù)走絲方式和走絲速度的不同，我國的一些專業(yè)技術(shù)人士將慢走絲加工命名為單向走絲電火花加工。當(dāng)前市場上存在有各種類型的電極絲，這些類型的電極絲都根據(jù)所匹配的加工方式而有特殊的性能，如追求經(jīng)濟(jì)型的電極絲；追求高精度的電極絲；追求高速度的電極絲；追求綜合切割性能的電極絲。
電火花切割是通過電蝕的方式來進(jìn)行的，要提高切割速度，則放電火花要足夠大，放電火花大，則放電蝕去除的金屬顆粒就大，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生金屬顆粒的坑洞也就相應(yīng)增大，反映到工件上就是工件的表面的粗糙度變差，反之，降低電火花蝕的速度，則金屬顆粒就小，坑洞就小，最后切割的工件表面質(zhì)量就變好。綜上分析，現(xiàn)在的技術(shù)條件下，難以找到效率、精度、表面質(zhì)量同時(shí)優(yōu)化的電極絲。下面介紹一下當(dāng)今市場上經(jīng)常被用戶使用的電極絲：
（1）含銅量在58%~65%的普通黃銅電極絲，這種電極絲價(jià)格低廉，但因?yàn)楸韺咏Y(jié)構(gòu)及鋅含量的限制，這種電極絲的電蝕速度低，適合于一般要求的常規(guī)加工。
（2）表層鍍鋅的電極絲，這種純鋅覆蓋層，因?yàn)殇\的氣化溫度低，而更容易被汽化損耗，并且在切割厚度較大的工件時(shí)，容易產(chǎn)生兩頭小中間大鼓肚現(xiàn)象。
（3）表層有橫向不規(guī)則裂紋的電極絲，這種電極絲表層含有β相和γ相，或者是兩種相的混合物，因?yàn)橛辛鸭y及含高鋅的γ相黃銅合金，所以這種電極絲的切割速度比1和2中的電極絲都快，但這種電極絲有一個(gè)無法避免的缺點(diǎn)：由于表層橫向裂紋的存在，電極絲在使用時(shí)，移動(dòng)方向沿裂紋的垂直方向，因此這種裂紋的存在會(huì)損傷慢走絲切割機(jī)的送絲部分結(jié)構(gòu)及導(dǎo)向裝置；同時(shí)，因?yàn)榱鸭y垂直于電極絲的軸向，電極絲的力學(xué)性能也會(huì)降低，對(duì)于一些對(duì)電極絲力學(xué)性能有要求的場合，這種電極絲的適用性也會(huì)受到限制。
現(xiàn)在用戶所使用的電極絲材料基本上屬于上述幾種，根據(jù)前面論述，上述電極絲均是在特定的工況條件下使用的電極絲，使用范圍窄，且還具有不同程度的缺陷和不足。
3 新型耐蝕電極絲的結(jié)構(gòu)
研發(fā)時(shí)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足之處，充分運(yùn)用電極絲材料加工的一般原理及電極絲的放電原理，提供一種制造成本低，適合于在粗割時(shí)提高切割速度，在精修時(shí)提高表面質(zhì)量，并且在切割時(shí)減少對(duì)慢走絲設(shè)備損傷的電極絲。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
為了實(shí)現(xiàn)上述的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，新型耐蝕電極絲的技術(shù)方案設(shè)計(jì)為：包括電極絲本體，電極絲本體由合金化黃銅材料制成的芯材2和覆蓋在芯材上的表層金屬層3構(gòu)成，且芯材和表層金屬層之間為過渡層4；鋅材中銅的含量為58.0~65.0wt%，余量為鋅和少量的添加元素及不可避免的雜質(zhì)成分；表層金屬層的材料由銅、鋅、添加元素及不可避免的雜質(zhì)成分組成，其中鋅的含量大于52wt%而小于68wt%，并且該金屬層呈縱向斷裂狀分布，斷裂處的特征如下：
