線切割加工中電極絲的選用

電火花加工作為一種特種精密加工技術，近年來得到了迅速的發展。特別是慢走絲線切割加工，已經成為模具制造和金屬加工行業必不可少的加工手段。線切割技術的發展，離不開電極絲技術的同步發展。因為線切割機的切割效率和切割質量與電極絲的性能緊密相關，而電極絲技術的突破往往會導致線切割機設計的革新。從1979年鍍鋅電極絲的發明到今天，市場上不斷出現了各種各樣比普通黃銅絲性能更好的電極絲，電極絲的正確選用已經成為使線切割機的性能得到最大限度的發揮并為用戶創造更多利潤的關鍵。


  現在，在歐美和日本等發達國家，以鍍鋅電極絲為主的高性能電極絲正在逐漸取代放電性能受到很大局限的黃銅絲。同時，除了早已將鍍鋅電極絲作為標準配置的線切割機制造商Agie和Charmilles外，現在Mitsubishi和Sodick公司也在最新的機型上增加了采用鍍鋅絲的模式和加工參數，使這些設備的切割速度較之采用黃銅絲有30%~50%的顯著提升。


  但是在國內，前幾年由于歐洲進口的鍍鋅電極絲價格較高，不僅幾乎所有的日本、臺灣和國產慢走絲機的用戶都只用黃銅絲，一些本來使用鍍鋅電極絲的Agie機和Charmilles機用戶，也改用了"便宜"的黃銅絲，造成了相當多的用戶以為"電極絲就是黃銅絲"這一行業內的誤區。有不少國內的用戶在引進最新高性能的線切割機的同時，忽視了電極絲的重要性，以為它只不過是一種普通的消耗品。不管什么機型或加工要求，黃銅絲都以其低廉的價格似乎成了唯一的選擇。


  從2002年起，來自韓國的性價比較好的鍍鋅電極絲在廣東地區為不少用戶所采用，取得了明顯的效益，至2003年行業內越來越多的用戶開始關注鍍鋅電極絲的應用，"不同的加工，采用不同的電極絲"這一概念開始為精明的線切割用戶所接受。實際上現在的線切割加工有著比過去更多的變化，從加工材料、切割速度、輪廓精度、表面質量到工廠的運行模式等等。對于這些相互起作用的變數來說，只有選擇合適的電極絲才能使工廠對加工效率、加工成本和加工質量整體進行優化。


  一、電極絲的性能
  高性能的電極絲必須是各種有用特性的有機組合，那么電極絲有哪些有用的特性呢？
  1、電氣特性
  現代線切割電源對電極絲提出了嚴格的要求。它要能承受峰值超過700安培或平均值超過45安培的大切割電流，而且能量的傳輸必須非常有效，才能提供為達到高表面光潔度（0.2Ra以上）所需的高頻脈沖電流。這取決于電極絲的電阻或電導率。紫銅是電導率最高的材料之一，它被用來作為衡量其他材料的基準。紫銅的電導率標為100%IACS（國際退火紫銅標準），而黃銅的電導率為20%。
  2、機械特性
  拉伸強度：
  拉伸強度是衡量材料在受到徑向負荷時抵抗斷裂的能力。它是用單位截面積所能承受的重量來標度的，如英制的PSI（磅/平方英寸）或公制的N/mm2(牛頓/平方毫米)。紫銅屬于拉伸強度最低的材料（245N/mm2），而鉬則最高（1930N/mm2）。電極絲的拉伸強度取決于材料的選擇以及各種熱處理和拉伸處理工藝。電極絲有時被分為"軟絲"和"硬絲"，對于不同的設備和應用來說，各有其長處。
  記憶效應：
  這與電極絲的"軟"或"硬"直接相關。軟絲抽離線軸時沒有恢復成直線的記憶能力，所以無法用于自動穿絲，但這對切割來說并沒有影響，因為加工時電極絲上是加了張力的。軟絲適用于上、下導絲咀不能傾斜的設備進行超過7度的大斜度切割。而硬絲則是自動穿絲機的最佳選擇，同時因為拉伸強度高，其抵抗因切割時電流和沖洗力造成絲的抖動的能力較強。
