一種高效低損耗電火花腐蝕加工用電極絲及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電火花腐蝕加工領(lǐng)域，尤其涉及一種高效低損耗電火花腐蝕加工用電 極絲及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電火花線切割加工（Wire cut Electrical Discharge Machining，簡稱WEDM，WC) 又稱線切割，是利用連續(xù)移動的細金屬絲（稱為電極絲）作電極，對工件進行脈沖火花放電 蝕除金屬、切割成型，從而完成工件的加工的方法。
[0003] 電火花線切割加工的物理原理如下：被切割的工件作為工件電極，上述細金屬絲 (即電極絲）作為工具電極，為了在兩個電極之間產(chǎn)生火花，其上所施加的電壓必須高于 GAP(電極絲和工件之間的間隙）擊穿電壓，而在此過程的開始階段形成強電場，并在電極 絲與工件最靠近的地方形成最高濃度的正、負離子。在強電場作用下，電子和正離子被加速 達到很高的速度，很快形成一個導(dǎo)電的電離通道，此時兩電極（電極絲和工件）之間通過 電流而產(chǎn)生火花，引起了粒子間無數(shù)次的碰撞，形成等離子區(qū)，同時，由于"電極"和工作液 的汽化而形成了氣泡，并且其壓力上升到很高的值，因而已形成的等離子區(qū)，很快就達到了 8000°C~12000°C的極高溫。在碰撞數(shù)持續(xù)增長作用下形成的高溫，可在兩導(dǎo)體表面瞬時局 部熔化一定量的材料。當(dāng)電流被切斷時，溫度的突然下降引起了氣泡的爆炸，產(chǎn)生的動力把 熔化的材料從放電坑中拋出，被蝕除下來的材料隨后在工作液中重新凝結(jié)成小球體，構(gòu)成 了污染物，由工作液排走。加工過程中，電極和工件上的蝕除量是不相等的，這主要取決于 電極的極性，材料的熱傳導(dǎo)性、熔點，放電的持續(xù)時間和強度，以及走絲速度等，其中在電極 絲上發(fā)生的蝕除稱為損耗，而在工件上發(fā)生的蝕除則稱為材料去除量。
[0004] 電火花線切割加工過程中，人們希望電極絲上發(fā)生的損耗越少越好，這是因為電 極絲是運動著的長金屬絲，在相同的切割面積下，單位長度電極絲損耗越少，則能耗越低， 可回收利用的電極絲越多，同時對工作液環(huán)境的污染程度越小，從而實現(xiàn)清潔、環(huán)保的低損 耗線切割。目前，人們常常利用極性效應(yīng)來減少電極損耗（精加工時工具電極接負極，粗 加工時反之），如申請?zhí)枮?01010102045. 1(申請公布號為CN 101829822 A)的中國發(fā)明 專利《一種通過與極間串聯(lián)二極管以減少微細電火花加工工具電極損耗的方法》，該發(fā)明中 在距離工具電極或工件最近的地方接入高速開關(guān)二極管或超快恢復(fù)二極管，二極管正向偏 置，二極管、極間和脈沖電源三者形成一個串聯(lián)回路，能顯著減少微細電火花加工中工具電 極的損耗。然而，目前對電極絲本身進行改進以減少其在電火花腐蝕加工中損耗還未見報 道，本發(fā)明從電極絲本身出發(fā)，該電極絲通過其上的電極點實現(xiàn)快速放電切割，腐蝕金屬， 并通過設(shè)置在電極點周圍和/或靠近電極絲心部內(nèi)側(cè)的通道改善氣泡爆炸力沖出方向，使 得被蝕除下來的材料從放電坑兩側(cè)迅速拋出，防止與電極絲心部接觸，產(chǎn)生二次放電，起到 保護電極絲作用，從而減少電極絲損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)而提供一種切割效率高、損耗 小且精度高的高效低損耗電火花腐蝕加工用電極絲。
[0006] 本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)而提供一種上述電極絲的制 備方法。
[0007] 本發(fā)明解決第一個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種高效低損耗電火花腐蝕加 工用電極絲，包括芯材和殼層，所述芯材的材質(zhì)為Cu或銅合金，所述殼層的材質(zhì)為Zn或鋅 合金，其特征在于，所述殼層包括包覆于芯材表面的殼層基底、電極點以及包覆于殼層基底 表面的保護層，所述電極點為嵌設(shè)于殼層基底的電極微粒，該電極微粒由大量銅鋅合金電 子化合物聚集而成，同時所述殼層基底于電極點周圍和/或殼層基底中心處分布由內(nèi)向外 延伸的通道，該通道呈微孔狀且IOOnm <孔徑< lOOOnm。
