鄧 聰，劉志東，張 明，張燕濱，季益超

（南京空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

單向走絲電火花線切割電極絲的分類及發(fā)展

鄧 聰，劉志東，張 明，張燕濱，季益超

（南京空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

正確選用單向走絲電火花線切割的電極絲，對(duì)高速切割和高精度加工起著至關(guān)重要的作用，對(duì)提高工藝穩(wěn)定性和降低加工成本也有重要的影響。通過(guò)敘述單向走絲電火花線切割電極絲從紫銅絲到鍍鋅絲的發(fā)展過(guò)程，以及電極絲的性能、種類及優(yōu)缺點(diǎn)等，進(jìn)一步分析了電極絲的發(fā)展趨勢(shì)，有助于加工時(shí)對(duì)各類電極絲的正確選用。

單向走絲；電火花線切割加工；電極絲；分類；發(fā)展

單向走絲電火花線切割加工已成為精密模具制造和金屬加工等行業(yè)必不可少的加工手段[1]，而性能優(yōu)良的電極絲是單向走絲電火花線切割進(jìn)行高效加工、高表面質(zhì)量切割及獲得高精度產(chǎn)品的重要保障。目前，單向走絲電火花線切割加工所用的電極絲主要以銅鋅為基材，利用合金化的連續(xù)熔煉技術(shù)，通過(guò)再結(jié)晶退火及塑性加工而制成[2]。自20世紀(jì)70年代末鍍鋅黃銅絲進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，各種性能優(yōu)異的電極絲不斷涌現(xiàn)，使單向走絲電火花線切割工藝指標(biāo)得到了快速提升。

1 電極絲的發(fā)展歷史

單向走絲電火花線切割技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代，目前基本公認(rèn)的第一臺(tái)商業(yè)化的單向走絲電火花線切割機(jī)床是1967年在加拿大魁北克參展的、由前蘇聯(lián)生產(chǎn)的以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床，當(dāng)時(shí)其切割速度約為9 mm2/min，切割精度為0.02 mm。單向走絲電火花線切割自誕生起就一直沿用電火花成形加工的電極使用思路，采用紫銅電極絲。雖然紫銅具有極高的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性，但因受到紫銅抗拉強(qiáng)度低的影響，在放電加工時(shí)伴隨著一定的張緊力，在煤油條件下放電極易導(dǎo)致電極絲熔斷，進(jìn)而影響切割效率的提高。

1977年，黃銅絲開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。由于其大大提高了抗拉強(qiáng)度，可增加放電能量，因此帶來(lái)了切割速度上的突破，使黃銅絲成為單向走絲電火花線切割領(lǐng)域中真正的第一代專用電極絲。當(dāng)時(shí)，切割厚度50 mm的工件，切割速度可達(dá)25 mm2/min[3]。且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，低熔點(diǎn)的鋅對(duì)于改善極間的放電特性有明顯的促進(jìn)作用，但黃銅中鋅的比例又受到限制，于是人們想到了在黃銅絲外面再加一層鋅，做成包芯絲。1979年，國(guó)外研究人員通過(guò)該制造工藝發(fā)明了鍍鋅電極絲，其截面形狀見(jiàn)圖1。

圖1 鍍鋅絲交界處截面圖

對(duì)于鍍鋅黃銅絲能達(dá)到提高切割速度、又不易斷絲的主要原理如同蒸食物一樣，無(wú)論外界加熱的火焰溫度有多高，其首先作用于水中，水的沸點(diǎn)為100℃（圖2）。對(duì)于鍍鋅黃銅絲而言，雖然放電通道內(nèi)的溫度高達(dá)10 000℃左右，但該溫度首先作用在具有較低熔點(diǎn)的鍍鋅層上，鋅的熔點(diǎn)為420℃。鍍鋅層一方面通過(guò)自身的氣化首先吸收了絕大部分熱量，從而保護(hù)了電極絲基體，使得加工中不易斷絲[1]；同時(shí)，由于鍍鋅層的氣化產(chǎn)生了很強(qiáng)的爆炸性氣壓，爆炸性的氣體會(huì)將蝕除產(chǎn)物推出放電通道，從而起到改善放電通道內(nèi)洗滌、排屑性能的目的，大大提高了切割速度（圖3）。