  延伸率：
  延伸率是切割加工中由于張力和熱量引起電極絲長度變化的百分比。軟絲的延伸率可大到20%，而硬絲則小于2%。軟絲在斜度加工時，延伸率高的電極絲能更保證斜面的幾何精度，并且較軟的電極絲在導絲咀中滑動時產生的震動也較小。不過電極絲進入切割區后軟絲的抖動程度比硬絲大，所以還得折中考慮。
  3、幾何特性
  在線切割技術發展的早期（1969年到七十年代中期），對電極絲幾乎沒有做任何的研究，用的是現成的電機和電纜上的紫銅絲。而今天，高效率高精度的線切割機要求電極絲具有誤差極小的幾何特性。電極絲制造的最后工序是采用多個寶石拉絲模來得到光滑、圓度極好、絲徑公差為+/-0.001mm的成品。另一方面，還有一些電極絲卻特意設計成具有相對粗糙的表面，可以提高切割速度。
  4、熱物理特性
  電極絲的熱物理特性是提高切割效率的關鍵。這些特性是通過合金成分的配比或基礎芯材的選擇來確定的。
  熔點：
  電極絲的熔點是一項重要的指標。由于電極絲通過導絲咀時的機械運動，以及沖洗力和放電等因素，電極絲在切割時是有抖動的。這將造成無數次的極小的短路，使切割過程減慢。電極絲工作時如果在外徑上能夠損耗一些，這樣它在面對切口方向的空隙可以防止或減少短路效應。同時它在背對切口方向的空隙有助于改善沖洗作用，可以更好的去除加工廢屑。電極絲外徑的損耗不會影響加工精度，因為新的電極絲在不斷的進給。這是冶金學家在研究電極絲的沖洗性時要考慮的材料的兩個特性之一。
  氣化壓力：
  電火花切割時會產生大量的熱量，其中的一些熱量被電極絲吸收走了，這會降低切割效率。如果太多的熱量損耗在電極絲上，電極絲就會因過熱而熔斷。因此需要電極絲表面能夠快速氣化，在電極絲得到冷卻的同時把熱能釋放到工件上。材料受熱達到熔點后就會氣化，產生氣化壓力。熔點低的材料更容易氣化。電極絲所應該具有的另一個特性就是低熔點和高氣化壓力，可以幫助把廢渣吹離切縫。這就是電極絲沖洗性好所應該具備的另一個特性。當電極絲和工件在切割表面處是氣化而不是熔化時，產生的是氣體而不是熔化的金屬顆粒。這反過來又改善了沖洗過程，因為要沖走的顆粒少了。
  二、電極絲的種類與應用
  目前，市場上可選用的電極絲可分為以下幾類：
  1、黃銅絲
  黃銅絲是線切割領域中第一代專業電極絲。1977年，黃銅絲開始進入市場。這種電極絲曾帶來了切割速度上的突破，當時對于厚度為50mm的工件，切割速度從12mm2/分鐘提高到25 mm2/分鐘。是什么使速度翻了一倍呢？黃銅是紫銅與鋅的合金，最常見的配比是65%的紫銅和35%的鋅。當時發現黃銅絲中的鋅由于熔點較低（420℃，而紫銅為1080℃）能夠改善沖洗性。在切割過程中，鋅由于高溫而氣化使得電極絲的溫度降低并把熱量傳送到工件的加工面上。理論上講，鋅的比例越高越好，不過在黃銅絲的制造過程中，當鋅的比例超過40%后，電極絲的α單相結晶結構變成了α和β雙相結晶結構。這時材料變得太脆而不適合把它拉成直徑很小的細絲。
  黃銅絲可以有不同的拉伸強度來滿足不同的設備和應用場合。這是通過一系列的拉絲（淬火作用）和熱處理（退火）工序來實現的。普通黃銅絲的拉伸強度在490-900N/mm2之間。
  黃銅絲的主要缺點：
