TW201540403A - 線切割電極絲及線切割裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種線切割電極絲,包括一奈米碳管複合導線,該奈米碳管複合導線的拉伸應變率小於等於3%,該奈米碳管複合導線包括一奈米碳管單紗以及一金屬層,所述奈米碳管單紗由複數個奈米碳管沿該奈米碳管單紗軸向旋轉加撚構成,該奈米碳管單紗的撚度為10轉/釐米到300轉/釐米,該奈米碳管單紗的直徑為1微米到30微米;所述金屬層包覆於所述奈米碳管單紗的外表面,該金屬層厚度為1微米到5微米。本發明還提供一種使用所述線切割電極絲的線切割裝置。
Description
本發明涉及一種線切割電極絲及應用該線切割電極絲的線切割裝置。
近年來,隨著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。電火花線切割的基本原理係利用不斷移動的細金屬導線作為工具電極,工具電極與工件之間形成脈衝性放電腐蝕工件來實現加工。電火花線切割具有加工精密度高、微細化、高效率、加工成本低等特點。
線切割電極絲在電火花線切割中起著重要的作用。線切割電極絲需要具有耐磨性好、耐高溫、表面粗糙度好、耐腐蝕性好、拉伸強度大、導電率高等特點。先前常用的線切割電極絲主要有鉬絲和黃銅絲。先前的線切割電極絲的直徑一般在30微米到50微米之間,然而,當達到這一數量級時,其抗拉強度會顯著降低從而使耐用性較差,特別係當其直徑達小於30微米時,其抗拉強度會顯著降低,難以滿足實際應用的要求。
有鑒於此,確有必要提供一種抗拉強度較高且直徑較小的線切割電極絲以及使用所述線切割電極絲的線切割裝置。
一種線切割電極絲,用於電火花線切割,包括一奈米碳管複合導線,該奈米碳管複合導線的拉伸應變率小於等於3%,該奈米碳管複合導線包括一奈米碳管單紗以及一金屬層,所述奈米碳管單紗由複數個奈米碳管沿該奈米碳管單紗軸向旋轉加撚構成,該奈米碳管單紗的撚度為10轉/釐米到300轉/釐米,該奈米碳管單紗的直徑為1微米到30微米;所述金屬層包覆於所述奈米碳管單紗的外表面,該金屬層厚度為1微米到5微米。
一種線切割裝置,包括一線切割電極絲、一待加工工件以及一脈衝電源,所述線切割電極絲與所述待加工工件之間存在一放電間隙,所述線切割電極絲用於切割所述待加工工件;所述脈衝電源的兩極分別與所述線切割電極絲和所述待加工工件電連接,所述脈衝電源用於提供一脈衝電壓,所述線切割電極絲包括一奈米碳管複合導線,該奈米碳管複合導線的拉伸應變率小於等於3%,該奈米碳管複合導線包括一奈米碳管單紗以及一金屬層,所述奈米碳管單紗由複數個奈米碳管沿該奈米碳管單紗軸向旋轉加撚構成,該奈米碳管單紗的撚度為10轉/釐米到300轉/釐米,該奈米碳管單紗的直徑為1微米到30微米;所述金屬層包覆於所述奈米碳管單紗的外表面,該金屬層厚度為1微米到5微米。
與先前技術相比,本發明提供的線切割電極絲及線切割裝置具有以下優點:其一,由於奈米碳管具有優異的力學性能,因此,相同直徑的奈米碳管複合線比純金屬導線具有更高的機械強度,並可通過優化所述奈米碳管單紗的直徑和撚度,使所述奈米碳管複合導線的拉伸應變率達到3%以下,從而可以顯著提高所述奈米碳管複合導線的拉伸強度,使所線切割電極絲具有更好的抗拉伸性能,避免線切割時因線切割電極絲的抖動而導致的電路短路,而且不易出現斷絲現象,損耗較小;其二,通過優化所述奈米碳管單紗的直徑和撚度,可以使線切割電極絲的直徑達到2到35微米,可以實現對精度要求更高,尺寸要求更小的工件進行線切割。
圖1係本發明第一實施例提供的線切割電極絲橫截面的示意圖。
圖2係本發明第一實施例提供的線切割電極絲中奈米碳管複合導線的掃描電鏡照片。
圖3係本發明第一實施例提供的線切割電極絲中奈米碳管複合導線的拉伸應力曲線。
圖4係本發明第二實施例提供的線切割裝置示意圖。