圖1 新型電極絲截面圖
（1）縱向斷裂處空隙的表面積大于表層金屬層3表面積的5%而小于40%，縱向斷裂處的裂紋形狀呈不規(guī)則狀態(tài)分布。過渡層的鋅原子由內(nèi)向外呈線性增加分布、銅原子由內(nèi)向外呈線性減少分布。這種銅鋅含量的分布方式，使得表層金屬和芯材金屬融為一體，減少了表層金屬的脫落，有助于切割。
（2）新型耐蝕電極絲芯材層的添加元素由兩部分組成，分別為M1和M2，其中M1為磷、稀土、鈉、鉀、鎂、鈣中的至少一種，M2為鋁、硅、錳、鈦、鉻、鐵中的至少一種。其中M1的含量為0.0005~0.05wt%，M2的含量為0.005~0.08wt%。且表層金屬層中有M1和M2中的各至少一種。
（3）新型耐蝕電極絲表層金屬層的相結(jié)構(gòu)為γ相銅鋅合金，及固溶在γ相銅鋅合金中的M1和M2中的元素（即從芯層擴(kuò)散滯留在表層金屬層中形成的添加元素）。
如上的電極絲結(jié)構(gòu)及特殊的化學(xué)成分，使新型耐蝕電極絲比其它常規(guī)類型的電極絲有顯著的穩(wěn)定性，且具有在放電時(shí)的延遲電蝕速度性能，保證切割料件的光潔度，并且具有如下的優(yōu)點(diǎn)。
4 新型耐蝕電極絲的優(yōu)點(diǎn)
根據(jù)電極絲使用時(shí)的工況條件，運(yùn)用冶金學(xué)的一般原理，在電極絲制造時(shí)采用特殊的加工方法及工藝路線，形成如下優(yōu)點(diǎn)的新型電極絲。
（1）新型耐蝕電極絲的芯材金屬因?yàn)椴捎昧撕辖鸹倪B續(xù)熔煉鑄造技術(shù)，通過添加M1和M2兩種不同類型的金屬元素，使材料的綜合性能得到提高，M1中磷、稀土、鈉、鉀、鎂、鈣為強(qiáng)的還原性金屬，且化學(xué)性能都比銅和鋅活潑，這些元素添加后，可以同銅鋅溶液中的雜質(zhì)元素發(fā)生氧化還原反應(yīng)，去除這些雜質(zhì)，因?yàn)檫@些元素的化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)的產(chǎn)物比銅溶液的密度低，雜質(zhì)漂浮在溶液表面，便于清理，M2中鋁、硅、錳、鈦、鉻、鐵為強(qiáng)化元素，電極絲是表層縱向裂紋的存在降低了材料的力學(xué)性能，為了不使材料的強(qiáng)度降低，添加M2中的任何一種金屬元素，這些金屬元素同銅鋅固溶在一體，提高基體的強(qiáng)度，芯材的抗拉強(qiáng)度得到了提升，強(qiáng)度的提高有助于在切割時(shí)提升切割工件的直線度。
（2）新型耐蝕電極M1中磷、稀土、鈉、鉀、鎂、鈣元素的添加量為0.0005~0.05wt%，添加控制在這個(gè)范圍內(nèi)既可以保證成本不會(huì)提升很多，同時(shí)又可以使材料的性能提升最大化，因?yàn)檫^多的M1元素容易在銅鋅溶液中形成氧化物夾雜，反而降低材料的綜合性能。
