ПРОВОЛОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО РЕЗАНИЯ
WIRE ELECTRODE FOR SPARK CUTTING

Изобретение относится к проволочному электроду для электроискрового резания, содержащему сердечник из алюминия или алюминиевого сплава и окружающий сердечник рубашечный слой, содержащий медь, цинк и/или медно-цинковый сплав.
Электроискровые способы (electrical discharge machining, EDM) применяются для разрезания электропроводящих заготовок и основаны на съеме материала с помощью искровых разрядов между заготовкой и инструментом. Для этой цели между заготовкой и инструментом, расположенным на небольшом расстоянии от нее и служащим в качестве электрода в диэлектрической жидкости, например деионизированной воде или в масле, путем приложения импульсов напряжения создаются контролируемые искровые разряды. Таким образом, заготовки могут обрабатываться, в основном, независимо от их твердости.
Особым электроискровым способом, при котором инструмент образован натяженной тонкой проволокой диаметром обычно в диапазоне 0,02-0,4 мм, является электроискровое резание, или проволочное эродирование. Поскольку проволока в процессе эродирования вследствие съема материала изнашивается, ее приходится постоянно протягивать через зону резки или обработки, и она может использоваться только один раз, т.е. проволока непрерывно расходуется.
На практике в зависимости от случая применения используются покрытые или непокрытые проволочные электроды. Непокрытые проволочные электроды, называемые также голыми проволоками, состоят из однородного материала, тогда как покрытые проволочные электроды содержат снабженный рубашкой или покрытый сердечник. Известные из уровня техники покрытые проволочные электроды сконструированы, как правило, так, что сердечник придает проволочному электроду требуемую для прохождения и натяжения проволоки прочность на растяжение и необходимую электро- и теплопроводность, а окружающий сердечник рубашечный слой ответственен за собственно эрозионный процесс.
В случае проволок небольших диаметров в диапазоне 0,02-0,07 мм зарекомендовали себя покрытые проволочные электроды с материалом сердечника очень высокой прочности на растяжение, таким как вольфрам, молибден или сталь, поскольку только таким образом можно реализовать натяжение проволоки, необходимое для стабильного эрозионного процесса. Однако в случае больших диаметров проволоки с сердечниками из вольфрама или молибдена не являются рентабельным решением.
2
Преобладающая часть используемых на практике проволок имеет диаметры, лежащие в диапазоне 0,1-0,3 мм, поскольку за счет этого, как правило, могут быть выполнены конструктивные параметры в отношении геометрии изготавливаемой детали. В этом стандартном диапазоне диаметров зарекомендовали себя голые и покрытые проволоки на латунной основе. Соответствующие голые проволоки состоят обычно из латуни с содержанием цинка 35-40 мас.%, тогда как большинство покрытых проволок содержат сердечник из меди или латуни и один или несколько рубашечных слоем из цинка или медно-цинкового сплава. Оказалось, что могут изготавливаться такие проволоки с достаточной прочностью на растяжение и износостойкостью, отвечающие обычно предъявляемым требованиям к точности деталей. Их прочность на растяжение при комнатной температуре лежит обычно в диапазоне 350-1100 Н/мм. Кроме того, эти проволоки имеют достаточно высокую электропроводность для обеспечения эффективного переноса энергии с импульсного генератора на заготовку. В качестве материала сердечника медь или латунь обладают далее преимуществом рентабельной обрабатываемости путем холодной обработки давлением, а в качестве участвующих в собственно эрозионном процессе материалов цинк и латунь за счет присутствия цинка и вызванной этим легкой испаряемости дают преимущества относительно высокой производительности съема, эффективности эрозионного процесса и возможности переноса очень малой импульсной энергии для отделочной обработки поверхностей заготовок.
На этом фоне в прошлом было разработано большое число голых и покрытых проволок, что в значительной степени было вызвано новинками в машинной технике и, в частности, повышением мощности источников энергии процесса, которые были нацелены на повышение производительности съема и/или качества заготовок. Так, одна цель этих разработок заключалась в том, чтобы скомбинировать высокую прочность на растяжение с высокой электро- и теплопроводностью. В процессе этого в упомянутом стандартном диапазоне диаметров были предложены также покрытые проволочные электроды, содержащие сердечник из иных материалов, нежели медь или латунь. Например, в US 4968867 описан проволочный электрод, материал сердечника которого должен иметь высокую теплопроводность и может быть изготовлен, в том числе, из алюминия или алюминиевого сплава. Для достижения нужной прочности на растяжение и механической нагружаемости предусмотрен выполненный из латуни рубашечный слой определенной минимальной толщины. Согласно данной публикации доля площади рубашечного слоя должна быть в сечении больше доли площади сердечника и составлять 50-90% всей площади сечения проволочного электрода. За счет этого строения должно достигаться также хорошее гашение его колебаний.