圖2 蒸制食物原理

圖3 鍍鋅層保護(hù)銅絲原理

包芯絲制造工藝的產(chǎn)生使電極絲的發(fā)展向前邁進(jìn)了一大步，并促使更多新型鍍層電極絲的出現(xiàn)。目前，鍍層電極絲的生產(chǎn)工藝主要有浸漬、電鍍和擴(kuò)散退火三種方法；電極絲的芯材主要有黃銅、紫銅和鋼；鍍層的材料有鋅、紫銅、銅鋅合金等。

2 電極絲的主要性能

2.1 電氣特性

現(xiàn)代線切割電源對(duì)電極絲提出了嚴(yán)格的要求，要求其能承受峰值超過(guò)1000 A和平均值超過(guò)45 A的大電流切割，且能量的傳輸必須非常有效，才能提供達(dá)到更低表面粗糙度值（Ra≤0.2 μm）所需的高頻脈沖電流。而這些都取決于電極絲的電阻或電導(dǎo)率。紫銅是電導(dǎo)率最高的材料之一，可被用來(lái)作為衡量其他材料的基準(zhǔn)。紫銅的電導(dǎo)率標(biāo)為100%IACS（國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)），而黃銅的電導(dǎo)率為20%[4]。

2.2 機(jī)械特性

（1）拉伸強(qiáng)度，是衡量材料在受到負(fù)荷時(shí)抵抗斷裂的能力，用單位截面積所能承受的載荷來(lái)表示，通常單位為N/mm2。紫銅屬于拉伸強(qiáng)度最低的材料，拉伸強(qiáng)度僅為245 N/mm2，而鎢絲則最高，拉伸強(qiáng)度達(dá)3825 N/mm2。電極絲的拉伸強(qiáng)度取決于材料的選擇及各種熱處理和拉伸處理工藝。

（2）記憶效應(yīng)，這與電極絲的“軟”或“硬”相關(guān)。軟絲抽離線軸時(shí)沒(méi)有恢復(fù)成直線的記憶能力[5]，所以難以用于自動(dòng)穿絲，但這對(duì)切割并無(wú)影響，因?yàn)榧庸r(shí)對(duì)電極絲施加了張力。軟絲適用于上、下導(dǎo)絲嘴不能傾斜的設(shè)備及進(jìn)行超過(guò)15°的大斜度切割。硬絲適合自動(dòng)穿絲，同時(shí)因?yàn)槔鞆?qiáng)度高，其抵抗因切割時(shí)放電爆炸力及高壓沖洗力造成絲的抖動(dòng)的能力較強(qiáng)。

（3）延伸率，是切割過(guò)程中由于張力和熱量引起的電極絲長(zhǎng)度變化的百分比。軟絲的延伸率可達(dá)20%，而硬絲則小于2%。軟絲用于斜度加工時(shí)，因延伸率高，故能保證斜面的幾何精度，且軟絲在導(dǎo)絲嘴中滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)較小[5]。但當(dāng)電極絲進(jìn)入切割區(qū)后，軟絲的抖動(dòng)程度會(huì)比硬絲大，所以在實(shí)際切割中需進(jìn)行綜合考慮，以選擇合適的電極絲。

2.3 幾何特性

高精度的線切割機(jī)床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(gè)寶石拉絲模拉制電極絲，以得到光滑、圓度極好、絲徑公差為0.001 mm的成品。還有一些電極絲則特意設(shè)計(jì)成具有相對(duì)粗糙的表面，用以提高極間介質(zhì)帶入及蝕除產(chǎn)物帶出的能力，以達(dá)到改善極間放電狀態(tài)、進(jìn)而提高切割速度的目的。

