CN101234442B - 用于电火花腐蚀的电极丝 - Google Patents

Abstract

根据本发明的电极丝包括被涂覆γ相黄铜涂层(2)的黄铜芯部(1)，该涂层(2)具有分裂成料块(2a)的结构，在该料块(2a)之间暴露出芯部(1)。料块(2a)的厚度(E2)具有窄的分布，并且形成按照大于50％的覆盖率的芯部(1)的覆盖率。这产生涂层的规则分裂，从而改善了加工部件的光洁度状态。

Description

用于电火花腐蚀的电极丝

技术领域

本发明涉及用于电火花腐蚀(机)加工的电极丝。

背景技术

公知的电火花腐蚀加工工艺通过在待加工的部件和导电电极丝之间的加工区域内生成电火花来除去导电部件的材料。电极丝沿该电极丝的长度方向在该部件附近连续移动，并且通过电极丝的平移或者该部件的平移相对于该部件沿横向逐渐移动。

通过在加工区域的任一侧上的电触点连接到电极丝的电发生器在电极丝和待加工的导电部件之间建立合适的电势差。电极丝和该部件之间的加工区域被浸在合适的介电液体内。电势差导致在电极丝和待加工的部件之间出现电火花，该电火花逐渐腐蚀该部件和电极丝。电极丝的纵向运动保持一直具有足够的电极丝直径，以防止电极丝在加工区域内断裂。在可应用的情况下，电极丝和部件沿横向的相对运动切割该部件或者处理该部件的表面。

被电火花从电极丝和部件分离出的颗粒散布在介电液体内，在该介电液体内所述颗粒被排出。

目前存在多种用于电火花腐蚀的电极丝，每种电极丝均具有可证明选择该电极丝用于特定类型的电花火腐蚀加工的正确性的特定特性。

电极丝的结构通常必须具有足够的机械强度以防止电极丝在电火花区域内断裂。高机械强度对于在加工区域内向电极丝施加高的纵向张力以确保电极丝被非常精确地定位，从而进行精确加工是有利的。

实现加工精度、尤其是形成具有小的半径的斜切部(angle cut)必须使用小直径的、并且在加工区域内的待张紧的断裂处承受高机械载荷的电极丝，以及限制振动幅度。

大多数现代电火花腐蚀机被设计成使用无涂层的黄铜丝，该黄铜丝的直径通常为0.25mm，并且屈服强度为400-1000N/mm²。

如果可能的话，电极丝的结构被选择为使得电极丝的特性能够促进腐蚀，即电极丝产生快速腐蚀。电极丝腐蚀的最大速率是极限速率，如果超过该速率，则在增加电火花能量以加速腐蚀的情况下电极丝会断裂。

电火花腐蚀加工的另一个重要参数是在部件的加工区域内可获得的表面状态的质量。在电极丝和部件之间产生的电火花在待加工的部件内形成微凹口，即材料被局部去除。很显然，所获得的表面状态取决于电火花的参数，该参数进而尤其取决于电极丝的结构。

难以找到同时优化加工速率、加工精度和表面状态这三个参数的电极丝结构。

例如，已经提出具有均质结构的包含35-37％锌的黄铜丝，该黄铜丝构成经济上可接受的折衷方案，但是代价是腐蚀速率较低。

还已经提出带涂层的电极丝，即包含涂覆有基本均质的金属或合金表面层的金属芯部的电极丝。在电火花腐蚀加工期间，通过电介质例如水在电极丝的表面和部件的表面之间形成的电弧不会到达电极丝的中心。电极丝的涂层被损耗。