Поскольку применяемая почти 40 лет техника проволочного эродирования достигла за это время высокой степени технологической зрелости, все большее значение помимо упомянутых целей приобретает также рентабельность способа, чтобы сделать технику проволочного эродирования привлекательной для максимально широкого круга пользователей.
Задачей изобретения является усовершенствование известных из уровня техники проволочных электродов с их высокой производительностью съема и вытекающим из этого коротким временем обработки так, чтобы дополнительно повысить рентабельность проволочного эродирования при сохранении достаточной прочности на растяжение и хороших эродирующих свойств.
Эта задача решается посредством признаков п.1 формулы. Предпочтительные варианты выполнения проволочного электрода являются объектом соответствующих зависимых пунктов.
Согласно изобретению предусмотрено, что проволочный электрод для электроискрового резания содержит сердечник, который более чем на 50 мас.% состоит из кристаллического чистого алюминия и/или одного или нескольких кристаллических алюминиевых сплавов. Под термином «кристаллический» в рамках изобретения обычно понимаются моно- и поликристаллические материалы. Так, сердечник может содержать помимо кристаллического чистого алюминия и/или одного или нескольких кристаллических алюминиевых сплавов, например один или несколько дополнительных веществ для благоприятного воздействия на определенные свойства. Однако предпочтительно, что сердечник полностью или, в основном, полностью состоит из кристаллического чистого алюминия и/или одного или нескольких кристаллических алюминиевых сплавов, т.е. предусмотрен сердечник из кристаллического чистого алюминия и/или одного или нескольких кристаллических алюминиевых сплавов. В частности, сердечник может быть выполнен целиком из алюминия или алюминиевого сплава. Сердечник может быть выполнен однородным или, например, в виде нескольких расположенных друг на друге отдельных слоев из алюминия или алюминиевого сплава разного состава обладать изменяющимися в радиальном направлении свойствами.
Предусмотрен окружающий сердечник наружный слой, содержащий медь, цинк и/или медно-цинковый сплав. В соответствии с этим рубашечный слой, например, полностью или, в основном, полностью может состоять из меди, полностью или, в основном, полностью из цинка или полностью или, в основном, полностью из медно-цинкового сплава. Одной возможностью был бы однородный рубашечный слой, содержащий около 50 мас.% меди и около 50 мас.% цинка или около 50 мас.% медно-цинкового сплава. Предпочтительным материалом рубашечного слоя является латунь или медно-цинковый сплав с содержанием цинка более 40 мас.%. Такая латунь включает в себя (β-фазу, которая, правда, хрупкая, имеет относительно низкую прочность на растяжение и плохо подвергается холодной обработке давлением, однако предпочтительным образом повышает производительность резания. Поэтому особенно предпочтительно, если такая латунь предусмотрена, по меньшей мере, во внешней зоне рубашечного слоя.
Рубашечный слой может быть нанесен на сердечник, например, подходящими способами, при необходимости, в комбинации со способом термообработки. Нанесение рубашечного слоя может происходить, например, физическим или электрохимическим путем, вслед за чем, при необходимости, могут быть осуществлены еще операции по уменьшению диаметра проволоки. Кроме того, можно сначала выполнить проволоку, содержащую конструкцию сердечника, расположить эту проволоку в трубчатом элементе из материала, содержащего, по меньшей мере, отдельные элементы нужного рубашечного слоя, а затем с помощью волочильного устройства уменьшить диаметр этой комбинации и при этом плакировать трубчатый кусок материала на сердечнике. Трубчатый кусок материала может состоять, например, из меди, а после уменьшения диаметра можно, например, электрохимическим путем начала нанести цинковый слой и, наконец, провести термообработку, в результате которой посредством диффузии образуется содержащий латунь рубашечный слой.
Предпочтительно рубашечный слой образует наружную поверхность проволочного электрода, а между сердечником и рубашечным слоем, за исключением более подробно описанного ниже, при необходимости, имеющегося переходного слоя, не предусмотрено никаких дополнительных слоев. В определенных случаях применения может быть, однако, предпочтительным предусмотреть на рубашечном слое и/или между ним и сердечником один или несколько дополнительных слоев.
