线切割加工中电极丝的选用

   电火花加工作为一种特种精密加工技术，近年来得到了迅速的发展。特别是慢走丝线切割加工，已经成为模具制造和金属加工行业必不可少的加工手段。线切割技术的发展，离不开电极丝技术的同步发展。因为线切割机的切割效率和切割质量与电极丝的性能紧密相关，而电极丝技术的突破往往会导致线切割机设计的革新。从1979年镀锌电极丝的发明到今天，市场上不断出现了各种各样比普通黄铜丝性能更好的电极丝，电极丝的正确选用已经成为使线切割机的性能得到最大限度的发挥并为用户创造更多利润的关键。 

   现在，在欧美和日本等发达国家，以镀锌电极丝为主的高性能电极丝正在逐渐取代放电性能受到很大局限的黄铜丝。同时，除了早已将镀锌电极丝作为标准配置的线切割机制造商Agie和Charmilles外，现在Mitsubishi和Sodick公司也在最新的机型上增加了采用镀锌丝的模式和加工参数，使这些设备的切割速度较之采用黄铜丝有30%~50%的显著提升。 

   但是在国内，前几年由于欧洲进口的镀锌电极丝价格较高，不仅几乎所有的日本、台湾和国产慢走丝机的用户都只用黄铜丝，一些本来使用镀锌电极丝的Agie机和Charmilles机用户，也改用了“便宜”的黄铜丝，造成了相当多的用户以为“电极丝就是黄铜丝”这一行业内的误区。有不少国内的用户在引进最新的高性能线切割机的同时，忽视了电极丝的重要性，以为它只不过是一种普通的消耗品。不管什么机型或加工要求，黄铜丝都以其低廉的价格似乎成了唯一的选择。 

   从2002年起，来自韩国的性价比较好的镀锌电极丝在广东地区为不少用户所采用，取得了明显的效益，至2003年行业内越来越多的用户开始关注镀锌电极丝的应用，“不同的加工，采用不同的电极丝”这一概念开始为精明的线切割用户所接受。实际上现在的线切割加工有着比过去更多的变化，从加工材料、切割速度、轮廓精度、表面质量到工厂的运行模式等等。对于这些相互起作用的变数来说，只有选择合适的电极丝才能使工厂对加工效率、加工成本和加工质量整体进行优化。 

   一、电极丝的性能 

   高性能的电极丝必须是各种有用特性的有机组合，那么电极丝有哪些有用的特性呢？ 

   1、电气特性 
   现代线切割电源对电极丝提出了严格的要求。它要能承受峰值超过700安培或平均值超过45安培的大切割电流，而且能量的传输必须非常有效，才能提供为达到高表面光洁度（0.2Ra以上）所需的高频脉冲电流。这取决于电极丝的电阻或电导率。紫铜是电导率最高的材料之一，它被用来作为衡量其他材料的基准。紫铜的电导率标为100%IACS（国际退火紫铜标准），而黄铜的电导率为20%。 

   2、机械特性 
   拉伸强度： 
   拉伸强度是衡量材料在受到径向负荷时抵抗断裂的能力。它是用单位截面积所能承受的重量来标度的，如英制的PSI（磅/平方英寸）或公制的N/mm2(牛顿/平方毫米)。紫铜属于拉伸强度最低的材料（245N/mm2），而钼则最高（1930N/mm2）。电极丝的拉伸强度取决于材料的选择以及各种热处理和拉伸处理工艺。电极丝有时被分为"软丝"和"硬丝"，对于不同的设备和应用来说，各有其长处。

   记忆效应： 
   这与电极丝的"软"或"硬"直接相关。软丝抽离线轴时没有恢复成直线的记忆能力，所以无法用于自动穿丝，但这对切割来说并没有影响，因为加工时电极丝上是加了张力的。软丝适用于上、下导丝咀不能倾斜的设备进行超过7度的大斜度切割。而硬丝则是自动穿丝机的最佳选择，同时因为拉伸强度高，其抵抗因切割时电流和冲洗力造成丝的抖动的能力较强。 
延伸率： 
延伸率是切割加工中由于张力和热量引起电极丝长度变化的百分比。软丝的延伸率可大到20%，而硬丝则小于2%。软丝在斜度加工时，延伸率高的电极丝能更保证斜面的几何精度，并且较软的电极丝在导丝咀中滑动时产生的震动也较小。不过电极丝进入切割区后软丝的抖动程度比硬丝大，所以还得折中考虑。 

   3、几何特性 
在线切割技术发展的早期（1969年到七十年代中期），对电极丝几乎没有做任何的研究，用的是现成的电机和电缆上的紫铜丝。而今天，高效率高精度的线切割机要求电极丝具有误差极小的几何特性。电极丝制造的最后工序是采用多个宝石拉丝模来得到光滑、圆度极好、丝径公差为+/-0.001mm的成品。另一方面，还有一些电极丝却特意设计成具有相对粗糙的表面，可以提高切割速度。 