带涂层的电极丝的优点是，电极丝的芯部可根据电极丝的电学和机械特性选择，并且涂层可根据电极丝的腐蚀特性和接触电阻选择。

因此，文献FR 2418699提出了用锌、镉、锡、铅、铋或锑的合金涂覆芯部。该文献教导了利用该涂层以提高加工速率。

已经发现，包含高比例的具有低升华比热的金属的涂层产生较高的切割速率，该涂层改进了在发生电火花期间对芯部的保护。

因此，已经使用纯锌作为具有低升华比热的金属，但是纯锌层损耗非常快，并且在用于切割高部件的足够时间上不能保护电极丝的芯部。

基于同样的思想，已经使用包含大量锌的合金的涂层，例如具有47％的锌的β相合金，或者甚至锌含量按重量计算超过50％的γ相铜锌合金。问题是，γ相铜锌合金比较硬并且脆，从而在电极丝制造期间在用于确定电极丝尺寸的电极丝拉制操作中涂层可能断裂。

文献EP 1009574已经表明，γ相铜锌合金涂层的断裂并非不利，反而可制造具有良好的电火花腐蚀速率的电极丝。为此，该文献教导了一种电极丝制造工艺，其中，在制造锌涂层并且通过加热1-4个小时使涂层的锌和芯部的铜扩散之后，通过拉制该电极丝确定该电极丝的尺寸，以便以小于0.4的最终直径Df与初始直径Di之间的比率减小电极丝的直径。在拉制期间，涂层断裂成料块(block)，由于拉制导致电极丝伸长，所以该料块在电极丝的表面上重新分布。该文献教导，重新分布是有利的，因为是在单个电极丝表面层中分布由涂层的断裂产生的料块，所以可确保芯部的覆盖率超过50％，可能大约58％。

但是，这种电极丝在用于精加工过程时具有较差的特性。特别地，在加工部件的表面上发现比较明显的波纹，该波纹的方向垂直于电极丝在电火花腐蚀机内的运动。

如果要在利用电火花腐蚀进行加工的部件上获得良好的表面状态，通常执行冲裁步骤，在该冲裁步骤期间电火花腐蚀电极丝接收高电火花能量，并且高速切割该部件，此后执行五至十个精加工步骤，在该精加工步骤期间电火花能量较低。

最终的精加工操作利用非常低的电火花能量执行。很显然，电火花能量越低，则腐蚀凹口越小，并且在加工部件上获得的表面状态越精细，粗糙度越低。粗糙度通常通过例如由ISO标准4287:1997限定的参数Ra来表征。

在存在波纹的情况下，此缺陷通过例如也由ISO标准4287:1997限定的波纹参数Wt来表征。

图1和2示出使用根据文献EP 1009574的电极丝观察到的波纹。

图1表示从正面看到的待加工的部件的表面S，电火花腐蚀电极丝F相对于电火花腐蚀机在移动方向F1上沿表面S轴向移动，并且在电极丝的前进方向F2上沿表面S横向移动，以扫过部件的表面S。

在图1中，具有平行于电极丝F的条纹形式的波纹O是肉眼可见的。在图2中，可以看到电极丝F在部件的表面S上方通过以后区域O出现波纹。

希望波纹O低于肉眼的可见度阈值，以便部件的加工表面的外观良好。

发明内容

因此，需要设计一种具有断裂的γ相黄铜表面层的新型电火花腐蚀电极丝结构，该结构在切割步骤期间保持高加工速率的同时，在精加工步骤期间提供更好的电火花腐蚀特性，从而能够获得尤其以低于0.4的波纹参数Wt表征的更加光滑的加工表面。

本发明来源于以下观察结果：即，在根据文献EP 1009574的电极丝内的γ相黄铜合金涂层料块的重新分布和精加工步骤结束时在部件的加工表面上存在波纹之间具有因果关系。这可通过以下方面进行解释。

在发生料块的重新分布的根据文献EP 1009574的过程期间，在电极丝拉制步骤期间γ相合金料块不仅沿侧向-即沿电极丝的长度方向和电极丝周边的方向-断裂，而且沿电极丝的厚度方向断裂成两层或更多层，并且分布在电极丝的芯部的表面上。断裂成多层使得γ相黄铜合金料块覆盖的电极丝区域重新分布，并且相应地增加。

