CN105102180A - 用于电火花加工的金属丝电极 - Google Patents

Abstract

伽马相黄铜涂覆的EDM金属丝电极被处理以产生脆性伽马相合金的不同的颗粒，其中这些颗粒具有几何参数的可独特地描述的分布。通过使用标准光学金相程序分析金属丝电极的随机横截面确定的微粒分布包含带有小于1.5的短轴的颗粒的最小数量和更大纵横比（长轴和短轴的值的商）的微粒的更大的比例。发现这种金属丝电极包含比现有技术中描述的电极更少的松散碎屑，即比现有技术伽马金属丝更干净且没有蒙受切割速度性能上的任何降级。

Description

用于电火花加工的金属丝电极

相关申请

本申请要求2012年9月17日提交的美国临时申请61/701933的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体涉及电火花加工，并且尤其涉及一种在电火花加工中使用的新型的改进金属丝电极。

背景技术

在专利文献中已经记录有相当大量的关于用于电火花加工的金属丝电极的构造的现有技术（例如见美国专利5945010），最近的改进是引入包含伽马（gamma）相黄铜合金的涂层。不过，非常不幸的是，关于伽马相涂层技术的现有技术专利文献包含了令人混淆的且误导性的技术数据，这些数据没有使该技术获得最大可能的进步。

Barthel等人在它们的专利US6447930首先发现了伽马相黄铜铜层的潜能，但是不幸的是，他们描述的工艺产生的是连续的纯伽马相涂层，该涂层仅是在非常受限的条件下才能实现。在US5945010中，Tomalin认识到如下事实：伽马相黄铜是非常脆的并且如果金属丝在通过将锌扩散到黄铜或铜内合成该伽马相黄铜之后被冷拔，那么该伽马相黄铜会产生不连续的涂层。Groos等人在US6781081中发现了伽马和贝塔（beta）相黄铜的优良的两相双层涂层的最优几何特征，但是不幸的是他们没有发现用于产生据称被实现的结果的金属丝处理参数。他们宣称产生最优金属丝切割性能的关键几何参数是两相的厚度的比以及他们的组合厚度的和。他们给出的支持他们的论点的数据（图2和3）是高度可疑的，因为物理上不可能产生他们报告数据时所针对的涂覆伽马黄铜金属丝，即带有超过10的涂层厚度的涂覆伽马黄铜的金属丝。这是因为如果在0.3mm的最终金属丝直径上合成连续的涂层，那么带有10的涂层厚度的金属丝将会太脆而不能在EDM机床的金属丝喂送机构中被处理。

替换地，如果伽马相黄铜涂层是通过在中间金属丝直径上形成伽马相并且对这种金属丝进行拉拔以形成0.3mm的最终直径来合成，那么不可能产生10或更大的伽马涂层层厚，因为脆性的伽马层将破碎成多个微粒并且不可能粘附大于约5-6的涂层。事实上，构成涂层的松散的或变松的伽马相黄铜微粒将容易使该涂层剥落，由此在机床上产生了过量的粉末，从而金属丝的引导件将很快被塞满粉末并且该机床将因金属丝断裂而停机。

发明内容

本发明提供了一种用于电火花加工工艺的新型的改进金属丝电极。

根据本发明，电极金属丝包括芯，该芯包括金属、金属合金和/或金属多层复合材料中的其中一种。涂层被设置在该芯上，该涂层包括脆性合金的不同颗粒。所述颗粒拥有一定范围的几何参数，即，长轴、短轴和纵横比。根据本发明，纵横比由长轴尺寸除以短轴尺寸的商定义。几何参数的分布是由在最少1000倍放大下可见的五个全圆周随机光学冶金横截面确定的。该分布包含带有等于或小于1.5微米的短轴的最大15％量的微粒和带有等于或大于5.0的纵横比的最小10％量的微粒。