(1) 加工速度無法提高：由于黃銅中鋅的比例一定，所以放電時的能量轉換效率無法進一步提高；以0.25mm黃銅絲切割30-60mm厚的鋼材為例，國內很多用戶的主切速度都在120mm2/分鐘左右。
(2) 表面質量不佳：黃銅絲表面的銅粉和放電時由于電極絲表層氣化而帶出的銅微粒會積存在工件的加工面上形成表面積銅。同時由于沖洗性不好而在工件表面產生較厚的變質層，這些都會影響工件的表面硬度和粗糙度；
(3) 加工精度不高：特別是在加工較厚的工件時，由于沖洗性不良，會產生較大的直線度誤差（上下端尺寸誤差和鼓形差）。
  此外，由于價格競爭的原因，目前國內的低價黃銅絲普遍存在著各種質量問題，例如因采用的銅材胚料材質不良以及拉絲設備和工藝上的原因導致黃銅絲表面銅粉較多，截面幾何誤差太大等等，這些都會導致放電穩定性下降，嚴重影響加工速度和質量。同時，還會污染設備部件加大設備的損耗。
  黃銅絲的應用場合：
(1) 加工量不足，不是24小時開機的用戶。因為加工效率對于這些用戶來說不是主要問題；
(2) 對加工精度特別是表面質量要求不高的用戶；
(3) 以加工小尺寸、薄厚度為主的用戶。因為工件裝夾調整的時間占總加工時間的比例較高，切割時間較少，對加工效率的影響不明顯。
(4) 工件的材料硬度不高或厚度不超過80-100mm。
  雖然隨著各種更好性能的鍍層電極絲的出現和普及，黃銅絲的市場份額呈不斷下降的趨勢，但是，由于它成本低廉，并且能滿足普通的加工需求，因此還會繼續得到廣泛的應用。同時，市場上還出現了一些在性能上有不同程度改善的且價格低于鍍層電極絲的新型黃銅絲：
(1) 超凈型黃銅絲:針對普通黃銅絲表面銅份過多這一弊端，通過在后道工序中增加特別的清洗工藝而制成；
(2) 超硬型黃銅絲:通過在黃銅中加入其他微量元素，使黃銅絲的拉伸強度高達1200 N/mm2。這種絲在加工超厚或超硬工件時可以改善加工精度和速度；
(3) 高速型黃銅絲:將黃銅中鋅的比例加大到極限的40%，可以改善沖洗性，提高切割速度。但是，其切割速度還是比鍍鋅電極絲要慢。
  2、鍍層電極絲
  由于低熔點的鋅對于改善電極絲的放電性能有著明顯的作用，而黃銅中鋅的比例又受到限制，所以人們想到了在黃銅絲外面再加一層鋅，這就產生了鍍鋅電極絲。1979年瑞士幾位工程師發明的這種方法，使電極絲的發展向前邁進了一大步，并導致了更多新型鍍層電極絲的出現。
  鍍層電極絲的主要優點：
(1) 切割速度高，不易斷絲。品質好的鍍鋅電極絲切割速度可比優質黃銅絲快30-50%，目前廣東地區很多用戶采用0.25mm的鍍鋅電極絲，切割速度平均在150-180mm2/分鐘。
(2) 加工工件的表面質量好，無積銅，變質層得到改善，因此工件表面的硬度更高，模具的壽命延長。
(3) 加工精度提高，特別是尖角部位的形狀誤差、厚工件的直線度誤差等均比黃銅絲有改善。
(4) 導絲咀等部件的損耗減小。鋅的硬度比黃銅低，同時鍍鋅絲不象黃銅絲那樣有很多銅粉，所以不容易堵塞導絲咀，污染相關部件。
  鍍層電極絲生產工藝主要有浸漬、電鍍和擴散退火這三種方法。電極絲的芯材主要有黃銅、紫銅和鋼。鍍層的材料則有鋅、紫銅、銅鋅合金和銀。目前市場上較為成熟的這類電極絲按應用區分主要有以下幾種：
  普通鍍鋅電極絲：