但是，这种断裂产生了具有较宽尺寸分布的随机尺寸的料块，即尺寸具有很大变化并且可包括大的料块和小的料块之间的所有尺寸的料块。

实际上，一些料块可保持它们的初始厚度而不会沿深度方向断裂，而其它料块可断裂成不等的深度，该深度根据在电极丝拉制之前γ相黄铜层内可能存在的任何弱化区域而随机改变。

根据本发明，γ相黄铜表面层的断裂和重新分布状态是在完成电火花腐蚀之后在部件的表面S上存在严重的残余波纹的原因。

为了实现上述和其它目标，本发明提出了一种用于电火花腐蚀加工的电极丝，该电极丝包括用铜和锌的第一合金制成的芯部，该第一合金的锌含量按重量计算在20％-45％之间，并且包括在所述芯部上形成的涂层，所述涂层包括铜和锌的第二合金，该第二合金的锌含量按重量计算大于50％并且具有断裂成料块的结构，在该料块之间暴露出芯部；

根据本发明，在该涂层中：

-第二合金的料块的厚度具有窄的分布，所存在的大部分料块中的最小料块和最大料块的厚度的比率大于0.6，并且

-第二合金的料块提供了大于50％的芯部覆盖率。

如果在电极丝拉制之前电极丝坯体的涂层的厚度小于或等于大约7μm，则较容易获得料块厚度的窄的分布。因此，制造一种第二合金料块的近似厚度小于7μm的电火花腐蚀电极丝是有利的。

实际上，对于0.250mm的电极丝直径，料块的近似厚度大多数可以为4μm-5μm。

通过选择主要包括α相铜锌合金，或者α相铜锌合金和β’相铜锌合金的混合物的第一芯部合金，将获得良好的结果。

类似地，第二合金可主要包括γ相铜锌合金。

附图说明

从下文参照附图对具体实施例的说明中可理解本发明的其它目标、特征和优点，在附图中：

-图1和2示出在通过电火花腐蚀进行加工的表面上存在波纹；

-图3是根据本发明的电极丝的一个实施例的纵向剖面的概略视图；

-图4是图3的电极丝的较大比例的横剖面概略视图；

-图5是图4的横剖面的放大视图；

-图6和7示出根据本发明的电极丝的制造过程；

-图8概略地示出根据本发明一个实施例的一定长度的电极丝的外表面；以及

-图9和10示出根据文献EP 1009574的现有技术的电极丝制造过程的差别。

具体实施方式

首先考虑图3-5内所示的电极丝的结构。

在此实施例中，根据本发明的电极丝是大致为圆柱形的电极丝，其直径为大约0.25mm。在图3的纵向直径剖面中，可以看到芯部1和涂层2。

均质的芯部1包括铜锌合金，其中锌含量按重量计算为20％-45％，该合金有利地构成α相合金(锌含量小于大约37％)，或者β’相合金和α相合金的混合物(该混合物的锌含量在38％-45％之间)。

涂层2是非均质结构，包括铜和锌的第二合金的料块，其中锌含量按重量计算大于50％。料块2a通过间隙2b相互间隔开，在该间隙中可辨别出芯部1。

第二合金料块2a的厚度E2具有窄的分布，这意味着料块2a基本上都具有彼此非常相似的厚度。如果在所存在的大部分料块2a中的最小料块和最大料块的厚度比率大于0.6，则可获得良好的电火花腐蚀精加工结果。实际上，可有利地制造电火花腐蚀电极丝，其中多于80％的料块的厚度E2的相互之间的比率大于0.8。

在图4和5中可再次看到相同特征，即料块2a和间隙2b的较恒定的厚度E2。

此外，第二合金料块2a提供了大于50％的芯部1的覆盖率。这意味着芯部1的多于50％的表面被料块2a覆盖。

实际上，对于直径为0.250mm的电极丝，大多数料块2a具有4μm-5μm的近似厚度E2。

构成料块2a的第二合金主要包含γ相合金，而构成芯部1的第一合金主要包含α相合金或者α相合金和β’相合金的混合物。

刚才所述的电极丝结构例如可使用下面参照图6和7所述的方法获得。

在第一步骤a)期间，用锌含量按重量计算为20％-45％的铜锌合金制成芯部1。所述芯部的初始直径被选择成大于电极丝的最终直径，这对于减少制造成本是有利的。例如，用具有63％的铜和37％的锌的合金制成的初始芯部1可具有0.5mm的直径。