Окружающий сердечник рубашечный слой в зависимости от случая применения может быть выполнен замкнутым или иметь трещины или разрывы, т.е. рубашечный слой может закрывать сердечник полностью или, в основном, полностью или только частично.
По всей длине проволочного электрода в сечении перпендикулярно направлению протяженности проволоки доля площади сердечника во всей площади сечения составляет, по меньшей мере, 60%, предпочтительно, по меньшей мере, 65%, более предпочтительно, по меньшей мере, 70%, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 75% и предпочтительно максимум 95%. В определенных случаях применения может быть также предпочтительным, если эта доля площади составляет максимум 90% или 85%. Предпочтительно, что проволочный электрод имеет кругообразное сечение. Для определенных случаев применения потенциально преимущества могут иметь также формы сечения, отличающиеся от круговой формы, например прямоугольные профили.
37
3
Оказалось, что по сравнению с известными проволоками с помощью проволочного электрода в этом выполнении можно значительно повысить рентабельность способа за счет уменьшения удельной массы проволочного электрода и, тем самым, отнесенного к массе расхода проволоки в единицу времени. Так, в случае алюминиевого сердечника с долей площади 60% и рубашечным слоем из латуни с 37 мас.% цинка (CuZn) плотность составляет около 5000 кг/м и, тем самым, примерно на 40% ниже значения для голой проволоки из латуни с таким составом.
2
2
D
Тем не менее, неожиданным образом можно реализовать достаточную прочность на растяжение предпочтительно, по меньшей мере, 350 Н/мм при комнатной температуре, а также тепло- и электропроводность (например, электропроводность более 15 м/Ω мм), чтобы обеспечить эффективный, быстрый и достаточно точный эрозионный процесс. Так, существенный недостаток выбора материалов с меньшей удельной массой заключается, как правило, в том, что нагрев проволочного электрода при постоянном теплоподводе и одинаковом диаметре возрастает и проволока за счет этого теряет прочность на растяжение, в результате чего повышается риск обрыва проволоки. Ниже температуры плавления вытекающее из внесенного в небольшой отрезок Δl проволоки количества тепла изменение температуры на этом отрезке можно указать следующей формулой:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>T</mi><mi>D</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mrow><mi>w</mi><mo>,</mo><mi>z</mi><mi>u</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>D</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>A</mi><mi>D</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ν</mi><mi>D</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>c</mi><mrow><mi>p</mi><mo>,</mo><mi>D</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><msubsup><mi>Q</mi><mrow><mi>w</mi><mo>,</mo><mi>a</mi><mi>b</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
,
D
D
D
D
D
D
p,D
D
p
D
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mrow><mi>w</mi><mo>,</mo><mi>z</mi><mi>u</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mrow><mi>w</mi><mo>,</mo><mi>a</mi><mi>b</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mrow><mi>w</mi><mo>,</mo><mi>a</mi><mi>b</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mrow><mi>w</mi><mo>,</mo><mi>z</mi><mi>u</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
где ΔT обозначает созданную разность температур на отрезке Δl проволоки,
- тепловой поток, подводимый к отрезку Δl проволоки за счет резистивного нагрева и теплоты разряда, ρ - плотность проволочного электрода, A - площадь сечения проволочного электрода, ν - скорость разматывания проволоки, c - удельную теплоемкость проволочного электрода, a
- тепловой поток, отводимый в окружающее пространство диэлектриком, отрезками проволоки вне эрозионной области, направляющими для проволоки и токоподводами. Из этого можно заключить, что на повышение температуры влияют, во-первых, плотность ρ и удельная теплоемкость c,. Поскольку отводимый тепловой поток
возрастает с повышением теплопроводности проволоки, а подводимый тепловой поток
- с повышением ее электрического сопротивления, повышение температуры определяется, во-вторых, этими обоими параметрами проволоки. Изобретение основано на том факте, что среди легких материалов именно кристаллический алюминий может компенсировать термофизический недостаток небольшой плотности за счет высокой удельной теплоемкости, а также высокой тепло- и электропроводности. Это преимущество свойственно кристаллическим алюминиевым сплавам.
Поскольку производительность съема и стабильность алюминия или алюминиевых сплавов в качестве участвующих непосредственно в эрозионном процессе материалов неудовлетворительны, рубашечный слой выполняет функцию придания предложенному проволочному электроду хороших эродирующих свойств в смысле высоких стабильности процесса и производительности резания. Поскольку на эти свойства благоприятно влияет легко испаряющийся цинк в чистом виде или в сплавах, предпочтительно, что рубашечный слой содержит цинк или медно-цинковый сплав или рубашечный слой или предпочтительно его внешний слой выполнен из цинка или медно-цинкового сплава или содержит его, по меньшей мере, на 50 мас.%.
