“数控机床用单向走丝电火花加工用黄铜线”的国产化进程
2018-10-29 来源：宁波博德高科有限公司 作者：陈小军，孟宪旗，钟杰，吕和宁
摘 要 ：数控机床用单向走丝电火花加工用黄铜线又称电极丝、切割线，本文从分析数控机床用单向走丝电火花加工用黄铜线的性能及使用状况着手，阐述了电极丝国内外的使用情况及我国电极丝产品从无到有，从小到大的发展历程，论述了电极丝国产化的必要性。
关键词 ：数控机床 ；单向走丝 ；电极丝 ；黄铜线 ；放电加工
数控机床用单向走丝电火花加工用黄铜线又称电极丝、切割线，数控机床用单向走丝电火花加工的发展，离不开电极丝材料加工技术的同步发展，现在国际上所遵循的慢走丝机床的设计理念是根据组成电极丝材料的物理化学特性来设计的，而电极丝技术的突破往往会带动慢走丝线切割机设计理念的变革。一个国家精密机械加工工业的进步，离不开精密加工技术的应用，而单向走丝电火花放电切割加工作为一种新型的精密加工技术，将推动我国机械加工工业的发展，电极丝作为这种新技术的必然产物，其推广应用将对我国铜加工制品向延伸方面发展提供有益支撑，同时对新材料的研发也有一定的借鉴价值。
1、电极丝特性及应用领域
1.1 电极丝特性
⑴力学性能要求 ：切割时电极丝是作为一种工具电极材料来使用，必须要满足抗拉强度、延伸率、韧性等力学性能的基本要求。
⑵物理性能要求 ：物理特性是通过电极丝材料的基础成分融合及芯材的组成金属所决定的，这里所说的物理性能通常是指组成电极丝材料的熔点及材料的基本物理特性。
⑶气化性能要求 ：作为电极，在切割使用时是要产生热量的，且这种热量随着加工过程的持续是不断地在电极表层积累的，若产生的热量不能够通过其它介质及时释放出去，电极丝材料会被熔化掉（电极丝应用领域所讲的熔断丝），就不能持续切割，因此组成电极丝的材料或者表层结构必须拥有将这些热量排放出去的功效。电极丝材料作为一种金属载体，就要求有优异的气化特性，电极丝材料含有的锌和表层结构决定气化特性的高低。
⑷几何尺寸特性要求 ：电极丝作为一种工具电极材料，其尺寸特性决定了切割工件线性尺寸精度及形位公差，而今天电极丝机床的设计也要求电极丝的外形几何尺寸误差不大于 0.002mm。
⑸电气及导电性能方面的要求 ：电火花加工是靠瞬间的放电腐蚀来电蚀工件的，瞬间的放电间隙越短，所电蚀出来的工件表面光洁度就会越高，因此就必须要求电极丝能够承受瞬间高脉冲电流和大切割电流的能力，故就要求所使用的电极丝拥有稳定的导电导热性能，这种性能同样也是构成电极丝的铜合金材料性能来决定。
⑹直线度与记忆特性 ：电极丝作为单向走丝电火花线切割数控机床的耗材，在加工过程中要求走丝稳定，加工工件的精度要求高，加工工件效率要求高基本都在 120 平方毫米 / 分钟以上，因此在加工过程中都要求能够自动穿丝。要实现自动穿丝，电极丝的直线度必须达到机床的要求，同时必须具有记忆特性，因为电极丝是绕在线轴上的，放丝后电极丝必须是一条直线才能达到机床对自动穿丝的要求。
1.2 电极丝应用领域
电极丝的应用领域由之前只是应用于模具行业加工的精密模具，逐步发展为各行业加工精密零部件。精密模具主要应用行业是步进电机、汽车、手机、电子电讯、舰船制造等，精密零件主要应用行业是航空航天、船舶制造、军工、高铁、汽车、微电子、工业机器人、医疗器械、钟表、微小齿轮、微小花键、微小连接器、PCD 刀具等。
2 、电极丝的技术关键点及国产化进程
2.1 电极丝国内、国外应用情况
目前国内电极丝 80%~90% 以黄铜电极丝为主，为步进电机、汽车、手机、电子电讯、舰船制造等行业加工精密模具，部分使用镀层电极丝加工高精密零部件及模具。而欧美等发达国家电极丝 50~60% 使用黄铜电极丝，为步进电机、汽车、手机、电子电讯、舰船制造等行业加工精密模，40%~60% 使用镀层电极丝加工高精密零部件及模具。
2.2 电极丝的技术关键点
切割时电极丝是作为一种工具电极材料来使用，必须要满足抗拉强度、延伸率、韧性等力学性能的基本要求之外，还必须有卓越的直线度与记忆特性及在垂直切割工件时强度大于 980MPa。