  由于浸漬這種工藝相對比較簡單，所以很多電極絲制造商都采用這種方法來生產鍍鋅電極絲。但是鍍鋅后再拉絲，其最大的問題是無法控制鍍層的均勻性，所以用這種工藝生產的電極絲放電性能不夠穩定，速度只比黃銅絲提高不到10%。有些品質較差的鍍鋅電極絲其顏色往往不是均勻的銀灰色，可以看到一些淺黃色相間其中，這就是所謂"露銅"現象。這類電極絲雖然價格比較便宜，只比黃銅絲稍貴一些，但是采用的人不多。
  高精度加工用鍍鋅電極絲：
  這類電極絲多是采用電鍍的方法，所以可以較好的控制鍍鋅層的厚度，放電性能穩定，不易斷絲，適合四次切割以上的精密加工。切割速度一般可以比黃銅絲快30%左右。這種電極絲的剖面見。常見的品牌有德國Berkenhoff公司的COBRA CUT A、MEGACUT A，德國Heinrich Stamm公司的STAMMCUT ZC900和ZC950等等。                     
  韓國OPEC公司的ZINCO系列鍍鋅電極絲，雖然也是采用的浸漬工藝，但是其工藝方法與眾不同，申請到了美國、日本、歐洲和中國的發明專利。該工藝的特點是先將黃銅芯材拉制到了接近最后直徑的時候進行鍍層，然后再拉絲。其鍍層由多層銅鋅合金組成，鋅的比例從里到外呈梯度漸變，以外層的鋅為最多，且表面是有利于改善沖洗性能的微觀多孔結構。這種電極絲已為線切割機制造商Sodick和Agie-Charmilles所采用。同時也是目前國內最暢銷的鍍鋅電極絲。
  今年開始韓國有幾家電極絲制造商也在嘗試用電鍍的方法生產鍍鋅電極絲，如果能形成批量進入市場的話，相信會給國內用戶帶來更多的實惠。
  高速度加工用鍍層電極絲
  這種電極絲以擴散退火工藝制作，是一種復合電極絲，有較厚的含有50%的鋅和50%的紫銅的鍍層。這種鍍層需經過一系列的熱處理過程，其顏色因鍍層擴散而從亮銀色變為黃褐色。這種電極絲的芯為α結構而鍍層則為β結構，它最后經過一道拉伸加工通過冷壓把鍍層壓進芯材中。擴散過的電極絲表面是多孔的，它有助于改善沖洗性。這種電極絲的切割速度是目前最快的。常見的品牌有COBRA CUT D、BRONCO CUT X、MEGACUT D、SWX、STAMMCUT Xi等。                            
  韓國OPEC公司針對Charmilles的線切割機研制的HUNT-X電極絲，雖然不是采用擴散退火工藝，但是其切割性能與這類電極絲非常相似，也屬于高速電極絲，可以用于對速度有較高要求的加工。
  高難度加工用鍍層電極絲
  鋼芯電極絲是一種復合絲。它由鋼制的芯加上中間的紫銅鍍層和外面的黃銅鍍層組成。鋼芯在常溫下的拉伸強度與黃銅絲差不多，但是隨著溫度的升高黃銅絲的拉伸強度迅速降低，而鋼的拉伸強度則高于黃銅絲了。但是，由于鋼的導電性能不好，因此在鋼芯外面包了一層紫銅用以提高電導率。而外面的黃銅層則起到了改善沖洗性能的作用。                                                  
  對于難度較高的線切割加工，雖然采用較粗直徑（0.30mm）的電極絲，或采用鍍鋅電極絲可以使情況有所改善，但是要想達到較高的加工要求，最佳的選擇就是這種鋼芯電極絲了。
1、 高厚度加工：一般來說，當加工的工件較厚時（通常超過100mm以上），加工速度明顯降低，并且加工面的直線度誤差會很大。此時采用鋼芯絲加工，可以明顯改善速度和精度。
2、 沖水不良狀態的加工：例如大斜度加工、工件厚度不規則，變化范圍較大的加工和多個工件疊加起來的加工等等。沖水不良容易造成斷絲，加工速度因而下降。同時，也會導致二次放電增加，影響表面質量。