   4、热物理特性 
电极丝的热物理特性是提高切割效率的关键。这些特性是通过合金成分的配比或基础芯材的选择来确定的。 
   熔点： 
   电极丝的熔点是一项重要的指标。由于电极丝通过导丝咀时的机械运动，以及冲洗力和放电等因素，电极丝在切割时是有抖动的。这将造成无数次的极小的短路，使切割过程减慢。电极丝工作时如果在外径上能够损耗一些，这样它在面对切口方向的空隙可以防止或减少短路效应。同时它在背对切口方向的空隙有助于改善冲洗作用，可以更好的去除加工废屑。电极丝外径的损耗不会影响加工精度，因为新的电极丝在不断的进给。这是冶金学家在研究电极丝的冲洗性时要考虑的材料的两个特性之一。 
   气化压力： 
   电火花切割时会产生大量的热量，其中的一些热量被电极丝吸收走了，这会降低切割效率。如果太多的热量损耗在电极丝上，电极丝就会因过热而熔断。因此需要电极丝表面能够快速气化，在电极丝得到冷却的同时把热能释放到工件上。材料受热达到熔点后就会气化，产生气化压力。熔点低的材料更容易气化。电极丝所应该具有的另一个特性就是低熔点和高气化压力，可以帮助把废渣吹离切缝。这就是电极丝冲洗性好所应该具备的另一个特性。当电极丝和工件在切割表面处是气化而不是熔化时，产生的是气体而不是熔化的金属颗粒。这反过来又改善了冲洗过程，因为要冲走的颗粒少了。 

   二、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。 

   三、怎样考虑不同的电极丝对加工成本的影响 

  “欲工其效，先利其器”。在制造业里层出不穷的新设备、新工具和新材料带来的是更好的加工效果和更高的加工效率，同时也意味着更好的经济效益。行业内最先得益的总是那些熟知技术发展动向而首先采用先进技术的企业。这对于线切割来说也是完全一样的。随着线切割技术的不断发展和人们对效率和质量的追求，新的高性能电极丝必然取代黄铜丝而成为市场的主角。积极的采用高效电极丝将对线切割机用户的财务报表或竞争能力产生深刻的影响。我们从以下方面来研究一下工厂加工现状与加工成本的关系： 

   1、工厂现有设备的加工能力是否满足业务增长的需要？ 
   l 设备是否24小时运行？ 
   l 是否需要经常性外发加工？ 
   l 是否准备添置新的设备？ 

   如果在采用黄铜丝的情况下，设备即使24小时运行也不能满足加工需求，而不得不靠外发加工来弥补，同时也在考虑增加更多的设备，那么这样的工厂首先可以尝试换用效率更高的电极丝，也许可以即刻缓解迫在眉睫的加工矛盾而不必一下投入太多的资金。在设备数量不变的情况下，减少外发加工量还可以带来直接的效益。 

   2、工厂线切割加工的工时费率在同行业内处于什么水平？ 

   这直接反映出工厂的竞争能力。由于工时费率往往受行业平均水平的制约，相同的费率水平下，利润的多少取决于工厂最大限度的提高生产效率和降低费用的能力。 

   3、工厂对现在的加工质量满意吗？ 

   如果长期以来都是使用黄铜电极丝而加工质量经常出现问题，需要返工，造成延期交货，导致客户的不满，那么换上别的电极丝能不能提高加工精度和表面质量？对于不同的工件材质，有没有考虑过选用不同的电极丝而得到有更好的加工效果？这同样会影响到工厂的加工成本和效益。 

   下面，我们通过一个加工实例来计算一下电极丝对加工成本的影响： 

测试机型：SODICK AQ325L（2000年出厂） 
测试工件：材料SKH-9钢，厚度60mm，切割长度29.99mm 
测试结果对比： 
项目 黄铜丝 镀锌电极丝 说明 
电极丝厂牌 某国产硬丝 ZINCO 
电极丝直径（mm） 0.20 0.20 
切割次数 3 3 切1修2 
尺寸精度 尺寸误差：6微米 尺寸误差：1微米 加工精度明显提高 
直线度误差：2微米 直线度误差：4微米 
尖角部位形状误差 明显可见形状误差 有明显改善 用镀锌丝切割时不用补偿，角部误差明显减小 
表面质量（直观） 有积铜 有明显提高 
切割厚度（mm） 60 60 
切割长度（mm） 29.99 29.99 
切割面积（mm²） 1799.4 1799.4 
加工时间（分钟） 39.5 27.3 快了31% 
加工速度（mm²/分钟） 45.6 65.9 切1修2的平均加工速度 
经济效益计算： 
黄铜电极丝 镀锌电极丝 
走丝速度（米/分钟） 13 
耗丝长度（米/小时） 13x60=780 
重量长度换算系数（克/米） 0.27（对于直径为0.20mm的电极丝） 
每小时耗丝量（公斤） 780x0.27/1000=0.211 
每月实际放电时间（小时） 30天x16小时/天=480小时 
每月耗丝量（公斤） 0.211x480=101.28 
单价（元/公斤） 30.00 98.00 
每月电极丝费用（元） 101.28x30=3038.40 101.28x98=9925.44 
采用镀锌丝后每月增加费用（元） 9925.44-3038.40=6887.04元 
“切1修2”的速度（mm²/分钟）45.6 65.9 
每月可加工面积（mm²） 45.6x480x60=1313280 65.9x480x60=1897920 
“切1修2”加工费率 ￥0.045/ mm² 
每月每台机加工费收入 1313280x0.045=59,097.60 1897920x0.045=85406.40 
扣除电极丝增加的费用后，每月每台机增加的收入（元） 85406.40-59097.60-6887.04=19421.76元 增幅33% 

   说明 
   1、以上计算假设了放电时间占加工时间的2/3，且加工的零件大致相同，以“切一修二”为主。 

   2、用户可以根据各自情况进行测算，虽然结果各不相同，但是根据我们与广东地区几十家用户的交流得知，对于加工量充足的用户，收入肯定有增加的。 

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