[0008] 作為優(yōu)選，所述殼層中各成分的質(zhì)量百分數(shù)組成為：Zn 42. 5~52. 5%，余量為 Cu，其他為由原材料帶入的不可避免的雜質(zhì)，且不可避免雜質(zhì)的含量之和< 0. 3 %，該鋅含 量設(shè)置可使切割放電時的氣化性能得到加強，有助于提高切割工件的表面光潔度。
[0009] 本發(fā)明中的殼層的厚度為10~50 μ m，同時還具有良好的導(dǎo)電率且導(dǎo)電率為22~ 25% IACS，殼層的殼層基底相對韌性良好，能避免了電極絲在切割放電過程中由于韌性不 足而造成的斷線，另外該殼層基底具有良好的導(dǎo)電性能，能更加有效地傳輸放電能量，提高 切割效率。
[0010] 作為優(yōu)選，所述電極點的粒徑為200~2000nm，所述電極點占殼層基底的比例為 20~80%，進一步，80%的所述電極點以芯材為中心呈環(huán)形均勻分布于芯材外側(cè)，如上所 述，電極點為嵌設(shè)于殼層基底的電極微粒，該電極微粒由大量的銅鋅合金電子化合物聚集 而成，由于電子具有相對較小的質(zhì)量和慣性，因此容易獲得較大的加速度和速度，在擊穿放 電的初始階段能快速奔向正極，把能量傳遞至工件正極表面，使其快速熔化和氣化，從而使 得電極點具有優(yōu)越的放電效果，實現(xiàn)快速放電切割，腐蝕金屬。
[0011] 作為優(yōu)選，所述銅鋅合金電子化合物為CuZn、Cu3Zn2、Cu 5Zn8中的至少一種。
[0012] 作為優(yōu)選，所述芯材中各成分的質(zhì)量百分數(shù)組成為：Cu 58. 5~68. 5%，余量為 Zn，其他為由原材料帶入的不可避免的雜質(zhì)，且不可避免雜質(zhì)的含量之和< 0. 3%。
[0013] 本發(fā)明解決第二個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：（1)芯材制備：取所需的Cu或 銅合金進行拉伸加工制成線徑為Φ0. 6~Φ1. 5mm的母線，拉伸強度為400~600MPa，該銅 合金中Cu含量為58. 5~68. 5%，余量為Zn及不可避免的雜質(zhì)元素，且不可避免雜質(zhì)元素 的含量彡0.3% ;
[0014] (2)殼層基底制備：在上述制備的母線上包覆一層厚度為10~50 μπι的Zn或鋅合 金形成殼層基底，從而制得第一線坯，該鋅合金中Zn含量為42. 5~99%，余量為Cu，其他 為由原材料帶入的不可避免的雜質(zhì)，且不可避免雜質(zhì)的含量之和< 〇. 3%，該殼層基底的硬 度為HB20~50,斷面收縮率為60%以上，導(dǎo)電率為22~25% IACS，此時的殼層基底相對硬 度較低，便于步驟（3)中嵌入電極微粒而形成電極點，并且具有良好塑韌性和冷加工性能， 在電極絲加工過程中有利于電極微粒在殼層基底中呈環(huán)形均勻分布；
[0015] (3)電極點和通道的形成：將上述第一線坯通過熱處理及壓力加工方法處理，使 得殼層基底中獲得所需的電極點及通道，制得電極絲半成品，其中熱處理參數(shù)為：熱處理溫 度400~500°C，熱處理時間2~10h，熱處理過程中充氮氣保護；壓力加工方法處理參數(shù)： 加工速度500~1500m/min，加工電壓10~50V，電流為5~20A，加工率為82. 6~97. 2 %;
[0016] (4)保護層的制備：將上述制備的電極絲半成品進行鈍化和烘干處理而形成厚度 為0. 1~0. 5 μπι的保護層，其中烘干溫度為50~KKTC，最終制得的電極絲成品的線徑 為Φ0. 2~Φ0. 35mm。采用鈍化和烘干處理形成厚度均勾的保護層，可以穩(wěn)定電極絲的性 能，提升電極絲的導(dǎo)電率，該保護層可以有效的防止電極絲氧化，延長電極絲的存放時間， 此外，所采用的鈍化和烘干處理是同連拉連退的壓力加工同時進行的，生產(chǎn)工藝簡單，可操 作性強，制備步驟少，生產(chǎn)設(shè)備簡單，具有低成本顯著優(yōu)勢。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0018] (1)電極點為嵌設(shè)于殼層基底的電極微粒，該電極微粒由大量的銅鋅合金電子化 合物聚集而成，由動能公式可得，由于電子具有相對較小的質(zhì)量和慣性，電子能獲得較大的 加速度和速度，在擊穿放電的初始階段能快速奔向正極，把能量傳遞至工件正極表面，使其 快速熔化和氣化，從而使得電極點具有優(yōu)越的放電效果，實現(xiàn)快速放電切割，腐蝕金屬。此 外，殼層中的通道以及鋅被腐蝕掉后留下的坑洞增加了電極絲表面積，表面積的增加提高 了放電時的散熱面積，切割時聚集的能量就更容易的散去，這樣電極絲的切割速度就會顯 者提尚。
[0019] (2)當(dāng)電流被切斷時，溫度的突然下降會引起氣泡的爆炸