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首 頁 >> 技術文章 >>電極絲的性能,種類與應用
電極絲的性能,種類與應用
日期: 2009-02-18
 
高性能的電極絲必須是各種有用特性的有機組合,那麼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)所需的高頻脈衝電流。這取決於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)。紫銅屬於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於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",對於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,所以無法用於自動穿絲,但這對切割來說並沒有影響,因為加工時電極絲上是加了張力的。軟絲適用於上、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於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%,而硬絲則小於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,並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後軟絲的抖動程度比硬絲大,所以還得折中考慮。
 
3、幾何特性
 
     線上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。電極絲製造的最後工序是採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。由於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於改善沖洗作用,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。材料受熱達到熔點後就會氣化,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,因為要衝走的顆粒少了。
 
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,當時對於厚度為50mm的工件,切割速度從12mm2/分鐘提高到25 mm2/分鐘。是什麼使速度翻了一倍呢?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於熔點較低(420℃,而紫銅為1080℃)能夠改善沖洗性。在切割過程中,鋅由於高溫而氣化使得電極絲的溫度降低並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,不過在黃銅絲的製造過程中,當鋅的比例超過40%後,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:由於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) 表面品質不佳:黃銅絲表面的銅粉和放電時由於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。同時由於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,由於沖洗性不良,會產生較大的直線度誤差(上下端尺寸誤差和鼓形差)。
 
     此外,由於價格競爭的原因,目前國內的低價黃銅絲普遍存在著各種品質問題,例如因採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品質。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。因為加工效率對於這些用戶來說不是主要問題;
(2) 對加工精度特別是表面品質要求不高的用戶;
(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,由於它成本低廉,並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於鍍層電極絲的新型黃銅絲:
 
(1) 超淨型黃銅絲:針對普通黃銅絲表面銅份過多這一弊端,通過在後道工序中增加特別的清洗工藝而製成;
(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
 
     由於低熔點的鋅對於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,並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採用0.25mm的鍍鋅電極絲,切割速度平均在150-180mm2/分鐘。
(2) 加工工件的表面品質好,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:
 
      由於浸漬這種工藝相對比較簡單,所以很多電極絲製造商都採用這種方法來生產鍍鋅電極絲。但是鍍鋅後再拉絲,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,但是採用的人不多。
 
高精度加工用鍍鋅電極絲:
 
      這類電極絲多是採用電鍍的方法,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,雖然也是採用的浸漬工藝,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後直徑的時候進行鍍層,然後再拉絲。其鍍層由多層銅鋅合金組成,鋅的比例從堥鴠~呈梯度漸變,以外層的鋅為最多,且表面是有利於改善沖洗性能的微觀多孔結構。這種電極絲已為線切割機製造商Sodick和Agie-Charmilles所採用。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製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製作,是一種複合電極絲,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,它最後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,它有助於改善沖洗性。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的線切割機研製的HUNT-X電極絲,雖然不是採用擴散退火工藝,但是其切割性能與這類電極絲非常相似,也屬於高速電極絲,可以用於對速度有較高要求的加工。
 
高難度加工用鍍層電極絲
 
      鋼芯電極絲是一種複合絲。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於黃銅絲了。但是,由於港的導電性能不好,因此在鋼芯外麵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。
 
      對於難度較高的線切割加工,雖然採用較粗直徑(0.30mm)的電極絲,或採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,並且加工面的直線度誤差會很大。此時採用鋼芯絲加工,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,變化範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,影響表面品質。
 
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。而對於一些電子、光學和鐘錶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。過去這種電極絲是採用鎢絲或鉬絲製作的,價格非常昂貴。現在則普遍採用高拉伸強度的鋼絲(100碳鋼琴線)外面加鍍黃銅來製作,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。
 
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