CN105081490A - 线切割电极丝及线切割装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种线切割电极丝，包括一碳纳米管复合导线，该碳纳米管复合导线的拉伸应变率小于等于3%，该碳纳米管复合导线包括一碳纳米管单纱以及一金属层，所述碳纳米管单纱由多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱轴向旋转加捻构成，该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米，该碳纳米管单纱的直径为1微米到30微米；所述金属层包覆于所述碳纳米管单纱的外表面，该金属层厚度为1微米到5微米。本发明还提供一种使用所述线切割电极丝的电火花线切割装置。

Description

线切割电极丝及线切割装置
技术领域
本发明涉及一种线切割电极丝及应用该线切割电极丝的电火花线切割装置。
背景技术
近年来，随着机械加工技术日新月异，线切割电火花加工作为一种特种精密机械加工技术也得到了迅速发展。电火花线切割的基本原理是利用不断移动的细金属导线作为工具电极，工具电极与工件之间形成脉冲性放电腐蚀工件来实现加工。电火花线切割具有加工精密度高、微细化、高效率、加工成本低等特点。
线切割电极丝在电火花线切割中起着重要的作用。线切割电极丝需要具有耐磨性好、耐高温、表面粗糙度好、耐腐蚀性好、拉伸强度大、导电率高等特点。目前常用的线切割电极丝主要有钼丝和黄铜丝。目前线切割电极丝的直径一般在30微米到50微米之间，然而，当达到这一数量级时，其抗拉强度会显著降低从而使耐用性较差，特别是当其直径达小于30微米时，其抗拉强度会显著降低，难以满足实际应用的要求。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种抗拉强度较高且直径较小的线切割电极丝以及使用所述线切割电极丝的电火花线切割装置。
一种线切割电极丝，用于电火花线切割，包括一碳纳米管复合导线，该碳纳米管复合导线的拉伸应变率小于等于3%，该碳纳米管复合导线包括一碳纳米管单纱以及一金属层，所述碳纳米管单纱由多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱轴向旋转加捻构成，该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米，该碳纳米管单纱的直径为1微米到30微米；所述金属层包覆于所述碳纳米管单纱的外表面，该金属层厚度为1微米到5微米。
一种电火花线切割装置，包括一线切割电极丝、一待加工工件以及一脉冲电源，所述线切割电极丝与所述待加工工件之间存在一放电间隙，所述线切割电极丝用于切割所述待加工工件；所述脉冲电源的两级分别与所述线切割电极丝和所述待加工工件电连接，所述脉冲电源用于提供一脉冲电压，所述线切割电极丝包括一碳纳米管复合导线，该碳纳米管复合导线的拉伸应变率小于等于3%，该碳纳米管复合导线包括一碳纳米管单纱以及一金属层，所述碳纳米管单纱由多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱轴向旋转加捻构成，该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米，该碳纳米管单纱的直径为1微米到30微米；所述金属层包覆于所述碳纳米管单纱的外表面，该金属层厚度为1微米到5微米。
与现有技术相比，本发明提供的线切割电极丝及电火花线切割装置具有以下优点：其一，由于碳纳米管具有优异的力学性能，因此，相同直径的碳纳米管复合线比纯金属导线具有更高的机械强度，并可通过优化所述碳纳米管单纱的直径和捻度，使所述碳纳米管复合导线的拉伸应变率达到3%以下，从而可以显著提高所述碳纳米管复合导线的拉伸强度，使所线切割电极丝具有更好的抗拉伸性能，避免线切割时因线切割电极丝的抖动而导致的电路短路，而且不易出现断丝现象，损耗较小；其二，通过优化所述碳纳米管单纱的直径和捻度，可以使线切割电极丝的直径达到2到35微米，可以实现对精度要求更高，尺寸要求更小的工件进行线切割。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的线切割电极丝横截面的示意图。