（3）新型耐蝕電極絲的M2金屬鋁、硅、錳、鈦、鉻、鐵的含量為0.005~0.08wt%，過量添加會(huì)降低材料的機(jī)械性能，同時(shí)材料的導(dǎo)電率會(huì)下降，采用電極絲的配比，材料成本比較低，而材料的機(jī)械性能又得到相應(yīng)的提高，生產(chǎn)難度小，適合于批量化生產(chǎn)。
（4）新型耐蝕電極絲因?yàn)楸韺硬牧暇哂械奶厥獬煞峙浔燃凹庸し绞?，在電極絲的表面形成不規(guī)則的縱向裂紋，且縱向裂紋的表面積大于表層金屬層3表面積的0.5%而小于30%，試驗(yàn)證明裂紋的表面積如果大于50%以上會(huì)降低材料的機(jī)械性能，切割時(shí)吸附效應(yīng)大，進(jìn)入裂紋中的冷卻液會(huì)急劇增加，使電極絲的切割性能降低；同時(shí)，縱向裂紋不損傷慢走切割設(shè)備的送絲裝置及導(dǎo)向裝置。
（5）新型耐蝕電極絲芯材2和表層3過渡區(qū)的鋅原子由內(nèi)向外呈線性增加分布，銅原子由內(nèi)向外呈線性減少分布，銅鋅含量的這種分布，使表層金屬同芯材料金屬融為一體，減少了表層金屬的脫落，有助于切割。
（6）表層金屬層的相結(jié)構(gòu)為γ相銅鋅合金，及固溶在γ相銅鋅合金中的M1和M2中的元素。γ相中含有M1和M2兩種不同種類型的金屬元素，使電極絲的γ相同常規(guī)的γ相對(duì)比綜合性能更有，放電更穩(wěn)定，使最終電極絲的切割表面質(zhì)量得到提升。
（7）新型耐蝕電極絲含有特殊成分的γ相，可以阻礙放電時(shí)電極絲的消耗，保證電極絲的形狀尺寸，保證切割工件的表面質(zhì)量。
（8）新型耐蝕電極絲由于表層復(fù)合金屬層M1金屬氧化物的存在，M1金屬氧化物的硬度比氧化鋅的硬度高，使氧化鋅在切割時(shí)產(chǎn)生自潤滑作用，相當(dāng)于電極絲放電時(shí)在電極絲的表面涂了一層潤滑油，可以減少由于摩擦對(duì)切割工件表面的損傷，從而提高切割工件的表面光潔度。
（9）新型耐蝕電極絲因?yàn)樾静慕饘偬砑恿薓1和M2的合金化元素，使電極絲材料的總導(dǎo)電率可以達(dá)到18.0%~28.0%IACS，這種導(dǎo)電率的存在，可以保證使這種電極絲的切割速度比普通黃銅電極絲快15%以上。
（10）新型耐蝕電極絲在制造過程中因?yàn)樘砑恿薓1和M2的合金化元素，使材料的機(jī)械性能得到了提高，抗拉強(qiáng)度可以在550MPa以上，強(qiáng)度的升高保證了電極絲材料的記憶特性，從而保證電極絲恢復(fù)成直線的特性，最終保證穿絲的成功率。
（11）新型耐蝕電極絲表層鋅的含量大于52wt%而小于68wt%，并且該金屬層呈縱向斷裂狀分布，縱向裂紋的存在相當(dāng)于延長了電流的傳播路徑，使之有較低的電流強(qiáng)度，低的電流強(qiáng)度及鋅含量在60%左右的鋅銅合金，可以保證在精修時(shí)有低的放電能量，來保證最終料件的表面質(zhì)量。
上述優(yōu)點(diǎn)保證了電極絲同國外先進(jìn)發(fā)達(dá)市場國家的電極絲制造成本低，適合于在粗割時(shí)提高切割速度，在精修時(shí)提高表面質(zhì)量，并且在切割時(shí)減少對(duì)慢走絲設(shè)備損傷的電極絲
5 新型耐蝕電極絲的制造及應(yīng)用驗(yàn)證
根據(jù)新型電極絲的工藝路線及制造廠家的設(shè)備限制，采用如下的步驟來制造新型電極絲。