2.4 熱物理特性

電極絲的熱物理特性是提高切割速度的關(guān)鍵。這些特性通過(guò)合金成分的配比或基礎(chǔ)芯材的選擇來(lái)進(jìn)行。

（1）電極絲熔點(diǎn)。由于電極絲通過(guò)導(dǎo)絲嘴時(shí)會(huì)產(chǎn)生微小的振動(dòng)，且在放電爆炸力及沖液壓力的作用下，在切割過(guò)程中會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，這將造成無(wú)數(shù)次極小的短路，使切割過(guò)程減慢。電極絲在工作時(shí)如果在外徑上能損耗一些，這樣它在面對(duì)切口方向的空隙就能防止或減少短路效應(yīng)；同時(shí)，它在背對(duì)切口方向的空隙有助于改善沖洗作用，可更好地排出蝕除產(chǎn)物。對(duì)于單向走絲線切割而言，由于加工過(guò)程中電極絲不斷送進(jìn)，其外徑的損耗對(duì)一般情況下的加工精度影響可忽略，這就是鍍鋅絲優(yōu)勢(shì)所在的一個(gè)方面。

（2）氣化壓力。電火花放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，其中一部分被電極絲吸收，電極絲表層材料氣化速度越快，其芯部吸收的熱量就越少；反之，電極絲表層材料氣化速度慢，其芯部就會(huì)吸收大量的熱。過(guò)多的熱量作用在電極絲上，會(huì)導(dǎo)致電極絲因過(guò)熱而產(chǎn)生熔斷，所以需要電極絲表面能快速氣化，并產(chǎn)生很大的氣化壓力，將蝕除產(chǎn)物推離放電區(qū)域，這就是所謂的電極絲的“沖洗性”。一般切割時(shí)，對(duì)于工件厚度有一個(gè)最佳厚度對(duì)應(yīng)于最高的切割速度，在此條件下，由于極間處于較好的排屑、冷卻及消電離狀態(tài)，切割速度可達(dá)到最高值；低于或高于此高度時(shí)，由于有效切割面積的降低和極間狀況的惡化，都會(huì)導(dǎo)致切割速度降低。使用黃銅電極絲加工時(shí)，工件厚度對(duì)切割速度的影響趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖4 工件厚度對(duì)加工速度的影響[6]

3 電極絲的分類及應(yīng)用

電極絲的分類見(jiàn)圖5。

圖5 電極絲的分類

3.1 黃銅絲

（1）黃銅是紫銅與鋅的合金，最常見(jiàn)的配比是質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%的紫銅和35%的鋅。由于黃銅絲中鋅的熔點(diǎn)較低（鋅為420℃，紫銅為1080℃），可改善沖洗性，所以從理論上講鋅的比例應(yīng)越高越好。但在黃銅絲的制造過(guò)程中，當(dāng)鋅的比例超過(guò)40%后，電極絲將由單相α結(jié)晶結(jié)構(gòu)變?yōu)棣梁挺码p相結(jié)晶結(jié)構(gòu)[3]。這種材料太脆，故不適合把它拉成細(xì)絲。

黃銅絲可通過(guò)一系列不同的拉絲 （淬火作用）和熱處理（退火）工序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的拉伸強(qiáng)度（490～900 N/mm2），以滿足各類應(yīng)用場(chǎng)合。但在紫銅中加入少量鋅會(huì)大大降低其導(dǎo)電性，硬黃銅絲的導(dǎo)電性只有紫銅絲的20%，這必然會(huì)影響切割效率；且黃銅絲在切割后會(huì)有黃銅積存在工件上，很難去除，影響了切割精度。因此，普通黃銅絲不適合應(yīng)用于切割精度、速度要求較高的場(chǎng)合。

（2）黃銅絲的主要缺點(diǎn)有[7]：① 切割速度難以提高。由于黃銅中鋅的比例一定，所以放電時(shí)的能量轉(zhuǎn)換效率無(wú)法進(jìn)一步提高。以直徑0.25 mm的黃銅絲切割30～60 mm厚的鋼材為例，大多數(shù)用戶的切割速度都在120 mm2/min左右；②表面質(zhì)量不佳。黃銅絲表面的銅粉和放電時(shí)因電極絲表層氣化而帶出的銅微粒會(huì)積存在加工面上形成表面積銅；同時(shí)由于沖洗性不佳，會(huì)在工件表面產(chǎn)生較厚的變質(zhì)層，這些都會(huì)影響工件的表面硬度和粗糙度；③加工精度不高。特別是在加工較厚工件時(shí)，由于沖洗性不佳，會(huì)產(chǎn)生較大的平直度誤差（上下端尺寸誤差和鼓形差）。

