近年來，機械加工技術日新月異，線切割電火花加工作為一種特種精密機械加工技術也得到了迅速發展。特別是慢走絲線切割加工，已成為模具制造與機械加工行業提高加工效率和品質的一種必不可少的加工方法。

    電極絲技術的發展及應用

    線切割技術的發展，離不開電極絲技術的同步發展。現在國際上流行的慢走絲機床設計理念就是根據電極絲性能進行設計，而電極絲技術的突破往往又會帶動線切割機設計的革新。從最初使用的無氧銅絲切割到現在的復合線切割，慢走絲切割的發展經歷了從低效率、低品質到高效率、高品質、自動化、專業化生產的漫長歷程。

    中國的線切割技術從最早的快走絲、中走絲加工到現已普遍應用的慢走絲加工，是在逐步引進吸收國外先進技術的基礎上發展起來的。自上世紀七八十年代鍍鋅電極絲發明以來，市場上先后出現了普通黃銅電極絲、鍍鋅電極絲、鉬絲、鎢絲、復合絲（里層為鋼絲，外表為銅等）等各種各樣的電極絲。

    真正的慢走絲技術進入中國是在上世紀90年代初，而最早使用慢走絲加工的廠家是珠三角地區的幾家外商獨資企業，由于當時中國的有色金屬加工技術還不成熟，所使用的原材料依賴進口，故在二十世紀之前慢走絲加工在中國的發展一直很緩慢。

    2000年之后，隨著中國冶煉、機械加工技術的發展，電極絲才呈現出逐漸加速發展之勢，特別是中國加入WTO后，國外進口的電極絲類型也越來越多，令廣大使用者眼花繚亂，難以選擇。而正確選用電極絲又是提高加工品質、發揮機床效率、減少人力成本的關鍵。

    當前，西方發達國家的電火花加工已逐漸向高速度、高品質方向發展，但中國仍處于較低的發展水平。盡管最近幾年中國引進的切割機床（包括國產的慢走絲切割設備）中，也逐漸加入了除普通黃銅電極絲外的其他類型電極絲的使用參數，但使用者仍經常使用普通黃銅電極絲進行加工，導致機床效率難以更好發揮。

    還有不少使用者在引進高性能線切割機時，由于缺乏對選擇電極絲重要性的認識，不管什么機型或加工狀況，都把價廉的普通黃銅電極絲作為唯一選擇。

    隨著使用者技能的不斷提升和慢走絲切割技術在機械加工行業的逐漸普及，人們發現，使用鍍鋅電極絲等復合電極絲的機床能發揮出更高的效率，加工出來的工件精度也更高。2000年后，越來越多的使用者開始嘗試使用高性能的黃銅絲、鍍鋅電極絲等復合電極絲，并逐漸認識到不同加工條件下選用不同類型的電極絲會收到更好的效果。不僅“電極絲就是黃銅做的”這一認識誤區被打破，中國國內也開始出現了能夠獨立研發、生產電極絲的企業。

 
圖1：精密加工成型的零件

    電極絲的特性

    一種新技術的引進，要經過模仿、吸收、消化、創新這一過程，從最初的H65普通黃銅（65%的銅，35%的鋅），到現在應用越來越多的H63、H62等含鋅量更高的黃銅，人們認識到在切割過程中真正起作用的是鋅。因為普通黃銅中銅的熔點是1083.5℃，鋅的沸點也僅有907℃。

    在切割過程中，由于高溫放電作用，切割線會在瞬間達到2000℃以上高溫，氣化后的鋅會把切割中放電產生的能量帶到切割金屬的表面，并改善沖洗效果，同時鋅氣化所產生的氣壓還會把放電產生的蝕物吹走。這一理論研究顯示，電極線中鋅含量越高，切割效果就越好。

    但從有色金屬加工學來講，當鋅的比例超過40%后，電極絲的α單相結晶組織將變成α和β雙相結晶組織，此時材料會變得太脆而不適合加工成直徑很小的細絲。普通黃銅電極絲在普遍追求高效率切割的今天受到了加工工藝方面的制約，從而催生出擁有其他特殊性能的電極絲。