（1）以市場合適的價(jià)格采購銅、鋅、磷、稀土、鈉、鉀、鎂、鈣、鋁、硅、錳、鈦、鉻、鐵原材料，經(jīng)化學(xué)分析合格后，開始配料。電極絲芯材層化學(xué)成分如表1所示。
（2）根據(jù)合金成分進(jìn)行合金化配料，并將配好的原材料運(yùn)至熔煉現(xiàn)場，準(zhǔn)備熔煉。
（3）熔煉是制造電極絲材料的重要工序，所有的合金化元素的添加都在此工序完成，熔煉采用上引連續(xù)鑄造，鑄造溫度選擇為950~1,250℃。
（4）塑性加工和再結(jié)晶退火：此工序主要是指將制造出來的上引連鑄坯桿經(jīng)過扒皮、再結(jié)晶退火、不同道次的塑性加工，根據(jù)成品規(guī)格的需要，來設(shè)置母線的規(guī)格，本工序生產(chǎn)的裸銅線的規(guī)格為?0.8~?1.6mm。
（5）電沉積鋅：再按照表2進(jìn)行常規(guī)的電沉積工藝加工，可獲得具有表層金屬層的粗坯。
（6）成品加工：本工序采用退火+塑性加工+退火的在線技術(shù)，根據(jù)加工階段的不同工藝參數(shù)組合，將電極絲性能調(diào)整到材料所要求的導(dǎo)電性能與力學(xué)性能及如表2所示的表層鋅含量。
以統(tǒng)一產(chǎn)品規(guī)格為?0.25mm，按本文所述要求獲得的電極絲結(jié)構(gòu)，具體可以見上述附圖1，電極絲的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖：包括電極絲本體1，電極絲本體1由合金化黃銅材料制成的芯材2和覆蓋在芯材上的表層金屬層3構(gòu)成，且芯材2和表層金屬層3之間為過渡層4；所述的表層金屬層3沿著電極絲本體的縱向呈斷裂狀分布?？v向分布的斷裂層降低了對(duì)切割設(shè)備傳動(dòng)部件的損傷，且有助于電極放電。
采用如下的切割工況條件將本電極絲同其它類型電極絲進(jìn)行切割比對(duì)：
a.試驗(yàn)設(shè)備為三菱公司制造的MV12002015機(jī)器，切割周期為10個(gè)工作日。
b.工件材質(zhì)：SKD11。
c.設(shè)備參數(shù)：NM。
d.加工次數(shù)：割一修四。
e.加工模式：浸水式。
f.將設(shè)備的張力參數(shù)調(diào)整為適合900N/mm2的電極絲。
g.噴嘴壓靠在工件上。
對(duì)比相關(guān)參數(shù)如表3所示。
注：上述所取切割速度和切割表面質(zhì)量的數(shù)值為10個(gè)工作日內(nèi)出現(xiàn)概率最多的數(shù)值。
綜上所述，電極絲的導(dǎo)電率有所提高，且切割出來料件的粗糙度值同同種類型的線對(duì)比線接近；力學(xué)性能稍低，但在電極絲性能正常范圍內(nèi)，不影響使用；從對(duì)比可看出：同普通黃銅電極絲對(duì)切割設(shè)備的損傷一致，比橫向的電極絲要優(yōu)；同時(shí)，因?yàn)殡姌O絲的裂紋是同電極絲移動(dòng)方向一致的，便于自動(dòng)穿絲。
6 結(jié)束語
特殊表層結(jié)構(gòu)的電極絲是未來電極絲的研究方向，通過調(diào)整表層和芯材成分，滿足電極絲材料的基礎(chǔ)性能，這種結(jié)構(gòu)既能提高慢走絲電火花線切割加工粗加工時(shí)的效率，又能在精修時(shí)最大程度地提高表面切割質(zhì)量，并且在切割時(shí)減少對(duì)慢走絲設(shè)備損傷。 |