（3）黃銅絲的應(yīng)用場(chǎng)合主要包括：① 加工量不足，不是24 h開(kāi)機(jī)的用戶。因?yàn)榧庸ば蕦?duì)于這些用戶來(lái)說(shuō)不是主要問(wèn)題；②加工精度特別是表面質(zhì)量要求不高的用戶；③加工小尺寸、薄厚度為主的用戶。因?yàn)楣ぜb夾調(diào)整的時(shí)間占總加工時(shí)間的比例較高，切割時(shí)間較短，對(duì)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(guò)100 mm。

（4）雖然隨著各種性能更好的鍍層電極絲的出現(xiàn)和普及，使黃銅絲的市場(chǎng)份額不斷下降，但由于它成本低廉，且能滿足普通加工需求，因此還會(huì)延續(xù)其廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，市場(chǎng)上還出現(xiàn)了一些在性能上有不同程度的改善、且價(jià)格低于鍍層電極絲的新型黃銅絲，如：①超凈型黃銅絲。針對(duì)普通黃銅絲表面銅份過(guò)多問(wèn)題，通過(guò)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(guò)在黃銅中加入其他微量元素，如鋁（rfjgwvov65%Cu、33%Zn、2%Al），可使黃銅絲的拉伸強(qiáng)度高達(dá)1200 N/mm2，且不影響其延伸率[4]。在加工超厚或超硬工件時(shí)，可改善加工精度和速度；③高速型黃銅絲。將黃銅中鋅的比例增加到極限的40%，可改善沖洗特性、提高切割速度[5]，但其切割速度還是比鍍鋅電極絲慢。

3.2 鍍鋅電極絲

（1）鍍鋅電極絲的主要優(yōu)點(diǎn)有[7]：① 切割速度高，不易斷絲。品質(zhì)好的鍍鋅絲切割速度可比優(yōu)質(zhì)黃銅絲快30%～50%，目前多數(shù)采用直徑0.25 mm的鍍鋅絲，平均切割速度在150～180 mm2/min；② 加工表面質(zhì)量好，無(wú)積銅，變質(zhì)層得到改善，所以工件表面硬度更高，延長(zhǎng)了模具的使用壽命；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均比黃銅絲有所改善；④導(dǎo)絲嘴等部件的損耗減小。由于鋅的硬度比黃銅低，同時(shí)鍍鋅絲不像黃銅絲那樣有許多銅粉，故不易堵塞導(dǎo)絲嘴及污染相關(guān)部件。

（2）鍍鋅電極絲的主要類型可分為普通鍍鋅電極絲、擴(kuò)散退火型電極絲。

普通鍍鋅電極絲的芯材為普通黃銅或銅，外面鍍一層鋅。由于浸漬工藝相對(duì)較簡(jiǎn)單，所以很多廠家都采用這種工藝方法來(lái)生產(chǎn)鍍鋅電極絲。但鍍鋅后再拉絲，其最大的問(wèn)題是無(wú)法控制鍍層的均勻性，故用該工藝生產(chǎn)的電極絲放電性能不夠穩(wěn)定，速度只比黃銅絲提高不到10%。此外，由于鋅是電鍍上去的，易出現(xiàn)電鍍層脫落的現(xiàn)象，導(dǎo)致最終切割效果不佳。

擴(kuò)散退火型電極絲的芯材為銅或黃銅，并通過(guò)擴(kuò)散退火在外層包一層銅鋅合金，其中銅和鋅的比例通常為1∶1。由于芯材為銅或黃銅，表層為采用擴(kuò)散退火形成的多孔結(jié)構(gòu)，故這種電極絲的沖洗效果比常規(guī)電極絲好，且切割速度較快。表層擴(kuò)散退火的銅和鋅由于導(dǎo)電率的限制對(duì)加工會(huì)有影響，目前這種電極絲只適合于特殊場(chǎng)合的加工。

——X型擴(kuò)散退火電極絲。其芯材為銅，鍍層為β相的銅鋅合金（圖6）。它具有銅的高導(dǎo)電性和均勻鍍層，抵抗電火花腐蝕的能力較強(qiáng)。但其缺點(diǎn)是制造成本高、抗拉強(qiáng)度低和直線度差。主要應(yīng)用于鈦合金等航空合金材料的加工。