    據當前國內外技術研究總結，電極絲材料必須具備以下特性：

    1.機械特性

    在電火花放電加工過程中，電極絲須能承受一定的拉力和因放電引起的沖擊力。如果材料強度太低或者斷裂韌性太低，會造成電極絲抖動，最終導致切割工件表面不光滑，甚至會引起多道切割線痕。特別是對于一些難加工的金屬工件，切割時施加的張力（組成電極絲材料的強度）越大，越容易切割。另外，材質強度還有助于電極絲恢復直度，擁有一定延伸性的電極絲材料對切割有斜度的工件也會比較有益。

    2.氣化特性

    在加工過程中，放電產生的熱量是不斷增加的，如果熱量不能夠通過其他介質及時釋放，熔點再高的電極絲也會被燒斷，因此組成電極絲的材料必須能將這些熱量帶出。

    3.物理特性

    電極絲的物理特性是提高切割效率的關鍵，通常是指電極絲的熔點。這主要由電極絲材料的基礎成份配比及芯材的組成金屬性質決定。因為電極絲在切割時的抖動會產生瞬間的短路效應，這時，切割過程會減慢，如此時電極絲未因放電燒蝕而與切割金屬間產生間隙，切割廢屑便不會被沖水帶出，這時電極絲就會燒斷。

    4.幾何特性

    這里所說的幾何特性通常是指尺寸精度和尺寸穩定性。電極絲的外徑直接決定了切割工件的表面尺寸精度，當前電極絲機床的設計也要求電極絲擁有較小的外形幾何誤差。而電極絲的最后尺寸精度只能由拉絲模具的尺寸精度來保證，當今世界的切割機床還不具備根據電極絲外徑來自動調節切割精度的功能，如果尺寸精度不穩定，最后的切割精度也不穩定。

    5.電氣特性

    電火花加工靠瞬間的放電腐蝕切割金屬，瞬間放電間隙越短，切割的金屬表面光潔度越高，因此電極絲必須具備能夠承受瞬間高脈沖電流和大切割電流的能力。

    電極絲的分類

    現在市場上流行的電極絲都是上述五種特性的有機組合，也會加入其他一些特別明顯的性能，如高強度、強延伸性等。根據不同的使用條件及加工狀況，電極絲可分為如下幾種：

    1.普通黃銅電極絲

    這種電極絲是銅鋅二元合金，因受鋅含量制約，其切割速度提升有限，一般被現在的國內普通用戶使用，掉銅粉、斷線是使用該電極絲過程中的常見現象。

  圖2：黃銅絲

    2.鍍鋅電極絲

    芯材為普通黃銅，外面鍍一層鋅，由于鋅在切割過程中的氣化作用，這種電極絲的放電會比較穩定，切割表面比普通黃銅絲光滑。國際上比較成熟的制造國家主要分布在歐洲，目前國內也有個別廠家能夠生產，掉粉是該電極絲在使用過程中的常見問題。

 
圖3：鍍鋅絲

    3.速度型鍍層電極絲

    芯材為普通黃銅，鍍層為銅鋅合金，鍍層比普通鍍鋅電極絲略厚。這種鍍層電極絲較普通鍍鋅電極絲的切割速度要快，適合于高效率加工，目前這種電極絲只能在國外生產，中國尚處在開發階段。

    4.擴散退火型電極絲

    研究發現，表面有均勻小坑洞的電極絲會改善電極絲的放電沖洗效果，基于此，產生了這種表面多孔結構的電極絲。擴散退火型電極絲芯材為無氧銅，并通過擴散退火在外包一層銅鋅合金（銅和鋅的比例為1：1），由于芯材為無氧銅，表層是采用擴散退火形成的多孔結構，故這種電極絲的沖洗效果優于常規電極絲。但無氧銅自身的抗拉強度較低，以其為芯材制成的電極絲強度也很低，只有500MPa，目前這種電極絲只適合于特殊機床的特殊加工。

    5.鋼芯電極絲

    芯材為鋼絲，表層鍍純銅再鍍黃銅，也有直接鍍黃銅的，因為這種電極絲芯材為鋼，故在高溫下這種電極絲的強度大大高于以上四種電極絲，特別適合于困難條件下的加工，如超厚、大斜度、多層、沖水不良、石墨、單晶硅等難加工物質。

