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线切割电极丝的制程揭秘(上篇)    
       
    翻译:李智 审核:周东  
       

    我们每天使用的线切割电极丝远比想象中的复杂。本篇文章将带领读者进入线切割电极丝制造流程之中,从原料选择开始到最终产品包装,让大家对整个电加工行业所依赖的这个产品有个更好的了解。
    我们巡游的第一步是仔细看看黄铜电极丝是怎样做出来的。稍后,我们会探究镀层电极丝制造所需要的额外步骤。

    黄铜电极丝

    黄铜电极丝的制造(紫铜电极丝类似)可分为以下几个步骤:

    浇铸 - 轧制 - 预拉丝 - 精拉丝 - 绕丝 - 包装

    浇铸

    黄铜电极丝是铜和锌的合金。最为常见的成分比例是“铜65:锌35”至“铜60:锌40”。注意这个成份比例是按重量分配的。合金中的纯铜通常是阴电极铜板。这种铜板之所以称为阴电极是因为制造纯铜的精炼过程是电解法精炼过程,其中铜在电解池内的阴极上生成。因此,纯铜也常被称为电解铜。合金中的锌用的是铸造锌锭。
    所有高质量线切割电极丝都是用全新的原料制造的,也就是说,这些原料是由矿石提炼出来而不是回收的废料。对于线切割电极丝来说,原料越纯越好,这一点非常重要。如果铜和锌是用废料提炼出来的话,污染物将不可避免的被带进最终产品中。“垃圾进,垃圾出”的道理在电极丝上一样适用。
    原料按照正确的重量比例称量出后被放进熔炉中,熔炉通过电热或者感应加热的方法将其融化。每炉在浇铸前,会先从熔炉中取样并让其固化。这个样本会送到实验室里做频谱分析,监测合金的比例和被认为是污染物的杂质元素(见图一)。

                 

    一旦实验室样本得到认可,浇铸就可以开始了。大部分质量的线切割电极丝是用连续浇铸法制造的。连续浇铸是一种不间断的工艺过程,其中熔融材料从炉中倒入一个水冷式石墨模具的浇铸池内,然后通过模具的圆柱形通道使熔融的金属转变成连续的固体铜棒。(见图2A和图2B)。铜棒脱离模具(通常直径为16mm)后,在空气中自然冷却,并绕到一个大卷轴上。这个过程中需要仔细地控制工艺参数来保证铜棒的性质,诸如结晶粒度和材料完整性等,使后续的多个工序因此得到优化。

    轧制

    这些巨大的线圈被送到轧机上,把横截面缩小到适合进行首次拉丝的尺寸。横截面的实际形状因厂家不同而各异,其中切角正方形是比较常见的。经过一系列的轧制站后,铜棒的横截面大致上从16mm缩小到8mm并成为铜线,并再次被绕到大卷轴上。由于铜线在轧制过程中变形很严重,其硬度上升到了不退火就无法进行后续加工的程度。这时,整个线轴会被放入一个大退火炉中,加热到再结晶的温度后再慢慢冷却,使材料软化以便进行进一步的加工。此后,再被送到实验室检测冶金完整性和结晶粒度。

  预拉丝

  退火完成以后,方形的合金线被浸没在一种特殊的润滑液中拉过一连串的拉丝模(通常为10至20只)从而截面缩小到直径0.9mm左右。相邻拉丝模的直径缩小量、拉丝速度、润滑液种类和润滑状况、拉丝模开口的几何轮廓(见图3)以及拉丝模本身的材料等都对成品的质量起着关键作用。预拉丝过程中也可能加入额外的退火步骤。然后再次取样在实验室检测冶金完整性、结晶粒度、表面光洁度、拉伸强度和延伸率。这个阶段出来的成品被称为“母线”。
  需要注意的是,由于浇铸、轧制和预拉丝工艺需要巨大的投资,很多电极丝制造商不能自己生产母线,而要向专门生产母线的工厂采购。因此对于这类不能一条龙生产的厂家来说,挑选高质量的炼铜厂购买母线是至关重要的,因为质量不稳定的母线是不可能生产出稳定的高品质电极丝来的。

  精拉丝

  把0.9mm的线拉制到最终尺寸的过程叫做精拉丝。精拉丝操作与预拉丝操作相似,区别在于精拉丝的所有工艺参数都必须严格控制,因为这个过程的产出的就是最终产品了。母线浸没在特殊的润滑液中被拉过一连串大约10到20只的拉丝模。在精拉丝阶段,所有拉丝模的芯材都是合成或天然钻石。
  拉丝润滑液的工况和维护在精拉丝阶段极其重要。由于铜线横截面被强制缩小,拉丝模表面上的微观裂纹会产生铜粉,这些铜粉必须从润滑液中过滤出来,以免被带入下一个拉丝站。同时,因为润滑液吸收了拉丝过程中产生的大部分热量,所以它的温度要被严格控制。
  线切割电极丝的直线度是由精拉丝中的最后一个拉丝站决定的。这只拉丝模孔的位置和姿态被调整到可以拉出直丝来。线切割电极丝拉制中没有校直过程,拉出来的丝,要么是直的,要么就不直。
  从最后一个拉丝模中出来的电极丝又硬又脆,这是精拉丝过程的冷加工变形导致的。(注意在精拉丝过程中间是没有热处理步骤的)。因此拉丝完成后,必须立刻进行退火处理得到硬丝、半硬丝和软丝以符合不同的应用需求。这个退火工艺因厂家而异。
  有些厂家采用电阻加热退火,给浸没在水基冷却液中的电极丝加上电流。另一些厂家则让电极丝通过管状的退火炉,炉内充有惰性气体用以防止氧化。
    退火后,电极丝被清洗、干燥,然后绕到一个“中转线轴”上,大约每卷100公斤至200公斤。

    在卷丝之前,电极丝成品会被取样送实验室检测以下指标::

    直径、真圆度、拉伸强度、延伸率、直线度、清洁度、表面状况。

 
 
    (图一)          
                   
     
(图二A)  
   
      (图二B)        
                   
       
    (图三)          
 
                     
(未完结)
 
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