圖6 X型擴(kuò)散退火電極絲

——D型擴(kuò)散退火電極絲。它是X型擴(kuò)散退火電極絲的進(jìn)一步發(fā)展，其芯材為銅鋅合金，鍍層為β相的銅鋅合金（圖7）。具有和X型擴(kuò)散退火電極絲相同的優(yōu)點(diǎn)，且在加工速度和精度上均有所提高。由于芯材中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的鋅，所以其抗拉強(qiáng)度可達(dá)800 N/mm2。主要用于自動(dòng)穿絲的機(jī)床[8]。

圖7 D型擴(kuò)散退火電極絲

——γ相鍍層黃銅電極絲。其芯材為黃銅，鍍層為γ相黃銅（圖8）。γ相黃銅中的鋅含量比β相銅鋅合金的鋅含量高，由于γ相鍍層非常脆，且在切割過(guò)程中易發(fā)生斷裂和脫落，為了保證加工過(guò)程中不發(fā)生斷絲，所以鍍層厚度需控制在5 μm以內(nèi)[4]。γ相鍍層的斷裂和脫落，提高了電極絲的沖洗特性，改善了沖液和排屑能力，因此增加了切割速度，但工件表面質(zhì)量有所降低。該電極絲的切割速度比普通鍍鋅絲提高10%～25%[8]，主要用于高速切割。

圖8 γ相鍍層電極絲

——γ相X型電極絲和γ相D型電極絲。這二種電極絲的芯材為銅（X型）和黃銅（D型），β相黃銅為中間層，γ相黃銅為外鍍層。γ相X型電極絲（圖9）和γ相D型電極絲（圖10）的沖洗特性都較好，中間層用于提高切割速度，外鍍層用于提高切割精度。在相同情況下，二種電極絲的切割速度比X型擴(kuò)散退火電極絲和D型擴(kuò)散退火電極絲提高10%[9]。

圖9 γ相X型電極絲

圖10 γ相D型電極絲

3.3 復(fù)合電極絲

（1）鋼芯電極絲。這是一種復(fù)合絲，由鋼制的芯加上中間的銅鍍層和外面的黃銅鍍層組成（圖11）。鋼芯在常溫下的拉伸強(qiáng)度與黃銅絲差不多，但隨著溫度升高，黃銅絲的拉伸強(qiáng)度迅速降低，而鋼的拉伸強(qiáng)度則高于黃銅絲[10]。由于鋼的導(dǎo)電性能不好，因此在鋼芯外面包了一層紫銅以提高電導(dǎo)率，而外面的銅鋅合金層則起到改善沖洗性能的作用[11]。

圖11 鋼芯電極絲

對(duì)于以下難度較高的線切割加工，雖然用較粗直徑（O.3 mm）的電極絲或用鍍鋅電極絲可使加工情況有所改善，但要想達(dá)到較高的加工要求，最佳的選擇是采用鋼芯電極絲。

——高厚度加工。單向走絲線切割加工較厚（一般100 mm以上）工件時(shí)，加工速度會(huì)明顯降低，且加工面的直線度誤差會(huì)增大。此時(shí)，用鋼芯絲加工可明顯改善加工速度和精度（圖12）。

——沖水不良狀態(tài)的加工。如：大斜度加工，工件厚度不規(guī)則和變化范圍較大的加工，多個(gè)工件疊加起來(lái)的加工等。沖水不良易造成斷絲，導(dǎo)致加工速度下降，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致二次放電增多，影響表面質(zhì)量（圖13）。此時(shí)，宜選用鋼芯電極絲。

圖12 加工高厚度工件的電極絲對(duì)表面直線度的影響

圖13 沖水不良的加工情況

（2）精細(xì)型電極絲。一般銅絲直徑最小可至0.07 mm，對(duì)于要求有小R角的精細(xì)加工（如R角的直徑要求達(dá)到0.02～0.10 mm），就需選用鎢或鉬來(lái)制造超細(xì)的電極絲。鉬絲具有極高的拉伸強(qiáng)度（1900 N/mm2）和熔點(diǎn)，相同情況下的切割速度比黃銅絲低。鎢絲具有比鉬絲更高的拉伸強(qiáng)度 （2825～3825 N/mm2）和熔點(diǎn)，用于線切割加工的鎢絲直徑最細(xì)可至0.02 mm。但是，由于鉬絲和鎢絲的硬度很高，很難自動(dòng)穿絲，使用中還會(huì)增加對(duì)走絲裝置的磨損，且鎢絲和鉬絲的成本較高，所以一般用于航空航天、醫(yī)療器械等一些不允許鋅存在的場(chǎng)合。