在第二步骤b)期间，将芯部1涂覆一层锌，该锌层的厚度例如为3μm。

在第三步骤c)期间，将以此方式被涂覆的芯部加热以形成坯体，该坯体具有坯体直径De，和覆盖芯部1的γ相铜锌合金制成的表面层。坯体的直径De被选择成相当接近最终直径Df。所获得的γ相表面层的厚度大约是最初的锌层厚度的两倍。

在随后的步骤d)期间，将坯体冷却到室温。获得例如图6所示的坯体。

在最终步骤e)期间，将坯体在室温下拉制成所需的电极丝最终直径Df，如图7所示。

为了获得具有相似尺寸料块的特定涂层结构以确保芯部的良好覆盖性，比率Df/De较高，优选地在0.4-0.8之间。换句话说，电极丝拉制造成的直径减少比较小。

此外，在加热芯部的步骤c)期间，将芯部在大约5-7个小时的一段时间上加热到大约在177℃-180℃之间的温度。

结果，同时制成具有良好机械特性的芯部1。

根据一种可能性，可通过电解淀积执行锌淀积步骤b)。

根据本发明，还可用较大芯部的电极丝，例如直径为1mm的芯部来制造坯体，该芯部被涂覆6μm的锌层，并且在扩散之前被拉制成0.5mm的坯体直径De。则再次发现具有大约3μm的锌层的相同坯体结构。

再次考虑图6和7。

图6示出在电极丝拉制步骤之前的根据本发明的电极丝坯体的纵向剖面：该涂层具有初始厚度E2，并且示出涂层区域10、20、30、40和50，这些涂层区域随后将在电极丝拉制期间被裂缝分隔开。电极丝的初始直径为De。

图7示出通过电极丝拉制工艺拉制成的电极丝，该电极丝已经具有小于De的直径Df。可再次看到料块10、20、30、40和50，这些料块已经借助于间隙2b相互分离，但是仍位于电极丝的表面上并且保持恒定的厚度E2。

实际上，在电极丝拉制之前(图6)存在于电极丝坯体内的料块10-50的层由于电极丝拉制而分裂成单个的层，并且在电极丝拉制结束时(图7)形成具有分离的料块10-50的层的结构，这些分离的料块具有等于涂层的初始厚度E2的较恒定的厚度。料块10-50的较恒定的厚度是以下事实的结果：这些料块沿它们的厚度方向没有断裂因此没有重新分布。

已经发现，用于在不进行分布的情况下产生这种分裂的工艺通常形成这样的电极丝：该电极丝的外表面可通过存在裂缝2b的优选取向而识别。这在图8内示出：γ相黄铜合金的裂缝2b显现为平行于方向I-I排列成的斜排，这构成优选的取向。

现在考虑图9和10，这两个图示出类似于文献EP 1009574的方法的现有技术的方法。在此情况下，从大于直径De的直径D’e开始进行电极丝拉制以达到相同的最终直径Df。在电极丝拉制之前(图9)，涂层的厚度E’2大于厚度E2，并且可看到区域10-50。在电极丝拉制期间，由于较大的厚度E’2和较小的比率Df/D’e，涂层沿侧向破裂，并且同时在深度上破裂成至少两层以使料块10-50相互分离。如图10所示，然后涂层以非均匀的厚度重新分布。应指出，示意性图10示出料块10-50在厚度上的比较宽的分布，其中具有在深度上还没有断裂的非常大的料块50、较小的料块20或40，以及中等尺寸的料块10或30。小的料块例如料块20或40容易构成粉末。本发明可避免这种情况。

