一種微細電火花線切割用黑金絲設計及其應用研究

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

隨著產品日益向小型化和精密化的方向發展，微細電火花線切割加工技術作為非接觸式精微制造方法之一，以其超精細和高精度的加工特點受到學術界和工業界關注，目前已成為微機械制造領域的重要加工方式，在制造業中應用廣泛，如航空發動機葉片上的氣膜孔加工、發動機噴油嘴打孔、鐘表齒輪精密零件加工、醫療器械上精密儀器內孔加工以及精密型腔的模具零件加工等。如何實現形狀復雜微型孔和精密模具零件型腔的高精度和高表面質量的微細電火花線切割加工，一直是該領域的技術難題。

1 電火花線切割原理與加工工藝特性

微細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產生的電蝕作用蝕除導電材料的特種加工方法，又稱微細放電加工或微細電蝕加工，主要用于加工具有復雜形狀的微型孔和精密型腔的模具零件。由于傳統電極絲的電容效應造成的高能量釋放、不均勻的電火花分布和不連續的電火花腐蝕、放電爆炸力的干擾以及排屑不暢等影響，會使電極絲與加工零件的間隙發生變化，影響微細電火花線切割加工精度和表面粗糙度，甚至導致切割零件表面出現許多微裂紋和線痕。

現有技術表明，在電極絲表層設置間斷的表面結構非晶態層會對切割有利，即通過復合重構技術覆蓋在外表面的間斷非晶態結構，微觀上原子呈無規則排列，遠程無序、電阻率高、具有較高的抗電容效應，減少了由于電容效應造成的高能量釋放，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。對此技術問題的解決方案是適當加大復合非晶態結構中的微細空間，減小電極絲表層密度，設置重構表層，使電極絲表層組織不具備連續性，增大電極絲的熱膨脹系數，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象。但是對于給定設計尺寸的加工零件，在相同的加工電參數、相同的工作液、相同的機床以及電極材料的條件下重復試驗，使用傳統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波動，有待進一步提升[1]。因此，設計一種高精度的微細電火花線切割加工用黑金絲，實現形狀復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量。

2 黑金絲設計及放電切割加工應用分析

2.1 黑金絲設計

設計的黑金絲如圖1所示，包括芯材和包覆在芯材外的表層，其中芯材的材質為黃銅；表層包含包覆于芯材外表面的內層和包覆于內層外表面的外層，內層外表面呈弛豫或重構表面結構，內層為β或β′相銅鋅合金；外層為非晶態層，主要由以下化學元素組成（質量分數）：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個方面具體分析如何設計黑金絲芯材及其表層、內層組織及其結構、外層組織及其結構。

（1）黑金絲芯材在粗割放電時需要承受較大的電壓和電流密度，對電極絲造成損耗，可通過提高抗拉強度來減少高溫熱軟化造成的斷絲，所以采用超大加工率制得黃銅作為芯材，抗拉強度達到800 MPa以上。其芯材表層通過復合重構技術覆蓋在外表面的非晶態結構，具有較高的電阻率和抗電容效應，減少由于電容效應造成的高能量釋放，使放電過程形成均勻的電火花分布。另外表層結構設置大量的微細空間，其密度相對較低，而熔點高，所以不會造成高溫燒蝕現象。同時由于芯材是無定形或玻璃態結構，其組織不具備連續性，質地偏硬呈脆性，熱膨脹系數比較大，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象。

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

（3）黑金絲外層化學組成可能存在含量之和≤0.3%的雜質。這種混合成分和組織能有效降低電極絲的放電損耗，實現連續穩定的微細電火花腐蝕，保證電極絲與微細工具電極的間隙恒定，提高微細工具電極的表面質量和降低粗糙度值，且無微裂紋產生。同時由于金屬主元素為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，節省加工時間。另外黑金絲外層通過設定特殊非晶態結構具有更好的導電率、熔點和膨脹系數，能夠提高抗電容效應，不僅可以提高加工精度，還可以消除應力、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Ra0.05~0.06 μm，達到提升加工品質的目的。

2.2 放電切割加工應用研究分析

電極絲表層混合組織降低電極絲的放電損耗，可以實現連續穩定的微細電火花腐蝕，保證電極絲與微細電極的間隙恒定，提高了加工零件的表面質量，具有良好表面粗糧度且無微裂紋產生。同時黑金絲表層的內層外表面設定特殊的弛豫或重構結構，在微細電火花線切割放電時，根據表面張力理論，氣泡會從弛豫或重構結構處逸出，減少瞬間爆炸力對電極絲與微細工具電極間隙的直接干擾，提升微細電火花加工精度。

與此同時，因為微細電火花放電過程中黑金絲連續單向移動進給，微細工具電極不斷地轉動，黑金絲外層設置特殊結構可有效減小介質粘性阻力，更有利于排出加工屑，避免電蝕產物在放電間隙過多積累，減少異常放電的發生，提升表面加工質量；而其內層的材質為β或β′相銅鋅合金，具有良好的導電性能，有利于微細電火花點放電腐蝕工具電極；設計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，節省加工時間。另外，由于黑金絲具有抗拉強度高、塑韌性好的特點，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，有效提升微細電火花在線制作電極的表面加工質量，促進微細電火花加工技術的長足發展[3]。

根據實際的加工需求，黑金絲還可以滿足各種復雜形狀微細電火花加工要求，如圓柱形、圓錐形、棱柱狀、螺紋狀及帶有斜度的電極等，有利于實現工具電極自動化成形。然而，電火花變質層的厚度大約是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生的粗糙度值明顯小于采用黃銅絲放電產生的粗糙度值，粗糙度值越小，電極絲脈寬越小，電流作用時間越短，熱量沒有足夠的時間向材料縱向傳遞，熱量能夠達到的深度也較小，所以加工材料的變質層較薄，使用壽命更長[4,5]。

3 加工試驗驗證及測試結果

采用以上方法設計的黑金絲進行微細電火花線切割，得到的精密模具零件為實施案例，采用原有技術黃銅絲以及鍍層絲作對比，使用精密機床加工精密模具零件，加工零件如圖2所示，并測試其定位精度，在激光線徑測試儀上測試其形狀精度以及在粗糙度檢測儀上檢測其加工表面粗糙度，采用200倍光學顯微鏡觀察其表面微裂紋狀況，加工機床相關條件參數如表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 精密模具零件實物

由表2歸納并分析各種電極絲切割精密模具零件的應用案例及測試結果如下。

（1）實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量。實施案例中黑金絲切割加工的零件在200倍光學顯微鏡下觀察無微裂紋，而對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量。

4 結束語

采用設計的黑金絲進行電火花線切割加工形狀復雜微型孔和精密型腔的模具零件，在工藝試驗和用戶實際生產中都取得了良好的效果。微細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量相比原有技術都有明顯改善，為企業創造了更好的經濟效益。