（3）鋼琴電極絲。這種電極絲因?yàn)樾静臑橹圃熹撉儆玫母咛间?，故被稱作鋼琴絲。其芯材為高碳鋼，表層鍍黃銅（圖14），也有再鍍鋅的（圖15）。高碳鋼絲經(jīng)多次加工及熱處理，強(qiáng)度同樣可達(dá)鎢絲或鉬絲的強(qiáng)度。這種電極絲的拉伸強(qiáng)度為一般銅絲的2倍，高達(dá)2000 N/mm2以上。

圖14 鍍黃銅鋼琴絲

圖15 鍍鋅鋼琴絲

黃銅絲或鍍層絲的直徑一般在0.07～0.30 mm，而對(duì)于一些電子、光學(xué)和鐘表行業(yè)的微細(xì)零件或超精密加工，要求電極絲直徑在0.03～0.10 mm。過(guò)去這種電極絲采用鎢絲或鉬絲制作，價(jià)格非常昂貴，且鎢、鉬材質(zhì)的硬度很高，對(duì)導(dǎo)絲器、導(dǎo)電塊和走絲系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大的磨損。一些機(jī)床制造公司在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)采用的是專用線切割機(jī)或二套走絲系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)細(xì)絲的切割加工，但這又增加了機(jī)床的制造和使用成本。包銅鋼琴絲的出現(xiàn)代替了鎢絲和鉬絲，在鋼琴絲的外層鍍上黃銅材料，使其可在與黃銅絲同樣條件下進(jìn)行放電加工，抗拉強(qiáng)度為黃銅絲的2倍[11]，且表面硬度低，對(duì)機(jī)床走絲系統(tǒng)的磨損基本和黃銅絲一樣。由于在原材料和制造方面的成本均低于鎢絲和鉬絲，包銅鋼琴絲在市場(chǎng)中仍將具有良好的低成本運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。

3.4 電極絲的正確選用

在選擇電極絲時(shí)，加工精度、表面質(zhì)量、切割速度、內(nèi)角尺寸、工件厚度和材料、錐度及加工成本等因素都需進(jìn)行綜合考慮。在正常切割時(shí)，應(yīng)選擇拉伸強(qiáng)度合適的電極絲?？估瓘?qiáng)度高的電極絲有利于切割過(guò)程中提高切割速度、減小電極絲的滯后，從而提高零件的加工精度，避免切割面因電極絲滯后導(dǎo)致的“鼓肚”、“凹心”、“塌角”等加工缺陷。

根據(jù)電極絲抗拉強(qiáng)度的大小，業(yè)內(nèi)將電極絲分為“硬絲”與“軟絲”。硬絲的拉伸強(qiáng)度高，抵抗切割時(shí)因放電爆炸力及高壓去離子水噴流造成絲的抖動(dòng)能力較強(qiáng)。軟絲因其延伸率較好，在大斜度切割中不易斷絲，故適用于大斜度切割；此外，軟絲還能較好地保證斜面切割的幾何精度，且在導(dǎo)絲嘴中滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)較小，對(duì)導(dǎo)絲嘴的磨損也較小。對(duì)于具有自動(dòng)穿絲功能的機(jī)床，電極絲的拉伸強(qiáng)度需達(dá)到780 N/mm2以上，直徑在0.2～0.25 mm范圍內(nèi)，以保證自動(dòng)穿絲的成功率。各類電極絲的選用可參考圖16。

圖16 電極絲選用圖

隨著單向走絲線切割機(jī)床電源的不斷發(fā)展，對(duì)電極絲不但要求在實(shí)際使用過(guò)程中能承受很高的峰值電流和平均電流，同時(shí)還要求電極絲傳輸?shù)碾娏鞲佑行?。只有這樣，才能適合小能量高頻脈沖的傳輸，使加工表面粗糙度值達(dá)到Ra0.4 μm甚至Ra0.2 μm以下。在一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)黃銅絲和普通鍍鋅絲能滿足大多數(shù)加工要求，一些高品質(zhì)的鍍鋅絲加工的工件表面粗糙度值可達(dá)Ra0.15 μm，能滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合（圖17）。