下面將結合附圖及具體實施例對本發明提供的線切割電極絲作進一步的詳細說明。
請參閱圖1,本發明第一實施例提供一種線切割電極絲10,用於電火花線切割。該線切割電極絲10包括一奈米碳管複合導線1。
所述線切割電極絲10可以由一根奈米碳管複合導線1形成,也可為多根奈米碳管複合導線1組成的絞線。所述線切割電極絲10的直徑範圍為2到35微米。
具體地,該奈米碳管複合導線1由一奈米碳管單紗2以及一包覆於所述奈米碳管單紗外表面的金屬層3組成。所述奈米碳管單紗2由複數個奈米碳管沿該奈米碳管單紗2的軸向旋轉加撚構成。所述奈米碳管單紗2可以通過從一奈米碳管陣列中拉取獲得一奈米碳管線,並將所述奈米碳管線的兩端相對回轉形成。由於從奈米碳管陣列中直接拉取獲得的奈米碳管線中的奈米碳管基本沿所述奈米碳管線的軸向延伸,且在所述奈米碳管線的軸向方向通過凡得瓦力首尾相連。故,在將所述奈米碳管線的兩端相對回轉的過程中,該奈米碳管線中的奈米碳管會沿奈米碳管線的軸向方向螺旋狀排列,且在延伸方向通過凡得瓦力首尾相連,進而形成所述奈米碳管單紗2。另外,在將所述奈米碳管線的兩端相對回轉的過程中,所述奈米碳管線中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距會變小,接觸面積增大,從而使所述奈米碳管單紗2中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的凡得瓦力顯著增加,並緊密相連。所述奈米碳管單紗2中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於10奈米。優選地,所述奈米碳管單紗2中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於5奈米。更優選地,所述奈米碳管單紗2中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於1奈米。由於所述奈米碳管單紗2中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距較小且通過凡得瓦力緊密相連,故,所述奈米碳管單紗2具有光滑且緻密的表面結構。
所述奈米碳管單紗2的直徑為1微米到30微米。所述奈米碳管單紗2的撚度為10轉/釐米到300轉/釐米。所述撚度係指單位長度奈米碳管線回轉的圈數。當所述奈米碳管單紗2的直徑確定時,適當的撚度可以使所述奈米碳管單紗2具有較好的機械性能。這係由於,隨著撚度的增加,所述奈米碳管單紗2中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間間距的降低,從而使沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的作用力會增強;但是,當撚度過大時,所述奈米碳管單紗2中沿軸向方向相鄰的奈米碳管之間的作用力反而會降低。當所述奈米碳管單紗2的直徑小於10微米時,所述奈米碳管單紗2的撚度優選為250轉/釐米到300轉/釐米;而當所述奈米碳管單紗2的直徑為10微米到20微米時,所述奈米碳管單紗2的撚度優選為200轉/釐米到250轉/釐米;而當所述奈米碳管單紗2的直徑為25微米到30微米時,所述奈米碳管單紗2的撚度優選為100轉/釐米到150轉/釐米。所述奈米碳管單紗2的機械強度可以達到相同直徑的金線的機械強度的5-10倍。本實施例中,所述奈米碳管單紗2的直徑約為25微米,且其撚度約為100轉/釐米。
