一種微細(xì)電火花線切割用黑金絲設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究

梁志寧， 萬林輝， 吳桐， 羅孝奇， 李攀

（寧波博德高科股份有限公司， 浙江 寧波 315137）

0 引 言

隨著產(chǎn)品日益向小型化和精密化的方向發(fā)展，微細(xì)電火花線切割加工技術(shù)作為非接觸式精微制造方法之一，以其超精細(xì)和高精度的加工特點(diǎn)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注，目前已成為微機(jī)械制造領(lǐng)域的重要加工方式，在制造業(yè)中應(yīng)用廣泛，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上的氣膜孔加工、發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴打孔、鐘表齒輪精密零件加工、醫(yī)療器械上精密儀器內(nèi)孔加工以及精密型腔的模具零件加工等。如何實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜微型孔和精密模具零件型腔的高精度和高表面質(zhì)量的微細(xì)電火花線切割加工，一直是該領(lǐng)域的技術(shù)難題。

1 電火花線切割原理與加工工藝特性

微細(xì)電火花線切割加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法，又稱微細(xì)放電加工或微細(xì)電蝕加工，主要用于加工具有復(fù)雜形狀的微型孔和精密型腔的模具零件。由于傳統(tǒng)電極絲的電容效應(yīng)造成的高能量釋放、不均勻的電火花分布和不連續(xù)的電火花腐蝕、放電爆炸力的干擾以及排屑不暢等影響，會(huì)使電極絲與加工零件的間隙發(fā)生變化，影響微細(xì)電火花線切割加工精度和表面粗糙度，甚至導(dǎo)致切割零件表面出現(xiàn)許多微裂紋和線痕。

現(xiàn)有技術(shù)表明，在電極絲表層設(shè)置間斷的表面結(jié)構(gòu)非晶態(tài)層會(huì)對(duì)切割有利，即通過復(fù)合重構(gòu)技術(shù)覆蓋在外表面的間斷非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，微觀上原子呈無規(guī)則排列，遠(yuǎn)程無序、電阻率高、具有較高的抗電容效應(yīng)，減少了由于電容效應(yīng)造成的高能量釋放，使放電過程形成更加均勻的電火花分布。但是電極絲與加工零件之間的放電不斷消耗電極絲的表層材料，影響放電加工精度。對(duì)此技術(shù)問題的解決方案是適當(dāng)加大復(fù)合非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中的微細(xì)空間，減小電極絲表層密度，設(shè)置重構(gòu)表層，使電極絲表層組織不具備連續(xù)性，增大電極絲的熱膨脹系數(shù)，防止電極絲在放電過程中被燒斷或變形，減輕切割零件表面熱蝕及凹凸不平現(xiàn)象。但是對(duì)于給定設(shè)計(jì)尺寸的加工零件，在相同的加工電參數(shù)、相同的工作液、相同的機(jī)床以及電極材料的條件下重復(fù)試驗(yàn)，使用傳統(tǒng)電極絲電火花線切割加工所得到的加工精度無法滿足需求，特別是定位精度和尺寸精度在較大的偏差范圍內(nèi)波動(dòng)，有待進(jìn)一步提升[1]。因此，設(shè)計(jì)一種高精度的微細(xì)電火花線切割加工用黑金絲，實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜微型孔和精密型腔的模具零件加工，能有效提高電火花線切割的加工精度和表面質(zhì)量。

2 黑金絲設(shè)計(jì)及放電切割加工應(yīng)用分析

2.1 黑金絲設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的黑金絲如圖1所示，包括芯材和包覆在芯材外的表層，其中芯材的材質(zhì)為黃銅；表層包含包覆于芯材外表面的內(nèi)層和包覆于內(nèi)層外表面的外層，內(nèi)層外表面呈弛豫或重構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為β或β′相銅鋅合金；外層為非晶態(tài)層，主要由以下化學(xué)元素組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：49.5%~90%Zn、1.5%~42%Cu、0.158%~6.6% X，余量為O；其中X至少包括3種不同的元素X1、X2、X3，X1為Fe、Al或Ca，X2為Si、C、S或B，X3為Fe、Al、Ca、Si、C、S或B中不同于X1、X2的任意一種[2]。

圖1 黑金絲

從以下3個(gè)方面具體分析如何設(shè)計(jì)黑金絲芯材及其表層、內(nèi)層組織及其結(jié)構(gòu)、外層組織及其結(jié)構(gòu)。