圖17 不同的電極絲材料對(duì)表面粗糙度的影響

電極絲直徑也是選用電極絲的參考依據(jù)之一。單向走絲線切割加工所用的電極絲直徑通常在0.02～0.35 mm，電極絲直徑的粗細(xì)對(duì)切割速度影響較大。電極絲直徑越大，可承載的脈沖峰值電流越高，從而可達(dá)到提高切割速度的目的。在相同加工情況下，電極絲直徑從0.25 mm增加到0.30 mm，切割速度會(huì)提高30%。對(duì)于切割速度500 mm2/min的超高速切割，一般采用直徑0.33 mm以上的電極絲。電極絲直徑的選擇一般以工件厚度和最小內(nèi)角半徑R作為依據(jù)。不同的電極絲直徑所對(duì)應(yīng)的加工工件厚度也不同，小直徑的電極絲適合加工較薄的工件，大直徑的電極絲適合加工較厚的工件。只有這樣，電極絲在切割過(guò)程中才不會(huì)有較大的抖動(dòng)，沖液效果好且不易斷絲，從而使加工穩(wěn)定。由于工件越厚，所需的加工電流越大，電極絲承受的拉力也越大，所以要選擇越粗的線徑。由圖18可看出，對(duì)于厚度在50 mm以上的工件，電極絲直徑對(duì)加工影響較大。

圖18 不同的電極絲直徑對(duì)切割速度的影響

4 電極絲的發(fā)展趨勢(shì)

在單向走絲線切割加工技術(shù)中，高速切割對(duì)電極絲的導(dǎo)電性要求較高，高精度加工要求電極絲的抗拉強(qiáng)度較高。因此，電極絲是否具備高的導(dǎo)電性和抗拉強(qiáng)度將起到至關(guān)重要的作用。雖然高性能電極絲（如鋼芯絲、鋼琴絲）具備這些特性，但由于成本高、易損壞剪絲裝置、直線度差和危害環(huán)境等原因，使其應(yīng)用一直受到限制。新型復(fù)合電極絲通過(guò)改善電極絲的結(jié)構(gòu)來(lái)增加帶入介質(zhì)、排出蝕除產(chǎn)物的能力及提高放電的頻率和效率，通過(guò)增加一些金屬元素來(lái)增加抗拉強(qiáng)度、減少放電電流損失及增大放電爆炸力，從而克服高性能電極絲普遍存在的一些缺點(diǎn)。

4.1 新型復(fù)合鍍層電極絲

大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電極絲材料表面有均勻的裂紋，放電時(shí)有利于放電強(qiáng)度的增大。因?yàn)榱鸭y的突起部位曲率大，電荷密度高，其附近場(chǎng)強(qiáng)也就越強(qiáng)，這是一種尖端放電現(xiàn)象（圖19）。這種復(fù)合鍍層電極絲采用特殊的復(fù)合鍍層材料，銅、鋅按有利于放電切割的比例配置，抗拉強(qiáng)度在900 MPa以上。其表層設(shè)計(jì)了一種特殊結(jié)構(gòu)的缺陷（裂紋），邊緣顏色較深的部分加入的是自潤(rùn)滑性材料（圖20）。

新型復(fù)合鍍層電極絲表面的裂紋提高了放電強(qiáng)度，使切割電流更大，有助于提高切割速度。而裂紋與間隙將有利于冷卻介質(zhì)的帶入及蝕除產(chǎn)物的排出，從而能最大限度地提高切割速度。此外，由于間隙內(nèi)被填充了一些易氣化的金屬材料，提高了放電的頻率和效率，相當(dāng)于減少了蝕除坑的大小，從而使切割表面質(zhì)量獲得提高。

圖19 特殊電極絲利用尖端放電進(jìn)行切割

圖20 新型復(fù)合鍍層電極絲

4.2 新型耐蝕電極絲

新型耐蝕電極絲本體是由合金化黃銅材料制成的芯材和覆蓋在芯材表層的金屬層構(gòu)成的，金屬層呈縱向斷裂狀分布，芯材和表層金屬層之間為過(guò)渡層。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖21。