图2为本发明第一实施例提供的线切割电极丝中碳纳米管复合导线的扫描电镜照片。
图3为本发明第一实施例提供的线切割电极丝中碳纳米管复合导线的拉伸应力曲线。
图4为本发明第二实施例提供的电火花线切割装置示意图。
主要元件符号说明
线切割电极丝 10
碳纳米管复合导线 1
碳纳米管单纱 2
金属层 3
电火花线切割装置 100
待加工工件 11
穿丝孔 110
储丝筒 12
脉冲电源 13
导电连接件 14
运丝轮 15
工作台 16
移动控制装置 17
如下具体实施方式将结合所述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的线切割电极丝作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种线切割电极丝10，用于电火花线切割。该线切割电极丝10包括一碳纳米管复合导线1。
所述线切割电极丝10可以由一根碳纳米管复合导线1形成，也可为多根碳纳米管复合导线1组成的绞线。所述线切割电极丝10的直径范围为2到35微米。
具体地，该碳纳米管复合导线1由一碳纳米管单纱2以及一包覆于所述碳纳米管单纱外表面的金属层3组成。所述碳纳米管单纱2由多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱2的轴向旋转加捻构成。所述碳纳米管单纱2可以通过从一碳纳米管阵列中拉取获得一碳纳米管线，并将所述碳纳米管线的两端相对回转形成。由于从碳纳米管阵列中直接拉取获得的碳纳米管线中的碳纳米管基本沿所述碳纳米管线的轴向延伸，且在所述碳纳米管线的轴向方向通过范德华力首尾相连。故，在将所述碳纳米管线的两端相对回转的过程中，该碳纳米管线中的碳纳米管会沿碳纳米管线的轴向方向螺旋状排列，且在延伸方向通过范德华力首尾相连，进而形成所述碳纳米管单纱2。另外，在将所述碳纳米管线的两端相对回转的过程中，所述碳纳米管线中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距会变小，接触面积增大，从而使所述碳纳米管单纱2中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的范德华力显著增加，并紧密相连。所述碳纳米管单纱2中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距小于等于10纳米。优选地，所述碳纳米管单纱2中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距小于等于5纳米。更优选地，所述碳纳米管单纱2中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距小于等于1纳米。由于所述碳纳米管单纱2中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距较小且通过范德华力紧密相连，故，所述碳纳米管单纱2具有光滑且致密的表面结构。
所述碳纳米管单纱2的直径为1微米到30微米。所述碳纳米管单纱2的捻度为10转/厘米到300转/厘米。所述捻度是指单位长度碳纳米管线回转的圈数。当所述碳纳米管单纱2的直径确定时，适当的捻度可以使所述碳纳米管单纱2具有较好的机械性能。这是由于，随着捻度的增加，所述碳纳米管单纱2中沿径向方向相邻的碳纳米管之间间距的降低，从而使沿径向方向相邻的碳纳米管之间的作用力会增强；但是，当捻度过大时，所述碳纳米管单纱2中沿轴向方向相邻的碳纳米管之间的作用力反而会降低。当所述碳纳米管单纱2的直径小于10微米时，所述碳纳米管单纱2的捻度优选为250转/厘米到300转/厘米；而当所述碳纳米管单纱2的直径为10微米到20微米时，所述碳纳米管单纱2的捻度优选为200转/厘米到250转/厘米；而当所述碳纳米管单纱2的直径为25微米到30微米时，所述碳纳米管单纱2的捻度优选为100转/厘米到150转/厘米。所述碳纳米管单纱2的机械强度可以达到相同直径的金线的机械强度的5-10倍。本实施例中，所述碳纳米管单纱2的直径约为25微米，且其捻度约为100转/厘米。