实际上，重新分布的γ相黄铜层包含三种料块：

-仍在其初始位置附着在芯部上并且没有破裂的料块(例如，料块50)；

-处于破裂过程的料块；

-料块的碎块，该碎块在电极丝拉制期间相互分离、然后移动并再次粘附在芯部的表面上，从而产生较高的芯部覆盖率。

在电极丝拉制操作期间由于重新分布、以及料块的破裂和它们重新粘附在芯部表面上所造成的料块的不规则尺寸容易引起导电问题。

导电是从电火花腐蚀机的发生器通过电极丝的外表面向电极丝提供电流所必需的。

重新分布的电极丝表面层的结构和厚度的这些不规则性可能导致电火花不稳定，并且沿电极丝F的前进方向F2在表面S(图1和2)上产生波峰和波谷。这可能就是在使用表面层被重新分布的电极丝的情况下，在被精加工的部件上测量的波纹参数Wt保持高于0.5μm的原因。

本发明产生的效果已经通过尤其在两个部件上执行的波纹参数Wt测量显示出，这两个部件借助于相应的样品电极丝进行加工：

-样品1：根据文献EP 1009574的电极丝，该电极丝的直径等于0.25mm并且具有α相黄铜芯部，其表面层包括破裂并重新分布的γ相黄铜料块，该黄铜料块的测量厚度在2.3μm-5.1μm之间；

-样品2：根据本发明的电极丝，该电极丝的直径等于0.25mm并且具有α相黄铜芯部，该电极丝具有包含断裂的并且未重新分布的γ相黄铜料块，其中多于80％的料块的厚度在4μm-4.3μm之间。

使用这两种样品电极丝，对Z160DCV12工具钢制成的各自为50mm高的部件进行加工，并且使用AGIE Agiecut Evolution II SFF(惯用标记，usage mark)机(年份：2001)执行六个精加工步骤。

然后使用具有MAHR PZK(惯用标记)驱动单元、以及90°角、2μm半径的MAHR MFW250(惯用标记)探头的MAHR Perthometer S2(惯用标记)(2006年制造)，测量由两个样品电极丝获得的精加工表面的波纹参数Wt。

测量参数为：

-评估长度：0.8mm

-切割长度(过滤器)：0.8mm

-长度数量：五个评估长度，加上前面一个和后面一个，即总行程为5.6mm。

测量结果为：

-样品1：Wt＝0.9μm

-样品2：Wt＝0.39μm。

因此，在使用根据本发明的电火花腐蚀电极丝执行精加工步骤之后，部件上的波纹参数Wt可得到非常大的改进。

本发明并不局限于明确描述的实施例，而是包含下面权利要求范围内的变型和概括。

Claims (6)

1.一种用于电火花腐蚀加工的电极丝，该电极丝包括用由铜和锌制成的第一合金制成的芯部(1)，该第一合金的锌含量按重量计算在20％-45％之间，并且包括在所述芯部(1)上形成的涂层(2)，所述涂层(2)包括由铜和锌制成的第二合金，该第二合金的锌含量按重量计算大于50％并且具有断裂成料块(2a)的结构，在该料块之间暴露出该芯部(1)，其特征在于，在该涂层(2)中：

-第二合金的料块(2a)的厚度(E2)具有窄的分布，所存在的大部分料块(2a)中的最小料块和最大料块的厚度的比率大于0.6，并且

-第二合金的料块(2a)提供了大于50％的芯部(1)覆盖率。

2.根据权利要求1的用于电火花腐蚀加工的电极丝，其特征在于，所述第二合金的料块(2a)的厚度(E2)小于7μm。

3.根据权利要求1或2的用于电火花腐蚀加工的电极丝，其特征在于，对于0.250mm的电极丝直径，所述料块(2a)的厚度(E2)大多数为4μm-5μm。

4.根据权利要求1或2的用于电火花腐蚀加工的电极丝，其特征在于，所述芯部(1)的第一合金主要包括α相铜锌合金，或者α相铜锌合金和β’相铜锌合金的混合物。

5.根据权利要求1或2的用于电火花腐蚀加工的电极丝，其特征在于，所述第二合金主要包括γ相铜锌合金。

6.根据权利要求5的用于电火花腐蚀加工的电极丝，其特征在于，在所述电极丝的表面，γ相铜锌合金的碎块(2b)排列成相对于所述电极丝的长度方向倾斜的排。

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