在一个公开的实施例中，所述芯是铜，而在另一实施例中，所述芯是黄铜合金。在第三实施例中，该芯是多层复合材料。

根据本发明，当电极金属丝芯是由金属多层复合材料构造的时，该芯优选地是带有贝塔相黄铜外层的铜芯。在本实施例的另一公开的构造中，多层复合材料芯是带有贝塔相黄铜外层的阿尔法（alpha）相黄铜芯。在本实施例的又一构造中，金属多层复合材料芯是带有贝塔相黄铜外层和铜中间层的钢芯。在本实施例的另一构造中，该多层复合材料芯是带有铜第一中间层、阿尔法相黄铜第二中间层和贝塔相黄铜外层的钢芯。

在一个所公开的实施例中，被设置在芯上的涂层是伽马相黄铜。

本发明的目的是找到伽马相黄铜涂层的几何参数，这些参数将维持优良的金属丝切割速度同时还提供了更清洁的金属丝，这样的金属丝要求更少的机器维护。

根据本发明，这个目的是在将处理参数调节成使得构成伽马相涂层的微粒主要具有大于1.5的短轴且它们的长轴和短轴的比的值显著大于2-4时被实现。

令人惊奇的是，当这些条件被满足时，“厚度”比类似金属丝的涂层厚度小的涂层能维持与带有更厚涂层厚度的金属丝相同的切割速度，同时还表现出少得多的碎屑微粒，在周期维护中必须从机床上清除这些碎屑微粒。

通过阅读参照附图做出的具体描述会获得本发明的额外特征和更全面的理解。

附图说明

图1是根据示例1（类似于现有技术美国专利5945010中描述的工艺）准备的伽马涂覆黄铜金属丝的冶金横截面。

图2是根据改进的工艺，示例2，准备的伽马涂覆黄铜金属丝的冶金横截面，这主要产生了高纵横比伽马相黄铜微粒。

图3是由示例1（1.2mm变换）产生的结果值短轴的分布的直方图。

图4是由示例2（0.4mm变换)产生的结果值短轴的分布的直方图。

图5是用于确定与给定的金属线类型相关的残余碎屑的量的装置的示意图。

具体实施方式

已知的是，如果EDM金属丝包含锌，那么它就能更高效地切割，并且通常，表面中含有的锌含量越高，所实现的切割速度就越高，如果其它参数都相同的话。还已知的是，通常用在EDM应用中的高锌含量黄铜相合金要想有效还必须具有相对来说的高熔点，这就解释了为什么伽马相黄铜合金涂覆的EDM金属线已经涌现为目前可获得的最高性能的EDM金属丝。不过，伽马相黄铜涂覆的金属丝电极的高性能还具有一些限制，这些限制是由这种涂层的固有的脆性施加的。因为往往用更高抗拉强度的金属丝来促进EDM中的大多数应用，所以大多数伽马相黄铜合金涂覆的金属丝被发现是被大量地加工硬化或者仅适度地退火。因此，这些金属丝的涂层通常由离散的伽马相黄铜微粒组成，这些微粒形成了一定程度上的不均匀且不连续的涂层，如在图1中所示。用于产生图1中描述的微结构的工艺在下面的示例1中被定义，并且非常类似于在美国专利5945010中引用的现有技术中使用的工艺。

示例1

芯：CuZn35在1.2mm直径镀锌12

退火：177空气中4小时

RT拉拔到0.25mm直径。

在准备下面的金相横截面的工艺中，例如图1中描述的横截面，金属丝样品首先被电镀铜以提供防止边缘变圆并由此提供了对表面处的金相结构的清晰理解的手段，除此好处以外，铜层还提供了在金属丝表面上的成分和安装材料之间的清晰颜色对比。这极大地便利了对横截面的后续分析，但是不幸的是，这个优点在黑白复制图中丧失了。考虑附图1，根本不清楚如何定义伽马相黄铜涂层的厚度。但是，那正是现有技术中的作者试图用来定义最优金属丝涂层的参数，比如在美国专利6781081中。如果我们进一步检查图1，那里有一些关于什么可能是更精确的参数的暗示，这些更精确的参数可被用来清除地描述用于EDM应用的更高性能的金属丝电极。