由於所述奈米碳管單紗2具有光滑且緻密的表面結構,故,所述金屬層3可以和所述奈米碳管單紗2形成良好的結合,不易脫落。所述金屬層3均勻的包覆於所述奈米碳管單紗2的外表面,其厚度為1微米到5微米。當所述金屬層3的厚度為1微米到5微米時,所述奈米碳管複合導線1的電導率可以到達所述金屬層3中金屬的電導率的50%以上。當所述金屬層3的厚度太小時,例如小於1微米,一方面不能顯著提高所述奈米碳管複合導線1的電導率,另一方面,還會使得該金屬層3在使用時容易被氧化,進一步降低所述奈米碳管複合導線1的電導率及使用壽命。另外,實驗證明當所述金屬層3的厚度大於一定值時,例如大於5微米,所述奈米碳管複合導線1的電導率不但不會顯著增加,還會額外增加所述奈米碳管複合導線1的直徑。所述金屬層3的材料可以為金、銀、銅、鉬、鎢等導電性較好的金屬或合金。本實施例中,所述金屬層3為厚度約為5微米的銅,從而使該奈米碳管複合導線1的電導率可以達到4.39×107
S/m,為金屬銅的電導率的75%左右。
所述奈米碳管複合導線1的拉伸應變率小於等於3%,優選的,所述奈米碳管複合導線1的拉伸應變率小於等於1%。拉伸應變率越小,越有利於降低線切割時奈米碳管複合導線1的拉伸變形而造成的線切割電極絲的抖動,從而避免線切割時因線切割電極絲的抖動而導致的電路短路,而且拉伸應變率越小,拉伸強度越高,線上切割過程中不易產生斷絲現象,較少損耗。
請參照圖2,本實施例中,所述奈米碳管複合導線1的直徑約為35微米,其拉伸應力可以達到900MPa以上,為相同直徑下金線的9倍左右。另外,從圖3中還可以看出所述奈米碳管複合導線1的拉伸應變率為3%左右。
所述金屬層3可以通過電鍍、化學鍍、蒸鍍等方法形成於所述奈米碳管單紗2的外表面,進而形成所述奈米碳管複合導線1。
本實施例提供的線切割電極絲具有以下優點:首先,由於所述金屬層3具有較大的厚度,從而可以使所述金屬層3具有較好的抗氧化性能及耐用性能,進而減小線切割電極絲的損耗;其次,由於所述金屬層3具有較大的厚度,因此,所述奈米碳管複合導線1在使用時,所述金屬層3起主要的導電作用,即,電流主要通過奈米碳管複合導線1的表層傳導,即通過金屬層3傳導,形成類似驅膚效應,故,可以顯著提高所述奈米碳管複合導線1的電導率,進而提高線切割電極絲的工作效率;再次,通過優化所述奈米碳管單紗2的直徑和撚度,可以使線切割電極絲的直徑達到2到35微米,可以在先前技術的基礎上對精度要求更高,切割直徑更小的工件進行線切割;最後,通過優化所述奈米碳管單紗2的直徑和撚度,可以使所述奈米碳管複合導線1的拉伸應變率可以達到3%以下,從而可以顯著提高所述奈米碳管複合導線1的拉伸強度,使所線切割電極絲具有更好的抗拉伸性能,避免線切割時因線切割電極絲的抖動而導致的電路短路,以及斷絲現象。
請參閱圖4,本發明第二實施例提供一種使用上述線切割電極絲10的線切割裝置100,包括上述線切割電極絲10、一待加工工件11、一儲絲裝置12、一脈衝電源13、一導電連接件14、一運絲輪15、一工作臺16以及一移動控制裝置17。所述待加工工件11以及工作臺16均包括一穿絲孔110;所述待加工工件11放置於所述工作臺16上;所述線切割電極絲10穿過所述穿絲孔110,且所述線切割電極絲10的首尾端與所述儲絲裝置12連接,所述線切割電極絲10與所述待加工工件11之間存在一放電間隙,所述線切割電極絲10用於切割所述待加工工件11;所述運絲輪15用於運送所述線切割電極絲10並將所述線切割電極絲10的移動路徑定位;所述脈衝電源13用於提供脈衝電壓,所述脈衝電源13的一極通過所述導電連接件14與所述線切割電極絲10電連接,另一極與所述待加工工件11電連接;所述移動控制裝置17用於控制所述工作臺16的水平移動。
所述待加工工件11和工作臺16也可以不包括所述穿絲孔110,所述線切割電極絲10設置於靠近所述待加工工件11的基準面,並與所述待加工工件11之間存在一放電間隙。
所述線切割裝置100的工作原理為,所述線切割電極絲10與所述待加工工件11之間總係保持一定的放電間隙,在所述放電間隙噴灑具有絕緣性能的工作液。在脈衝電壓的作用下,工作液被擊穿,在線切割電極絲10與待加工工件11之間形成瞬間放電通道,產生順時高溫,使待加工工件局部熔化,甚至汽化而被蝕除下來,通過待加工工件11不斷的移動以及連續不斷的脈衝放電,切出所需形狀和尺寸的工件。