由于所述碳纳米管单纱2具有光滑且致密的表面结构，故，所述金属层3可以和所述碳纳米管单纱2形成良好的结合，不易脱落。所述金属层3均匀的包覆于所述碳纳米管单纱2的外表面，其厚度为1微米到5微米。当所述金属层3的厚度为1微米到5微米时，所述碳纳米管复合导线1的电导率可以到达所述金属层3中金属的电导率的50%以上。当所述金属层3的厚度太小时，例如小于1微米，一方面不能显著提高所述碳纳米管复合导线1的电导率，另一方面，还会使得该金属层3在使用时容易被氧化，进一步降低所述碳纳米管复合导线1的电导率及使用寿命。另外，实验证明当所述金属层3的厚度大于一定值时，例如大于5微米，所述碳纳米管复合导线1的电导率不但不会显著增加，还会额外增加所述碳纳米管复合导线1的直径。所述金属层3的材料可以为金、银、铜、钼、钨等导电性较好的金属或合金。本实施例中，所述金属层3为厚度约为5微米的铜，从而使该碳纳米管复合导线1的电导率可以达到4.39×107S/m，为金属铜的电导率的75%左右。
所述碳纳米管复合导线1的拉伸应变率小于等于3%，优选的，所述碳纳米管复合导线1的拉伸应变率小于等于1%。拉伸应变率越小，越有利于降低线切割时碳纳米管复合导线1的拉伸变形而造成的线切割电极丝的抖动，从而避免线切割时因线切割电极丝的抖动而导致的电路短路，而且拉伸应变率越小，拉伸强度越高，在线切割过程中不易产生断丝现象，较少损耗。
请参照图2，本实施例中，所述碳纳米管复合导线1的直径约为35微米，其拉伸应力可以达到900MPa以上，为相同直径下金线的9倍左右。另外，从图2中还可以看出所述碳纳米管复合导线1的拉伸应变率为3%左右。
所述金属层3可以通过电镀、化学镀、蒸镀等方法形成于所述碳纳米管单纱2的外表面，进而形成所述碳纳米管复合导线1。
本实施例提供的线切割电极丝具有以下优点：首先，由于所述金属层3具有较大的厚度，从而可以使所述金属层3具有较好的抗氧化性能及耐用性能，进而减小线切割电极丝的损耗；其次，由于所述金属层3具有较大的厚度，因此，所述碳纳米管复合导线1在使用时，所述金属层3起主要的导电作用，即，电流主要通过碳纳米管复合导线1的表层传导，即通过金属层3传导，形成类似驱肤效应，故，可以显著提高所述碳纳米管复合导线1的电导率，进而提高线切割电极丝的工作效率；再次，通过优化所述碳纳米管单纱2的直径和捻度，可以使线切割电极丝的直径达到2到35微米，可以在现有技术的基础上对精度要求更高，切割直径更小的工件进行线切割；最后，通过优化所述碳纳米管单纱2的直径和捻度，可以使所述碳纳米管复合导线1的拉伸应变率可以达到3%以下，从而可以显著提高所述碳纳米管复合导线1的拉伸强度，使所线切割电极丝具有更好的抗拉伸性能，避免线切割时因线切割电极丝的抖动而导致的电路短路，以及断丝现象。
请参阅图4，本发明第二实施例提供一种使用上述线切割电极丝10的电火花线切割装置100，包括上述线切割电极丝10、一待加工工件11、一储丝装置12、一脉冲电源13、一导电连接件14、一运丝轮15、一工作台16以及一移动控制装置17。所述待加工工件11以及工作台16均包括一穿丝孔110；所述待加工工件11放置于所述工作台16上；所述线切割电极丝10穿过所述穿丝孔110，且所述线切割电极丝10的首尾端与所述储丝装置12连接，所述线切割电极丝10与所述待加工工件11之间存在一放电间隙，所述线切割电极丝10用于切割所述待加工工件11；所述运丝轮15用于运送所述线切割电极丝10并将所述线切割电极丝10的移动路径定位；所述脉冲电源13用于提供脉冲电压，所述脉冲电源13的一极通过所述导电连接件14与所述线切割电极丝10电连接，另一极与所述待加工工件11电连接；所述移动控制装置17用于控制所述工作台16的水平移动。