在《铜及铜合金线》国家标准中，对小规格硬态黄铜线的性能要求为大于 800Mpa，对于直线度与记忆特性无具体要求。电极丝在垂直切割工件时强度大于 980Mpa，因此对电极丝的性能进行重新定义将成为材料性能研究的一种趋势。电极丝在切割工作过程中需要实现自动穿丝，电极丝的直线度必须达到机床的要求，同时必须具有记忆特性确保绕在线轴上的电极丝在放丝后也是一条直线。对于镀层电极丝的关键技术点是在黄铜电极丝的基础上制作特殊的表面成份与结构，实现提升切割精度与效率的功能，对复合材料的研究提供借鉴价值。
2.3 电极丝的国产化进程
真正的单向走丝电火花线切割技术进入中国是在 90 年代初，而最早使用单向走丝电火花线切割加工的厂家是在珠三角的几家外商独资企业，对于一项新的技术革新到普及，经历了从引进吸收到自产的摸索之路，因为当时中国的有色金属加工技术还不成熟，所使用的原材料依赖进口，故在二十世纪之前的发展速度一直很慢，进入 2000 年之后，随着中国冶炼、压力加工技术的发展，电极丝的发展才呈逐渐加速之势。中国生产电极丝产品从 90 年代末期开始，到目前生产的企业大大小小不少于 30 家，而加工高端装备制造业所需的高精度部件所用的高端电极丝仍以进口为主。博德高科先后引进国际先进的高强的电极丝的生产线，从 2004年销售具有记忆功能的高端单向走丝黄铜线 500 吨，到2016 年销售单向走丝黄铜线 10000.0 多吨及高端镀层电极丝 1000.0 多吨，其中出口量达到了 50% 左右。高端镀层电极丝是博得高科从 2004 年开始研发，于2007 年在国内推向市场，在国内进行了一场电极丝的颜色革命，也是国内唯一一家能够自主生产高端镀层电极丝的企业。从 2007 年开始引导国内企业使用高端镀层电极丝，由 2007 年的年销量不超过 100.0 吨到 2016 年实现年销量1000.0 多吨。博德高科组建专门的研发机构，加快对电极丝产品的创新研发，先后获得 5 项发明专利，其中一项为美国专利，先后与知名机床商阿奇夏米尔、三菱建立战略合作关系，共同研发电极丝产品配套机床，不断提升机床的切割效率与精度的结果。电极丝产品的国产化进程也从“引进—落后—再引进”模式转变为“需求—创新驱动”模式。
3 、电极丝标准化及专利情况
根据博德高科研发部门的研究分析，在中国专利局授权的发明专利主要为德国的 Berkenhoff 公司、法国的Thermocompact、韩国的 OPEC、PAPS、日本的 OKT、日立以及博德高科公司的专利，其专利的主要保护方向为高精度的黄铜线、复合镀层线、多相多功能线，但电极丝在国际范围内尚没有形成统一的标准。我国的单向走丝电火花线切割加工技术是在逐步引进吸收国外先进技术的基础上发展起来的，虽然我国已经成为单向走丝电火花线切割加工技术应用的大国，但不是强国。
为解决如上问题，电极丝标准化已经成为一种世界范围内的必然趋势，《单向走丝电火花加工用黄铜线》作为行业标准在 2013 年 9 月颁布实施，但其作为行业标准，覆盖面有限，将其上升为国家标准，来促进我国电极丝行业的健康发展，助推中国制造的转型升级，为我国的航空航天、舰船制造、国防军工、高速铁路、微电子、工业机器人、医疗器械、汽车工业等行业提供质量优异的工业粮食。
4 、结论
高端装备制造业是国家重点项目，数控单向走丝电火花线切割机床作为高端装备的重要组成部分。电极丝作为数控单向走丝电火花线切割机床必须的耗材，虽然每年的用量不超过 10 万吨左右，但在高端装备的应用中占有重要的地位。随着我国一带一路建设、供给侧改革的深入推进，电极丝在高端装备制造业各个领域的应用越来越广泛，对电极丝提出了更高要求，也推动了电极丝新材料的发展。及时建立电极丝材料的国家标准，规范电极丝的生产和使用，为国家“一带一路”战略规划任务、目标的实现和世界现代高端装备制造业的发展做出更大的贡献，提升中国工业制造的精度，助推中国制造 2025 有着重要意义.
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