3、 工件材料難以加工：例如石墨、銅、鋁合金等較難切割的材料。
常見的品牌有：日本FUJIKURA公司的COMPEED鋼芯電極絲。
  超精密加工用電極絲
  黃銅絲或鍍層絲的直徑一般在0.30mm至0.07mm之間。而對于一些電子、光學和鐘表行業的微細零件或超精密的加工，要求電極絲的直徑在0.10mm至 0.03mm。過去這種電極絲是采用鎢絲或鉬絲制作的，價格非常昂貴。現在則普遍采用高拉伸強度的鋼絲（100碳鋼琴線）外面加鍍黃銅來制作，俗稱"鋼琴線"。這種電極絲的拉伸強度為一般電極絲的2倍，高達2000 N/mm2以上。常見的品牌有德國的MICRO CUT,日本的SPWire。
  三、怎樣考慮不同的電極絲對加工成本的影響
  "欲工其效，先利其器"。在制造業里層出不窮的新設備、新工具和新材料帶來的是更好的加工效果和更高的加工效率，同時也意味著更好的經濟效益。行業內最先得益的總是那些熟知技術發展動向而首先采用先進技術的企業。這對于線切割來說也是完全一樣的。隨著線切割技術的不斷發展和人們對效率和質量的追求，新的高性能電極絲必然取代黃銅絲而成為市場的主角。積極的采用高效電極絲將對線切割機用戶的財務報表或競爭能力產生深刻的影響。我們從以下方面來研究一下工廠加工現狀與 加工成本的關系：
1、工廠現有設備的加工能力是否滿足業務增長的需要？
a)設備是否24小時運行？
b)是否需要經常性外發加工？
c)是否準備添置新的設備？
如果在采用黃銅絲的情況下，設備即使24小時運行也不能滿足加工需求，而不得不靠外發加工來彌補，同時也在考慮增加更多的設備，那么這樣的工廠首先可以嘗試換用效率更高的電極絲，也許可以即刻緩解迫在眉睫的加工矛盾而不必一下投入太多的資金。在設備數量不變的情況下，減少外發加工量還可以帶來直接的效益。
2、工廠線切割加工的工時費率在同行業內處于什么水平？
這直接反映出工廠的競爭能力。由于工時費率往往受行業平均水平的制約，相同的費率水平下，利潤的多少取決于工廠最大限度的提高生產效率和降低費用的能力。
3、工廠對現在的加工質量滿意嗎？
如果長期以來都是使用黃銅電極絲而加工質量經常出現問題，需要返工，造成延期交貨，導致客戶的不滿，那么換上別的電極絲能不能提高加工精度和表面質量？對于不同的工件材質，有沒有考慮過選用不同的電極絲而得到有更好的加工效果？這同樣會影響到工廠的加工成本和效益。
下面，我們通過一個加工實例來計算一下電極絲對加工成本的影響：
測試機型：SODICK和 AQ325L（2000年出廠），
測試工件：材料SKH-9鋼，厚度60mm，切割長度29.99mm，
測試材料：黃銅絲（某國產硬絲）和ZINCO鍍鋅電極絲，
電極絲直徑（mm）為0.20， 
切割次數均3，切1修2，
尺寸精度：黃銅絲尺寸誤差：6微米，直線度誤差4微米，鍍鋅絲尺寸誤差：1微米，直線度誤差2微米；加工精度明顯提高；
尖角部位形狀誤差：黃銅絲明顯可見形狀誤差，鍍鋅絲則有明顯改善，用鍍鋅絲切割時不用補償，角部誤差明顯減小；
表面質量（直觀）：黃銅絲有積銅，鍍鋅絲有明顯提高；
切割厚度（mm）：均為60，
切割長度（mm）：均為29.99， 
切割面積（mm2）：均為1799.4， 
加工時間（分鐘）：黃銅絲為39.5，鍍鋅絲為27.3，快了31%；
加工速度（mm2/分鐘）：黃銅絲為45.6，鍍鋅絲為65.9，此為切1修2的平均加工速度。