变脸——合理使用电极丝，让耗材成为高效率帮手！

作者：周东　深圳市高驰科技有限公司

        电火花切割加工作为模具制造和金属加工行业必不可少的加工手段，提高电火花切割效率一直是其技术革新的重点。而电极丝作为电火花切割加工中的重要耗材受到越来越多的重视，尤其是慢走丝线切割加工。可以说线切割技术的发展，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。正确选用电极丝，已经成为使线切割机的性能得到最高效率发挥并为用户创造更多利润的关键。

了解电极丝第一步：特性与分类

        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（0.2μmRa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。纯铜（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。根据国际电工委员会(IEC)的规定，以退火工业纯铜在20℃时的电阻率0.017241Ωmm2/m为基准，其电导率为 100％IACS 。据此，银的电导率为106％，金为78％，而黄铜为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。紫铜属于拉伸强度最低的材料（245N/mm2），而钼（1930N/mm2）和钨（3400N/ mm2）都属于高拉伸强度材料。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工艺。
记忆效应：这与电极丝的“软”或“硬”直接相关。对于不同的设备和应用来说，“软丝”和“硬丝”各有其长处。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。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%。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

        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。在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，并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，可以帮助把废渣吹离切缝。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融的金属颗粒，就能有效的改善冲洗过程，因为要冲走的颗粒少了。
所以电极丝所应该具有的一个典型特性就是低熔点和高气化压力，而冶金学家在研究电极丝的冲洗性时要考虑的材料两大特性也分别为熔点以及气化压力。

根据以上电极丝的特性要求，市场上目前主要有以下两类产品：

        1、黄铜电极丝
        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。这种电极丝带来了切割速度上翻番的突破，当时对于厚度为50mm的工件，切割速度从12mm2/分钟提高到25mm²/分钟。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。
                (1) 标准型黄铜丝：铜和锌的比例为65：35，拉伸强度在350－1000N/mm²之间。
                (2) 速度型黄铜丝：增加黄铜中锌的比例，可以改善冲洗性，提高切割速度。目前欧洲市场流行的是63：37，也有60：40的。虽然其切割速度还是不如镀锌电极丝，但是价格要便宜一些。
                (3) 超硬型黄铜丝:通过在黄铜中加入其他微量元素（例如：铝），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；

        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。
        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：
        （1）标准型镀锌电极丝：芯材为黄铜，镀层为100％锌。一般采用电镀工艺，镀层较薄。这种镀锌丝最大的特点是放电性能稳定，切割速度也可比黄铜丝提高10－30％，特别适用于四次切割以上的精密加工。但是这种电极丝制造过程中最难解决的是掉粉的问题，目前只有德国和法国的少数制造商生产的品质较好。
        （2）速度型镀锌电极丝：芯材为黄铜，镀层为铜锌合金。采用多种工艺制造，镀层要厚些。这种镀锌丝的切割速度比标准行镀锌丝可提高10％左右，适合大多数的高效率加工，是目前国际市场上的主流产品，以韩国产品为主要代表。
        （3）扩散退火型电极丝：芯材为纯铜，通过扩散工艺外包一层较厚的铜锌合金（50：50）。这种镀层需经过一系列的热处理过程，其颜色变为黄褐色，表面是多孔的，它有助于改善冲洗性。这种电极丝的拉伸强度小于500 N/mm²，只适用于Charmilles和Ona等机型。
        （4）伽玛型镀锌丝：这是进入二十一世纪后电极丝技术的一次突破，由美国和德国的两项专利导致了镀锌电极丝性能的进一步提升，同时又降低了制造成本。伽玛型电极丝目前流行于美国和欧洲，分别在德国和由美国的专利所有者授权在韩国生产。
        （5）钢芯电极丝：这是一种复合型电极丝。芯材为高碳钢，外加纯铜再镀黄铜。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，由于钢的导电性能不好，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。 对于困难条件下的线切割加工（超厚、叠片、大斜度、冲水不良及石墨等），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。
        （6）精细型电极丝：一般电极丝的直径最小只能到0.07mm，对于精细加工，有以下三种选择：
                钨丝：直径为0.02-0.10mm，拉伸强度为2700－2900 N/mm²。
                钼丝：直径为0.05-0.10mm，拉伸强度为1500 N/mm²左右。
                        以上两种产品价格比较昂贵。
                钢琴丝：芯材为制造钢琴琴弦所用的高碳钢，镀层为黄铜，也有再镀锌的。直径为0.03-0.10mm，拉伸强度为2100 N/mm²左右，是钨丝和钼丝的替代品。但是对于直径0.02mm和个别机型如FANUC，只能使用钨丝。

了解电极丝第二步：识别优劣

了解电极丝第三步：不同加工，选用不同的电极丝

        一、电极丝选择基本原则
                （1）设备状况是基础
                新设备一定要用质量好的丝，这样才能兑现你买设备时所期待的性能；旧设备可以针对性能做些候补。
                （2）加工要求决定一切
                在特定的加工要求下，往往只有选对电极丝才能达到要求，否则费时费工。
                （3）成本核算说了算
                效益第一，使用贵的电极丝也许反而降低了加工成本，所以精明的用户一定会应用成本核算来确定适合自己的电极丝。

