线割电极丝的种类与应用

优胜编程龚老师

线割电极丝的种类与应用：



线割电极丝的种类与应用

   目前，市场上可选用的电极丝可分为以下几类：

  1、黄铜丝  
   黄铜丝是线切割领域中第一代专业电极丝。1977年，黄铜丝开始进入市场。这种电极丝曾带来了切割速度上的突破，当时对于厚度为50mm的工件，切割速度从12mm2/分钟提高到25 mm2/分钟。是什么使速度翻了一倍呢？黄铜是紫铜与锌的合金，最常见的配比是65%的紫铜和35%的锌。当时发现黄铜丝中的锌由于熔点较低（420℃，而紫铜为1080℃）能够改善冲洗性。在切割过程中，锌由于高温而气化使得电极丝的温度降低并把热量传送到工件的加工面上。理论上讲，锌的比例越高越好，不过在黄铜丝的制造过程中，当锌的比例超过40%后，电极丝的α单相结晶结构变成了α和β双相结晶结构。这时材料变得太脆而不适合把它拉成直径很小的细丝。  
黄铜丝可以有不同的拉伸强度来满足不同的设备和应用场合。这是通过一系列的拉丝（淬火作用）和热处理（退火）工序来实现的。普通黄铜丝的拉伸强度在490-900N/mm2之间。

   黄铜丝的主要缺点：  
   (1) 加工速度无法提高：由于黄铜中锌的比例一定，所以放电时的能量转换效率无法进一步提高；以0.25mm黄铜丝切割30-60mm厚的钢材为例，国内很多用户的主切速度都在120mm2/分钟左右。  
   (2) 表面质量不佳：黄铜丝表面的铜粉和放电时由于电极丝表层气化而带出的铜微粒会积存在工件的加工面上形成表面积铜。同时由于冲洗性不好而在工件表面产生较厚的变质层，这些都会影响工件的表面硬度和粗糙度；  
   (3) 加工精度不高：特别是在加工较厚的工件时，由于冲洗性不良，会产生较大的直线度误差（上下端尺寸误差和鼓形差）。

   此外，由于价格竞争的原因，目前国内的低价黄铜丝普遍存在着各种质量问题，例如因采用的铜材胚料材质不良以及拉丝设备和工艺上的原因导致黄铜丝表面铜粉较多，截面几何误差太大等等，这些都会导致放电稳定性下降，严重影响加工速度和质量。同时，还会污染设备部件加大设备的损耗。  
黄铜丝的应用场合：

   (1) 加工量不足，不是24小时开机的用户。因为加工效率对于这些用户来说不是主要问题；  
   (2) 对加工精度特别是表面质量要求不高的用户；  
   (3) 以加工小尺寸、薄厚度为主的用户。因为工件装夹调整的时间占总加工时间的比例较高，切割时间较少，对加工效率的影响不明显。  
   (4) 工件的材料硬度不高或厚度不超过80-100mm。

   虽然随着各种更好性能的镀层电极丝的出现和普及，黄铜丝的市场份额呈不断下降的趋势，但是，由于它成本低廉，并且能满足普通的加工需求，因此还会继续得到广泛的应用。同时，市场上还出现了一些在性能上有不同程度改善的且价格低于镀层电极丝的新型黄铜丝：

   (1) 超净型黄铜丝:针对普通黄铜丝表面铜份过多这一弊端，通过在后道工序中增加特别的清洗工艺而制成；  
   (2) 超硬型黄铜丝:通过在黄铜中加入其他微量元素，使黄铜丝的拉伸强度高达1200 N/mm2。这种丝在加工超厚或超硬工件时可以改善加工精度和速度；  
   (3) 高速型黄铜丝:将黄铜中锌的比例加大到极限的40%，可以改善冲洗性，提高切割速度。但是，其切割速度还是比镀锌电极丝要慢。

   2、镀层电极丝

   由于低熔点的锌对于改善电极丝的放电性能有着明显的作用，而黄铜中锌的比例又受到限制，所以人们想到了在黄铜丝外面再加一层锌，这就产生了镀锌电极丝。1979年瑞士几位工程师发明的这种方法，使电极丝的发展向前迈进了一大步，并导致了更多新型镀层电极丝的出现。  
镀层电极丝的主要优点：

   (1) 切割速度高，不易断丝。品质好的镀锌电极丝切割速度可比优质黄铜丝快30-50%，目前广东地区很多用户采用0.25mm的镀锌电极丝，切割速度平均在150-180mm2/分钟。  
   (2) 加工工件的表面质量好，无积铜，变质层得到改善，因此工件表面的硬度更高，模具的寿命延长。  
   (3) 加工精度提高，特别是尖角部位的形状误差、厚工件的直线度误差等均比黄铜丝有改善。  
   (4) 导丝咀等部件的损耗减小。锌的硬度比黄铜低，同时镀锌丝不象黄铜丝那样有很多铜粉，所以不容易堵塞导丝咀，污染相关部件。