圖21 新型耐蝕電極絲

新型耐蝕電極絲芯材層的添加元素由二部分組成，分別為 M1、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。縱向斷裂處空隙的表面積大于表層金屬層表面積的5%且小于40%，縱向斷裂處的裂紋形狀呈不規(guī)則狀態(tài)分布。

新型耐蝕電極絲的芯材金屬采用了合金化的連續(xù)熔煉鑄造技術(shù)，通過(guò)添加M1、M2不同類型的金屬元素，使電極絲材料的導(dǎo)電率達(dá)到18%～28%IACS，抗拉強(qiáng)度達(dá)550 MPa以上，從而保證切割速度比普通黃銅電極絲快15%以上。在電極絲表面存在不規(guī)則的縱向裂紋，可增加電極絲的帶液和排屑能力，從而進(jìn)一步提高切割速度。

5 結(jié)論

（1）黃銅絲和普通鍍鋅絲適用于經(jīng)濟(jì)型加工，擴(kuò)散退火型電極絲適用于高速切割，鋼芯電極絲、精細(xì)電極絲和鋼琴絲適用于高精度加工。

（2）電極絲中的鋅含量對(duì)其性能有重要影響，它提高了電極絲的冷卻能力和沖洗特性。在大厚度切割中，適當(dāng)增加電極絲中的鋅含量是有利的。

（3）電極絲的芯材需較高的抗拉強(qiáng)度，鍍層應(yīng)能提供良好的冷卻能力和沖洗特性，在黃銅絲表面做特殊處理可能是解決高性能電極絲高成本問(wèn)題的一種有效途徑。

[1] 劉志東，高長(zhǎng)水.電火花加工工藝及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 孟憲旗，萬(wàn)林輝，郭芳林，等.一種新型慢走絲線切割加工用電極絲的研究[J].模具制造，2015（3）：69-72.

[3] 趙凱.高強(qiáng)高導(dǎo)金屬?gòu)?fù)合電極線研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2006.

[4] KERN R.EDM wire primer[EB/OL].http://www.edmtoday magazine.com.

[5] 周東.線切割加工中電極絲的正確選用 [J].模具制造，2004（5）：62-66.

[6] 徠通科技.徠通AU系列線切割放電加工[EB/OL].http://www.accutex.com.tw.

[7] 張慶.淺談線切割用黃銅絲和涂層電極絲 [J].湖南農(nóng)機(jī)：學(xué)術(shù)版，2012（2）：32-33.

[8] MAHER I，SARHAN A A D，HAMDI M.Review of improvements in wire electrode properties for longer working time and utilization in wire EDM machining[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015，76（1-4）：329-351.

[9] KAPOOR J，SINGH S，KHAMBA J S.High-performance wire electrodes for wire electrical-discharge machininga review[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B：Journal of Engineering Manufacture，2012，226（11）：1757-1773.

[10]SUGIMURA K，IWAMOTO K，IZUMIDA H.New highspeed precision steel core EDM wire with new alloy coating(SUMISPARK gamma)[J].Sei.Technical Review，2015（81）：77.

[11]KAPOOR J，SINGH S，KHAMBA J S. Recent developments in wire electrodes for high performance WEDM [C]//ProceedingsoftheWorld Congresson Engineering.London，2010.

Classification and Development of Wire Electrode for Unidirectional Traveling WEDM

DENG Cong，LIU Zhidong，ZHANG Ming，ZHANG Yanbin，JI Yichao
（ College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，Nanjing 210016，China ）

The correct selection of wire electrode plays a vital role in the high-speed cutting and high-precision machining for unidirectional traveling wire electrical discharge machining(WEDM)，but also has an important influence on improving process stability and reducing machining cost.This paper narrates the development of unidirectional traveling WEDM wire electrode from copper wire to galvanized wire，including properties，types，advantagesand disadvantagesofwire electrode，and analyzes the development trend of wire electrode，which helps to make the right choice for various wire electrode in the process of machining.

unidirectional traveling；WEDM；wire electrode；classification；development

TG661

A

1009－279X（2017）04－0060-08

2017-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51575271）

鄧聰，男，1993年生，碩士研究生。