        二、什么情况下可以使用黄铜丝?
                1）加工任务不饱满，设备加工能力过剩，开机时间不足的；
                2）加工要求一般，且加工厚度普遍小于50mm的；

        三、什么情况下应该选用镀锌丝？
                1）加工任务饱满， 24小时开机的；
                2）加工能力不足，拟添置新设备，或需要外发加工的；
                3）加工厚度普遍大于50mm的；
                4）加工要求高（精度、表面粗糙度）的；
                5）加工硬质合金等难加工的材料；
                6）拥有Agie、Charmilles、Ona、Mitsubishi等有内置镀锌丝加工参数的新设备的。虽然这些设备都可以使用普通的黄铜丝，但是只有使用镀锌丝才能真正发挥出设备最好的性能。

        四、什么情况下应该选用特定的电极丝？
                （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。此时可采用钢芯丝加工，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。
                （4）四次切割以上的精密加工，只能选择品质最好的电极丝。

        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方面看，现在的线切割加工有着比过去更多的变化。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。“不同的加工，采用不同的电极丝”这一概念开始为越来越多的线切割用户所接受。国内现在既有全面采用镀锌丝的企业，也有部分采用的用户，例如加工繁忙时用镀锌丝，空闲时用黄铜丝，或者部分设备用镀锌丝。

实例研究：电极丝选用对加工成本的影响？线切割电极丝为什么会断？

        上表中的金属元素是按其升华热的值由小到大排列的。在表顶部的元素类似于干冰。或者说，它们在工作液的淬火下直接转化成气体而很少有残渣，因此这些材料的冲洗性很好。根据在表中的相对位置，我们不难看到为什么锌和富锌合金被用来作为电极丝的镀层。另一方面， 表底部的元素由于淬火时产生大量的固体颗粒，所以冲洗性很差，容易导致断丝。
        设备的问题
        并不是所有的断丝都是因为机械和金相的原因。有些是由于设备本身的原因或加工参数的设置问题。例如磨损的导咀和导电块会使切割过程不稳定而导致断丝。如果送丝速度太慢，则放电过程在电极丝表面所形成的缺损会加大而导致断丝。过大的电极丝张力会降低临界缺损尺寸，而在较低的张力下的电极丝能够容忍较大的缺损。切割电压也会影响缺损的尺寸，放电能量越大，缺损就越大，甚至会导致电弧。放电和电弧之间有着明显的区别，但并不是每个用户都很清楚这一点。电弧比放电要强烈很多，它意味着很高的能量转换。
        廉价电极丝的问题
        国内一些电极丝制造商为了降低售价，采用了混入再生废铜的母线。材料中的的杂质会造成电极丝内部金相结构的不均匀，从而降低了其断裂韧性。这就使断丝现象雪上加霜。用户在外表上是无法看出区别来的，但是在使用这类电极丝时会因断丝频发而不得不调低放电能量，从而使先进的设备工作在落后的状态下。这种看似省钱的方法，结果反而是降低了加工效率，增加了加工成本。
        在加工实践中，我们必须适应受限的冲水条件。由于工件的几何形状各异，我们常常无法保证最有效的冲水。令人庆幸的是，现在有各种不同种类的电极丝可供用户选择。在冲水不良的情况下，用户可以通过选用断裂韧性好的电极丝来保证加工效率。随着技术的进步和用户应用水平的提高，断丝不再是一个不解的难题了。

国内电极丝市场综述及产品介绍

        近年来随着我国模具制造业的蓬勃发展，慢走丝线切割机的总拥有量迅速增加，市场上对电极丝的年需求量已经超过了一万吨。虽然这不到十亿元的市场容量并不算大，但是由于普通黄铜电极丝制造的门槛极低，一台月产量为十吨左右的国产拉丝机大概在十万元左右，所以吸引了不少人投入到这个行业里来。特别是原来较早生产电极丝的企业中有不少人员纷纷走出去自立门户，导致国内涌现出了不少月产量只有几十吨的小厂。这些后起之秀往往靠降低价格来争夺客户，破坏了正常的分销渠道，使工厂不得不直接面向终端客户销售。国内黄铜电极丝制造商的利润已经非常微薄，企业几乎无力投入到研发当中去。而去年开始的国际市场上铜、锌价格大幅波动上扬，对这个行业来说可谓是雪上加霜。企业一方面购买铜材必须支付现金，另一方面终端客户的付款周期很长，拖款现象严重，所以一些企业背上了很大的包袱。
        由于国内电加工技术的发展整体比较落后，国内的大学和科研单位在电极丝方面的研究更可以说是一片空白，目前这个领域的关键性专利成果都是国外的。在没有创新成果的前提下，我国的电极丝制造业要想突围而出，难度可想而知。我国的黄铜丝即使能够出口，也都是国际上的最低价，行业状况不容乐观。
        针对国内市场上电极丝产品良莠混杂，胡乱贴牌，假冒进口者众多的情况，为了帮助广大用户识别真伪，防止上当受骗，我们汇集了国外和国内主要电极丝制造商和产品的基本情况，分列在下面的表格中，供大家参考。

国外主要电极丝制造商及产品