Следует упомянуть, что за счет уменьшения расхода проволоки рентабельность нельзя уменьшить простым образом с помощью произвольного уменьшения скорости разматывания проволоки, поскольку разматывание проволоки служит для компенсации износа, а уменьшение скорости повышает, тем самым, риск обрыва проволоки и снижает точность заготовки. Кроме того, также невозможно существенно уменьшить диаметр проволоки, поскольку одновременно за счет квадратичного уменьшения площади сечения переносимая импульсная энергия и тем самым производительность съема резко уменьшились бы. К тому же из-за требования к прочности на растяжение рассматривались бы только дорогие и тяжелые металлы, такие как молибден или вольфрам.
Другое преимущество предложенного проволочного электрода заключается в том, что по сравнению с другими проволоками при такой же длине проволоки уменьшается масса бобины, на которую намотана проволока. За счет этого упрощаются не только обращение с бобиной при транспортировке и вставке в станок для проволочного эродирования, но и предъявляются также более низкие требования к расчету несущих бобины во время работы валов и останавливающих вращение бобин тормозов, так что станки для проволочного эродирования могут изготавливаться дешевле. Кроме того, можно повысить точность, поскольку более легкая бобина во время колебаний при разматывании проволоки имеет меньший момент обратного натяжения или меньшее движение по инерции, благодаря чему уменьшаются колебания проволоки или предотвращаются также ее обрывы. В качестве альтернативы при постоянной массе могут использоваться большие бобины с большей длиной проволоки, так что при идентичном расчете станка может быть увеличены интервалы между дорогостоящими и отнимающими много времени сменами бобин.
Помимо выполнений с однородным рубашечным слоем может быть также предпочтительным предусмотреть рубашечный слой, содержащий несколько расположенных друг на друге, окружающих сердечник отдельных или частичных слоев, каждый из которых выполнен, по меньшей мере, на 50% из меди, цинка и/или медно-цинкового сплава. Каждый из частичных слоев может иметь один из указанных для рубашечного слоя составов. В частности, частичные слои могут содержать один или несколько медных слоев, один или несколько цинковых слоев и/или один или несколько слоев из медно-цинкового сплава. Так, в одном предпочтительном варианте рубашечный слой может содержать внешний слой, состоящий преимущественно или полностью или, в основном, полностью из латуни, и тонкий медный слой между этим внешним слоем и сердечником. Такой вариант может быть реализован, например, описанным выше образом так, что сердечник сначала снабжается медным покрытием, затем на это медное покрытие наносится цинковый слой и в заключение проводится термообработка, в ходе которой за счет диффузии образуется внешний латунный слой и остается тонкий медный слой в виде остатка первоначального медного покрытия. Такой медный слой имеет то преимущество, что уменьшаются или предотвращаются вредные влияния, например повышенная хрупкость или худшая адгезия, на переходный слой между сердечником и рубашечным слоем в результате проникновения элементов рубашечного слоя.
В других предпочтительных многослойных вариантах рубашечного слоя один или несколько частичных слоев, имеющих γ-фазу или выполненных из нее, могут быть комбинированы с одним или несколькими частичными слоями, имеющими α-фазу или выполненными из нее, и/или с одним или несколькими частичными слоями, имеющими β-фазу или выполненными из нее. Так, можно выбрать вариант, в котором внешний слой содержит состоящий преобладающим образом или полностью или, в основном, полностью из γ-фазы цинковый или медно-цинковый сплав и расположенный между этим внешним слоем и сердечником, состоящий преобладающим образом или полностью или, в основном, полностью из α-фазы слой из меди или медно-цинкового сплава или состоит из них, как это раскрыто в EP 0733431. Далее можно выбрать вариант, в котором рубашечный слой содержит внутренний частичный слой, состоящий преобладающим образом или полностью или, в основном, полностью из β-латуни, и внешний частичный слой, состоящий преобладающим образом или полностью или, в основном, полностью из γ-латуни или состоит из них, как это раскрыто в EP 1295664. Кроме того, упомянутый вариант рубашечного слоя может быть реализован латунью с содержанием цинка более 40 мас.% так, что латунь образует внешний частичный слой рубашечного слоя, а между этим внешним частичным слоем и сердечником расположен частичный слой из латуни с содержанием цинка менее 40 мас.%.