（1）黑金絲芯材在粗割放電時(shí)需要承受較大的電壓和電流密度，對(duì)電極絲造成損耗，可通過提高抗拉強(qiáng)度來減少高溫?zé)彳浕斐傻臄嘟z，所以采用超大加工率制得黃銅作為芯材，抗拉強(qiáng)度達(dá)到800 MPa以上。其芯材表層通過復(fù)合重構(gòu)技術(shù)覆蓋在外表面的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，具有較高的電阻率和抗電容效應(yīng)，減少由于電容效應(yīng)造成的高能量釋放，使放電過程形成均勻的電火花分布。另外表層結(jié)構(gòu)設(shè)置大量的微細(xì)空間，其密度相對(duì)較低，而熔點(diǎn)高，所以不會(huì)造成高溫?zé)g現(xiàn)象。同時(shí)由于芯材是無定形或玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)，其組織不具備連續(xù)性，質(zhì)地偏硬呈脆性，熱膨脹系數(shù)比較大，能夠承受高峰值電流，防止電極絲在放電過程中被燒斷或變形，減輕了工具電極表面熱蝕及凹凸不平等現(xiàn)象。

（2）黑金絲的內(nèi)層組織為β或β′相銅鋅合金，導(dǎo)電率能達(dá)21%IACS以上，導(dǎo)電性能良好，有利于微細(xì)電火花點(diǎn)放電腐蝕工具電極，且內(nèi)層外表面呈弛豫或重構(gòu)表面結(jié)構(gòu)。縱向上，Cu、Zn、Fe、S和Si等原子相對(duì)于原來的位置發(fā)生了位移，即發(fā)生了表面弛豫，弛豫的結(jié)果使微量元素原子位于表面的最外層區(qū)域；橫向上，這些原子間距不規(guī)則，表面發(fā)生了重構(gòu)，重構(gòu)的結(jié)果使2個(gè)或更多原子靠近，形成原子聚集體；即內(nèi)層外表面原子排布變得不規(guī)則，晶胞體積膨脹，表面發(fā)生弛豫，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生重構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以降低體系的能量，有利于吸附外來原子或分子，根據(jù)表面張力理論，放電產(chǎn)生的氣泡會(huì)較快的從重構(gòu)表面逸出，減少瞬間爆炸力對(duì)電極絲與微細(xì)電極間隙的直接干擾，提高微細(xì)電火花加工精度。

（3）黑金絲外層化學(xué)組成可能存在含量之和≤0.3%的雜質(zhì)。這種混合成分和組織能有效降低電極絲的放電損耗，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的微細(xì)電火花腐蝕，保證電極絲與微細(xì)工具電極的間隙恒定，提高微細(xì)工具電極的表面質(zhì)量和降低粗糙度值，且無微裂紋產(chǎn)生。同時(shí)由于金屬主元素為Zn，Zn的氣化效果較好，有助于提升放電效率，可以提升加工速度，節(jié)省加工時(shí)間。另外黑金絲外層通過設(shè)定特殊非晶態(tài)結(jié)構(gòu)具有更好的導(dǎo)電率、熔點(diǎn)和膨脹系數(shù)，能夠提高抗電容效應(yīng)，不僅可以提高加工精度，還可以消除應(yīng)力、減少變形，使加工表面無灼傷，光滑且無微裂紋，表面粗糙度可達(dá)Ra0.05~0.06 μm，達(dá)到提升加工品質(zhì)的目的。

2.2 放電切割加工應(yīng)用研究分析

電極絲表層混合組織降低電極絲的放電損耗，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的微細(xì)電火花腐蝕，保證電極絲與微細(xì)電極的間隙恒定，提高了加工零件的表面質(zhì)量，具有良好表面粗糧度且無微裂紋產(chǎn)生。同時(shí)黑金絲表層的內(nèi)層外表面設(shè)定特殊的弛豫或重構(gòu)結(jié)構(gòu)，在微細(xì)電火花線切割放電時(shí)，根據(jù)表面張力理論，氣泡會(huì)從弛豫或重構(gòu)結(jié)構(gòu)處逸出，減少瞬間爆炸力對(duì)電極絲與微細(xì)工具電極間隙的直接干擾，提升微細(xì)電火花加工精度。