注意到，在图1中，在诸如被标记为微粒1和微粒2的伽马相黄铜微粒的参数短轴、长轴、和纵横比（短轴/长轴）方面有极端变化。例如，微粒1具有约3的短轴和约3的纵横比，而微粒2具有约9的短轴和约1的纵横比。如果带有最小短轴尺寸的微粒的数量相当大，并且如果那些同样的微粒还具有接近1.0的纵横比，那么那些微粒就具有最小的将它们保持在表面上的结合力并且可能在金属丝被传递到和离开处理缺口时该金属丝行进通过机床上的金属丝处理系统时被从该表面移开，实际的金属从工件的移除是发生在所述缺口处。一旦被从金属丝移开，这些微粒就变成机床上的“碎屑”，这些碎屑可能负面地影响机床的性能和维护。随着这些碎屑在金属丝引导件中的聚集，它可能塞进到该引导件内，最终导致了足够的摩擦以使金属丝电极断裂。因此，EDM机床必须被周期地清理以防止提前的金属丝断开并且通常要对全部的机床采用预防性维护计划。很明显，人们更愿意最小化维护时间以最大化机加工时间，这因此增加了对无碎屑金属丝的渴求，无碎屑金属丝通常被业内称为“清洁的”金属丝。

虽然伽马相黄铜涂层本身是脆性的，但是可以通过调节工艺参数在冷拔之后控制所得到的微粒的分布和形态。示例2提供了一种工艺安排，其与示例1中所采用的显著不同。

示例2

芯：CuZn35在1.2mm直径镀锌12

RT拉拔到0.4mm直径

退火177空气中2小时

RT拉拔到0.25mm直径

通过在示例2中描述的工艺产生的作为结果的微结构在图2中示出。虽然还是存在带有一定范围的几何参数的微粒，正如图1中所示，但是带有最小短轴和纵横比的微粒的数量被显著地减小。可以通过使用标准光学金相程序在高放大（）下分析全圆周视图的横截面来对给定的涂层的几何参数进行量化。从使用示例1的工艺产生的样品1和使用示例2的工艺产生的样品2准备五个这样的随机横截面。对这些横截面的分析总结在图3和4中，图3和4分别代表了样品1和2的短轴尺寸的直方图。

对短轴尺寸分布的进一步的分析在下面的表1中给出，其中纵横比被定义为纵横比＝（短轴尺寸）/（长轴尺寸）。

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在示例1和2中采用的工艺之间的主要区别是在冷拔到其最终直径期间中间连续伽马相涂层所经受的冷加工的量。施加在样品1上的冷加工导致了中间涂层中的多处断裂并且在一定程度上将其压成粉末，如带有等于或小于1.5的短轴的微粒的高百分比所证明的。明显地，样品2具有a）更少的细粒和b）带有更紧的分布和高得多的纵横比的平均尺寸更大的微粒，如图4和5以及表1中所证明的。实际上，样品1也具有一些带有更大的短轴尺寸的微粒，但是那些微粒的纵横比通常具有1.0-1.5的值。更高纵横比的微粒是重要的，因为它们赋予工件更加均匀的锌浓度曲线。细粒的存在是重要的，因为它们是最可能的碎屑来源，所述碎屑是“脏金属丝”的特征，该脏金属丝使昂贵的机床维护更加复杂。已经通过使用在图5中示意地示出的装置执行简单的测试证明了这个事实。在这个测试中，（量级为1-2km的）测得长度的金属丝被以约200m/min的速度拉动通过由毡垫和特殊擦拭纸组成的夹层结构。毡/纸夹层结构的横截面在图5中示出，其尺寸是6cmx10cm。擦拭纸是由受保护的工艺制造的并且是从马萨诸塞州南李市的Boyd科技公司（www.boydtech.com）可商业获得的并且是为金属丝清洁系统开发的。在开始测试之前，3kg的重量被放置在毡/纸夹层结构的顶部上。在给定的确定之前和之后使用四地电子分析天平（Sartorius型号ED124S，120gmx0.1mg）准确地确定在给定的夹层结构中擦拭纸的重量并且通过用重量中的净增加除以所用的金属丝的长度来指定清洁度等级并且所述值以mg/1000m为单位报告。表2给出了在样品1和2上执行的测试的结果。