   镀层电极丝生产工艺主要有浸渍、电镀和扩散退火这三种方法。电极丝的芯材主要有黄铜、紫铜和钢。镀层的材料则有锌、紫铜、铜锌合金和银。目前市场上较为成熟的这类电极丝按应用区分主要有以下几种：

   普通镀锌电极丝：

   由于浸渍这种工艺相对比较简单，所以很多电极丝制造商都采用这种方法来生产镀锌电极丝。但是镀锌后再拉丝，其最大的问题是无法控制镀层的均匀性，所以用这种工艺生产的电极丝放电性能不够稳定，速度只比黄铜丝提高不到10%。有些品质较差的镀锌电极丝其颜色往往不是均匀的银灰色，可以看到一些浅黄色相间其中，这就是所谓“露铜”现象。这类电极丝虽然价格比较便宜，只比黄铜丝稍贵一些，但是采用的人不多。

   高精度加工用镀锌电极丝：  
  
   这类电极丝多是采用电镀的方法，所以可以较好的控制镀锌层的厚度，放电性能稳定，不易断丝，适合四次切割以上的精密加工。切割速度一般可以比黄铜丝快30%左右。这种电极丝的剖面见。常见的品牌有德国Berkenhoff公司的COBRA CUT A、MEGACUT A，德国Heinrich Stamm公司的STAMMCUT ZC900和ZC950等等。

   韩国OPEC公司的ZINCO系列镀锌电极丝，虽然也是采用的浸渍工艺，但是其工艺方法与众不同，申请到了美国、日本、欧洲和中国的发明专利。该工艺的特点是先将黄铜芯材拉制到了接近最后直径的时候进行镀层，然后再拉丝。其镀层由多层铜锌合金组成，锌的比例从里到外呈梯度渐变，以外层的锌为最多，且表面是有利于改善冲洗性能的微观多孔结构。这种电极丝已为线切割机制造商Sodick和Agie-Charmilles所采用。同时也是目前国内最畅销的镀锌电极丝。

   今年开始韩国有几家电极丝制造商也在尝试用电镀的方法生产镀锌电极丝，如果能形成批量进入市场的话，相信会给国内用户带来更多的实惠。

  高速度加工用镀层电极丝

   这种电极丝以扩散退火工艺制作，是一种复合电极丝，有较厚的含有50%的锌和50%的紫铜的镀层。这种镀层需经过一系列的热处理过程，其颜色因镀层扩散而从亮银色变为黄褐色。这种电极丝的芯为α结构而镀层则为β结构，它最后经过一道拉伸加工通过冷压把镀层压进芯材中。扩散过的电极丝表面是多孔的，它有助于改善冲洗性。这种电极丝的切割速度是目前最快的。常见的品牌有COBRA CUT D、BRONCO CUT X、MEGACUT D、SWX、STAMMCUT Xi等。

   韩国OPEC公司针对Charmilles的线切割机研制的HUNT-X电极丝，虽然不是采用扩散退火工艺，但是其切割性能与这类电极丝非常相似，也属于高速电极丝，可以用于对速度有较高要求的加工。

   高难度加工用镀层电极丝

   钢芯电极丝是一种复合丝。它由钢制的芯加上中间的紫铜镀层和外面的黄铜镀层组成。钢芯在常温下的拉伸强度与黄铜丝差不多，但是随着温度的升高黄铜丝的拉伸强度迅速降低，而钢的拉伸强度则高于黄铜丝了。但是，由于港的导电性能不好，因此在钢芯外面包了一层紫铜用以提高电导率。而外面的黄铜层则起到了改善冲洗性能的作用。

   对于难度较高的线切割加工，虽然采用较粗直径（0.30mm）的电极丝，或采用镀锌电极丝可以使情况有所改善，但是要想达到较高的加工要求，最佳的选择就是这种钢芯电极丝了。

   1、高厚度加工：一般来说，当加工的工件较厚时（通常超过100mm以上），加工速度明显降低，并且加工面的直线度误差会很大。此时采用钢芯丝加工，可以明显改善速度和精度。

   2、冲水不良状态的加工：例如大斜度加工、工件厚度不规则，变化范围较大的加工和多个工件叠加起来的加工等等。冲水不良容易造成断丝，加工速度因而下降。同时，也会导致二次放电增加，影响表面质量。

   3、工件材料难以加工：例如石墨、铜、铝合金等较难切割的材料。

   常见的品牌有：日本FUJIKURA公司的COMPEED钢芯电极丝。

   超精密加工用电极丝

   黄铜丝或镀层丝的直径一般在0.30mm至0.07mm之间。而对于一些电子、光学和钟表行业的微细零件或超精密的加工，要求电极丝的直径在0.10mm至 0.03mm。过去这种电极丝是采用钨丝或钼丝制作的，价格非常昂贵。现在则普遍采用高拉伸强度的钢丝（100碳钢琴线）外面加镀黄铜来制作，俗称“钢琴线”。这种电极丝的拉伸强度为一般电极丝的2倍，高达2000 N/mm2以上。常见的品牌有德国的MICRO CUT,日本的SPWire。