    6.精細型電極絲

    一般的電極絲直徑最小為0.07mm，對于有小α角要求的精細加工，α角的直徑要求達到0.02-0.10mm，這時就須選用鎢或者鉬來制造超細的電極絲，但因為鎢或者鉬屬于稀有金屬且加工難度較大，經常采用下述的鋼琴絲來代替。

    7.鋼琴電極絲

    這種電極絲因為芯材為制造鋼琴用的高碳鋼,所以又叫鋼琴絲。鋼琴電極絲芯材為高碳鋼，表層鍍黃銅，也有再鍍鋅的。高碳鋼價格較低，所以這種電極絲經常代替上述的精細型電極絲。高碳鋼絲經多道次的加工及熱處理，強度可與鎢絲或鉬絲相當。

    電極絲的斷線問題

    現階段，中國精密模具與機械精密制造加工還是一個新興行業，很多新技術的使用仍處在嘗試階段。上述第三、四、五、六、七種電極絲在中國的實際使用還很少，經常使用的電極絲只有黃銅絲和鍍鋅電極絲兩種，下面針對這兩種電極絲在使用過程中經常出現的斷線問題做一分析。

    1.對斷線的誤解

    在使用電極絲的過程中，用戶或切割師傅會誤以為斷線是因為電極絲強度低而被拉斷的，其實斷線的真正原因不是電極絲強度低，而是韌性不足。

    現在市場上大量出現的抗拉強度只有450MPa的電極絲，是不是因為強度低而被經常拉斷呢？實際情況并非如此。如前所述，慢走絲電火花切割的實質是靠放電腐蝕來切割金屬，放電時在電極絲表面形成放電腐蝕坑洞是電極絲在切割時斷線的根本原因。

    從操作層面上來講，拉伸強度越高越好，因為強度越高的電極絲直度會越好，也越容易穿絲，但如果從操作層面來提高拉伸強度，則會導致放電性能下降。現在也有一些電極絲生產企業在開發既有高抗拉強度、同時放電性能也并不受損的電極絲。

    2.斷線的本質

    從斷裂力學的角度看，斷裂是在裂紋源擴展到一定程度后產生的。放電時，電極絲表面會因放電腐蝕作用形成許多坑洞，電極絲也會同時受到電火花或者排屑的沖擊，切割過程中幾個受力最小的小坑洞會因斷裂韌性不足而發生斷裂，即斷線。

    3.電極絲放電加工過程中沖水的作用

    水在電火花加工過程中的作用很重要，慢走絲機床通常所用的易損材料有樹脂、過濾器、電極絲等，而樹脂和過濾器主要是用來清潔和過濾在機床上往復循環利用的水，以保證電極絲的氣化特性不被降低。

    放電過程中形成的小坑與很多因素有關，最重要的因素就是沖水，沖水的效果直接影響了電極絲與工件之間間隙的氣化特性。當然，沖水還可輕易地把電腐蝕產生的廢屑排走，并帶走放電過程中產生的熱量。

    4.廉價電極絲問題

    現階段我國使用的電極絲，95%以上由含銅60~65%的普通黃銅制作，而我國又是一個銅資源嚴重匱乏的國家。隨著最近兩年銅價的日漸攀升，國內個別制造企業開始選用回收廢雜銅來生產電極絲母線，而這些廢雜銅中往往含有鐵、鎳、錫、鉛等降低電極絲性能的有害雜質。

    因目前中國精煉銅工藝水準不高，難以清除這些雜質，造成生產出來的電極絲內部組織結構不均勻，從而降低了電極絲的韌性及最終使用性能，成為引起斷線的罪魁禍首。這不僅會降低加工效率，還會影響切割工件的加工品質甚至損壞機床。而一般的用戶又檢測不到這些雜質元素的存在，在實際操作中，往往通過降低切割速度來減少斷線，有的用戶甚至還歸因于機床性能變化或切割師傅的技術不高。

圖4：普通切割線生產工藝間圖

    結語

    綜上所述，在選擇使用電極絲時，首先要從機型著手，看機型適合什么類型的電極絲；其次要考慮加工工況，如加工材料硬度、表面品質要求、加工零件精度要求以及機床所選用配套耗材的品質狀況等，當然還要考慮水質的好壞；再次要考慮機床設備是否經常滿負荷運行；最后還要考慮各種不同電極絲的性能差異。