與此同時(shí)，因?yàn)槲⒓?xì)電火花放電過程中黑金絲連續(xù)單向移動(dòng)進(jìn)給，微細(xì)工具電極不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，黑金絲外層設(shè)置特殊結(jié)構(gòu)可有效減小介質(zhì)粘性阻力，更有利于排出加工屑，避免電蝕產(chǎn)物在放電間隙過多積累，減少異常放電的發(fā)生，提升表面加工質(zhì)量；而其內(nèi)層的材質(zhì)為β或β′相銅鋅合金，具有良好的導(dǎo)電性能，有利于微細(xì)電火花點(diǎn)放電腐蝕工具電極；設(shè)計(jì)黑金絲的表層金屬主元素為Zn，Zn的氣化效果好，有助于提升放電效率，可以提升加工速度，節(jié)省加工時(shí)間。另外，由于黑金絲具有抗拉強(qiáng)度高、塑韌性好的特點(diǎn)，便于小軸型的收線和放線，不容易斷絲，且加工精度高、柔性好，有效提升微細(xì)電火花在線制作電極的表面加工質(zhì)量，促進(jìn)微細(xì)電火花加工技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展[3]。

根據(jù)實(shí)際的加工需求，黑金絲還可以滿足各種復(fù)雜形狀微細(xì)電火花加工要求，如圓柱形、圓錐形、棱柱狀、螺紋狀及帶有斜度的電極等，有利于實(shí)現(xiàn)工具電極自動(dòng)化成形。然而，電火花變質(zhì)層的厚度大約是Rmax值的3~4倍，基本在粗加工中形成，由于采用電極絲加工產(chǎn)生的粗糙度值明顯小于采用黃銅絲放電產(chǎn)生的粗糙度值，粗糙度值越小，電極絲脈寬越小，電流作用時(shí)間越短，熱量沒有足夠的時(shí)間向材料縱向傳遞，熱量能夠達(dá)到的深度也較小，所以加工材料的變質(zhì)層較薄，使用壽命更長(zhǎng)[4,5]。

3 加工試驗(yàn)驗(yàn)證及測(cè)試結(jié)果

采用以上方法設(shè)計(jì)的黑金絲進(jìn)行微細(xì)電火花線切割，得到的精密模具零件為實(shí)施案例，采用原有技術(shù)黃銅絲以及鍍層絲作對(duì)比，使用精密機(jī)床加工精密模具零件，加工零件如圖2所示，并測(cè)試其定位精度，在激光線徑測(cè)試儀上測(cè)試其形狀精度以及在粗糙度檢測(cè)儀上檢測(cè)其加工表面粗糙度，采用200倍光學(xué)顯微鏡觀察其表面微裂紋狀況，加工機(jī)床相關(guān)條件參數(shù)如表1所示，各種電極絲切割工件的加工案例如表2所示。

表1 加工機(jī)床條件

表2 各種電極絲切割零件的加工案例

圖2 精密模具零件實(shí)物

由表2歸納并分析各種電極絲切割精密模具零件的應(yīng)用案例及測(cè)試結(jié)果如下。

（1）實(shí)施案例中黑金絲切割加工零件的定位精度為±（0.001~0.001 5） mm，其值小于對(duì)比案例中的±（0.002 5~0.003） mm，說明切割加工的零件具有高定位精度。

（2）實(shí)施案例中黑金絲切割加工零件的尺寸精度為±（1~1.5） μm，小于對(duì)比案例中的±（2.5~3）μm，說明切割加工的零件具有更高尺寸精度。

（3）實(shí)施案例中黑金絲切割加工零件的表面粗糙度Ra為（0.056~0.062） μm，小于對(duì)比案例（0.072~0.085） μm，說明使用黑金絲切割加工的零件粗糙度值低。

（4）表面微裂紋狀況表示零件的表面光滑程度，用于表征切割后零件的表面質(zhì)量。實(shí)施案例中黑金絲切割加工的零件在200倍光學(xué)顯微鏡下觀察無微裂紋，而對(duì)比案例中切割加工的零件存在微裂紋，說明使用黑金絲加工可以有效提高精密模具零件的表面質(zhì)量。

4 結(jié)束語

采用設(shè)計(jì)的黑金絲進(jìn)行電火花線切割加工形狀復(fù)雜微型孔和精密型腔的模具零件，在工藝試驗(yàn)和用戶實(shí)際生產(chǎn)中都取得了良好的效果。微細(xì)電火花線切割加工用黑金絲切割的精密模具零件定位精度、尺寸精度、表面粗糙度和表面質(zhì)量相比原有技術(shù)都有明顯改善，為企業(yè)創(chuàng)造了更好的經(jīng)濟(jì)效益。