可以理解,所述儲絲裝置12、導電連接件14、運絲輪15、工作臺16以及移動控制裝置17均為可選擇的元件,可以根據實際需要進行設置。
綜上所述,本發明確已符合發明專利之要件,遂依法提出專利申請。惟,以上所述者僅為本發明之較佳實施例,自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化,皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧線切割電極絲
1‧‧‧奈米碳管複合導線
2‧‧‧奈米碳管單紗
3‧‧‧金屬層
100‧‧‧線切割裝置
11‧‧‧待加工工件
110‧‧‧穿絲孔
12‧‧‧儲絲裝置
13‧‧‧脈衝電源
14‧‧‧導電連接件
15‧‧‧運絲輪
16‧‧‧工作臺
17‧‧‧移動控制裝置
無
1‧‧‧奈米碳管複合導線
2‧‧‧奈米碳管單紗
3‧‧‧金屬層
Claims (13)
- 一種線切割電極絲,用於電火花線切割,包括一奈米碳管複合導線,該奈米碳管複合導線的拉伸應變率小於等於3%,該奈米碳管複合導線包括一奈米碳管單紗以及一金屬層,所述奈米碳管單紗由複數個奈米碳管沿該奈米碳管單紗軸向旋轉加撚構成,該奈米碳管單紗的撚度為10轉/釐米到300轉/釐米,該奈米碳管單紗的直徑為1微米到30微米;所述金屬層包覆於所述奈米碳管單紗的外表面,該金屬層厚度為1微米到5微米。
- 如請求項第1項所述之線切割電極絲,其中,所述奈米碳管複合導線的拉伸應變率小於等於1%。
- 如請求項第1項所述之線切割電極絲,其中,所述奈米碳管單紗的直徑小於10微米,所述奈米碳管單紗的撚度為250轉/釐米到300轉/釐米。
- 如請求項第1項所述之線切割電極絲,其中,所述奈米碳管單紗的直徑為25微米到30微米,所述奈米碳管單紗的撚度為100轉/釐米到150轉/釐米。
- 如請求項第1項所述之線切割電極絲,其中,所述奈米碳管單紗中奈米碳管與其延伸方向上相鄰的奈米碳管之間通過凡得瓦力首尾相連。
- 如請求項第1項所述之線切割電極絲,其中,所述奈米碳管單紗為S撚或Z撚。
- 如請求項第1項所述之線切割電極絲,其中,所述奈米碳管單紗具有光滑且緻密的表面結構。
- 如請求項第1項所述之線切割電極絲,其中,所述奈米碳管與其徑向方向上相鄰的奈米碳管之間的間距小於10奈米。
- 如請求項第1項所述之線切割電極絲,其中,所述奈米碳管單紗的機械強度為相同直徑下金線的機械強度的5-10倍。
- 如請求項第1項所述之線切割電極絲,其中,所述奈米碳管複合導線的電導率為所述金屬層中金屬的電導率的50%以上。
- 如請求項第1項所述之線切割電極絲,其中,所述線切割電極絲由一根奈米碳管複合導線組成。
- 如請求項第1項所述之線切割電極絲,其中,所述線切割電極絲為由多根奈米碳管複合導線組成的絞線。
- 一種線切割裝置,包括一線切割電極絲、一待加工工件以及一脈衝電源,所述線切割電極絲與所述待加工工件之間存在一放電間隙,所述線切割電極絲用於切割所述待加工工件;所述脈衝電源的兩級分別與所述電極絲和所述待加工工件電連接,所述脈衝電源用於提供一脈衝電壓,其改良在於,所述線切割電極絲包括一奈米碳管複合導線,該奈米碳管複合導線的拉伸應變率小於等於3%,該奈米碳管複合導線包括一奈米碳管單紗以及一金屬層,所述奈米碳管單紗由複數個奈米碳管沿該奈米碳管單紗軸向旋轉加撚構成,該奈米碳管單紗的撚度為10轉/釐米到300轉/釐米,該奈米碳管單紗的直徑為1微米到30微米;所述金屬層包覆於所述奈米碳管單紗的外表面,該金屬層厚度為1微米到5微米。
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