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样品2被证明比样品1更干净，如由粘附在擦拭纸上的显著低的残余碎屑所证明的。

通过使用下列参数在升级到TechStarFastTrack2.1Caliber的AgieDEM-250上进行测试切割来在样品1和2上执行性能测试：

材料2英寸厚D-2工具钢R_c60-62

水温70

冲水压力220psi

传导性15US/cm

金属丝直径0.25mm

金属丝速度135mm/sec

金属丝张力1150gms

接通时间1.15

峰值电流3

性能测试的结果在下面的表3中给出。

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两个样品1和2的切割速度统计上是相等的，尽管样品1具有比样品2短轴尺寸更大的微粒。明显地，这些样品的短轴尺寸对它们的切割速度几乎没有影响，但是对金属丝的清洁度有重要影响。如前面指出的，清洁度在EDM金属丝的性能中也是非常重要的，因为它能通过减少维护时间并由此增加生产力而显著地减少机床的运行成本。

虽然本发明已被描述为具有优选的设计，但是在本公开的精神和范围内本发明可被进一步改进。因此本申请旨在覆盖使用本发明的基本原理的本发明的任何变型、使用和改变。而且，本申请旨在覆盖在本申请所属领域中的已知或惯用实践中的且落在后附的权利要求的限定内的对本公开的变化。

Claims (9)

1.一种用在电火花机加工装置中的电极金属丝，所述金属丝包括：

芯，其包括金属、金属合金、和金属多层复合材料中的一种；

设置在所述芯上的涂层，所述涂层包括脆性合金的不同的颗粒，所述颗粒拥有一定范围的几何参数长轴、短轴和纵横比，其中术语纵横比被定义为所述长轴的尺寸除以所述短轴的尺寸的商，

通过在最小放大下五个全圆周随机光学冶金横截面确定的所述几何参数的分布包含最大15％数量的带有等于或小于1.5的短轴的微粒和最小10％数量的带有等于或大于5.0的纵横比的微粒。

2.如权利要求1所述的电极金属丝，其中，所述芯是铜。

3.如权利要求1所述的电极金属丝，其中，所述合金芯是黄铜。

4.如权利要求1所述的电极金属丝，其中，所述金属多层复合材料芯是带有贝塔相黄铜外层的铜芯。

5.如权利要求1所述的电极金属丝，其中，所述金属多层复合材料芯是带有贝塔相黄铜外层的阿尔法相黄铜芯。

6.如权利要求1所述的电极金属丝，其中，所述金属多层复合材料芯是带有贝塔相黄铜外层和铜中间层的钢芯。

7.如权利要求1所述的电极金属丝，其中，所述金属多层复合材料芯是带有铜第一中间层、阿尔法相黄铜第二中间层和贝塔相黄铜外层的钢芯。

8.如权利要求1所述的电极金属丝，其中，所述涂层是伽马相黄铜。

9.一种用在电火花机加工装置中的电极金属丝，所述金属丝包括：

a）芯，包括下列中的其中一种：金属、金属合金或金属多层复合材料；

b）设置在所述芯上的涂层，所述涂层包括脆性合金的颗粒，所述颗粒具有包括长轴、短轴和纵横比的几何参数，

所述纵横比被定义为长轴尺寸除以短轴尺寸的商；

c）所述几何参数的分布，其是通过在最小1000倍放大下取得的五个全圆周随机光学冶金横截面确定的并具有最大15％数量的带有等于或小于1.5的短轴的微粒和最小10％数量的带有等于或大于5.0的纵横比的微粒。