所述待加工工件11和工作台16也可以不包括所述穿丝孔110，所述线切割电极丝10设置于靠近所述待加工工件11的基准面，并与所述待加工工件11之间存在一放电间隙。
所述电火花线切割装置100的工作原理为，所述线切割电极丝10与所述待加工工件11之间总是保持一定的放电间隙，在所述放电间隙喷洒具有绝缘性能的工作液。在脉冲电压的作用下，工作液被击穿，在线切割电极丝10与待加工工件11之间形成瞬间放电通道，产生瞬时高温，使待加工工件局部熔化，甚至汽化而被蚀除下来，通过待加工工件11不断的移动以及连续不断的脉冲放电，切出所需形状和尺寸的工件。
可以理解，所述储丝装置12、导电连接件14、运丝轮15、工作台16以及移动控制装置17均为可选择的元件，可以根据实际需要进行设置。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (13)

1.一种线切割电极丝，用于电火花线切割，包括一碳纳米管复合导线，该碳纳米管复合导线的拉伸应变率小于等于3%，该碳纳米管复合导线包括一碳纳米管单纱以及一金属层，所述碳纳米管单纱由多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱轴向旋转加捻构成，该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米，该碳纳米管单纱的直径为1微米到30微米；所述金属层包覆于所述碳纳米管单纱的外表面，该金属层厚度为1微米到5微米。
2.如权利要求1所述的线切割电极丝，其特征在于，所述碳纳米管复合导线的拉伸应变率小于等于1%。
3.如权利要求1所述的线切割电极丝，其特征在于，当所述碳纳米管单纱的直径小于10微米时，所述碳纳米管单纱的捻度为250转/厘米到300转/厘米。
4.如权利要求1所述的线切割电极丝，其特征在于，当所述碳纳米管单纱的直径为25微米到30微米时，所述碳纳米管单纱的捻度为100转/厘米到150转/厘米。
5.如权利要求1所述的线切割电极丝，其特征在于，所述碳纳米管单纱中碳纳米管与其延伸方向上相邻的碳纳米管之间通过范德华力首尾相连。
6.如权利要求1所述的线切割电极丝，其特征在于，所述碳纳米管单纱为S捻或Z捻。
7.如权利要求1所述的线切割电极丝，其特征在于，所述碳纳米管单纱具有光滑且致密的表面结构。
8.如权利要求1所述的线切割电极丝，其特征在于，所述碳纳米管与其径向方向上相邻的碳纳米管之间的间距小于10纳米。
9.如权利要求1所述的线切割电极丝，其特征在于，所述碳纳米管单纱的机械强度为相同直径下金线的机械强度的5-10倍。
10.如权利要求1所述的线切割电极丝，其特征在于，所述碳纳米管复合导线的电导率为所述金属层中金属的电导率的50%以上。
11.如权利要求1所述的线切割电极丝，其特征在于，所述线切割电极丝由一根碳纳米管复合导线组成。
12.如权利要求1所述的线切割电极丝，其特征在于，所述线切割电极丝为由多根碳纳米管复合导线组成的绞线。
13.一种电火花线切割装置，包括一线切割电极丝、一待加工工件以及一脉冲电源，所述线切割电极丝与所述待加工工件之间存在一放电间隙，所述线切割电极丝用于切割所述待加工工件；所述脉冲电源的两级分别与所述电极丝和所述待加工工件电连接，所述脉冲电源用于提供一脉冲电压，其特征在于，所述线切割电极丝包括一碳纳米管复合导线，该碳纳米管复合导线的拉伸应变率小于等于3%，该碳纳米管复合导线包括一碳纳米管单纱以及一金属层，所述碳纳米管单纱由多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱轴向旋转加捻构成，该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米，该碳纳米管单纱的直径为1微米到30微米；所述金属层包覆于所述碳纳米管单纱的外表面，该金属层厚度为1微米到5微米。
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