3
5
1
2
4,5
1
В качестве алюминиевых сплавов для сердечника могут применяться неотверждаемые сплавы, например AlMg-сплавы (например, AlMg или AlMg) и отверждаемые сплавы, например AlMgSi-, AlCuMg- или AlZnMg-сплавы (например, AlCuMg, AlCuMg или AlZnMg). Последние дают то преимущество, что достигается улучшение сочетания проводимости и прочности на растяжение. Предпочтительно следует выбирать алюминиевые сплавы, которые хорошо подвергаются холодной обработке давлением (деформируемые сплавы). Сердечник может содержать один или несколько таких сплавов или может быть выполнен из одного или нескольких таких сплавов (т.е. один/одного отверждаемый/отверждаемого сплав/сплава и/или один/одного неотверждаемый/неотверждаемого сплав/сплава). В отношении переработки в смысле повторного расплавления AlZnMgCu-сплавы могут быть предпочтительны в сочетании с рубашечным слоем, содержащим только медь, цинк и/или латунь, поскольку рубашечный слой не содержит тогда выступающих за сердечник элементов.
2
2
Материалы проволочного электрода выбраны предпочтительно так, что его прочность на растяжение при комнатной температуре составляет, по меньшей мере, 350 H/мм. В случае сердечника, содержащего алюминиевый сплав, это уже достигается за счет выбора сплава. При выборе чистого алюминия в качестве материала сердечника следует, напротив, учесть, что его прочность на растяжение даже в состоянии наклепа ниже, чем латуни, а рубашечный слой должен вносить достаточный вклад в общую прочность на растяжение электродной проволоки. Другими словами, рубашечный слой должен быть выполнен тогда так, чтобы он, в целом, достигал более высокой общей прочности на растяжение, чем сердечник, таким образом, чтобы общая прочность на растяжение проволоки составляла, по меньшей мере, 350 Н/мм.
В одном предпочтительном варианте между сердечником и рубашечным слоем расположен переходный слой, который содержит один или несколько элементов материала сердечника, а также один или несколько элементов рубашечного слоя и состоит или, в основном, состоит из них. Как правило, уже в процессе изготовления проволочного электрода и, в частности, рубашечного слоя образуется соответствующий переходный слой. Дополнительно или вместо такого, обусловленного изготовлением переходного слоя могут быть целенаправленно получены один или несколько переходных слоев. Переходный слой/переходные слои служит/служат обеспечению достаточно прочного сцепления между сердечником и рубашечным слоем.
В одном предпочтительном варианте проволочный электрод имеет диаметр, по меньшей мере, 0,2 мм. Предпочтительный верхний предел составляет 0,4 мм. В случае выбора некругообразного сечения проволочного электрода указанно значение диаметра относится к минимальному диаметру. В этом диапазоне диаметров предложенное строение электродных проволок позволяет достичь особенно значительного повышения рентабельности при одновременной эффективности эрозионного процесса.
3
3
3
Предпочтительно выбрать строение проволочного электрода так, чтобы его плоскость составляла менее 5000 кг/м, более предпочтительно менее 4800 кг/м и наиболее предпочтительно менее 4300 кг/м.
Изобретение более подробно поясняется ниже на примерах его осуществления со ссылкой на чертеж.
На фиг.1 схематично и не в масштабе изображено сечение варианта выполнения предложенного проволочного электрода.
Изображенный на фиг.1 в сечении проволочный электрод 1 содержит проволоку-сердечник 2, который полностью окружен образующим наружную сторону электрода 1 рубашечным слоем 3. Между ним и сердечником 2 расположен также полностью окружающий сердечник 2 переходный слой 4. Как уже сказано, рубашечный слой 3 и/или переходный слой 4 могут быть выполнены так, что они имеют трещины или разрывы и закрывают сердечник неполностью.
В изображенном примере сердечник 2 выполнен однородным полностью или, в основном, полностью из кристаллического алюминия или кристаллического алюминиевого сплава. Рубашечный слой 3 выполнен также однородным и однослойным и более чем на 50 мас.% и предпочтительно полностью или, в основном, полностью состоит из латуни. Переходный слой 4 показан сильно преувеличенной толщины. В действительности же его доля во всей площади сечения пренебрежимо мала. Он содержит, по меньшей мере, один элемент, имеющийся в сердечнике 2, и, по меньшей мере, один элемент, имеющийся в рубашечном слое 3. Предпочтительно он содержит сплав, который по своему составу лежит между составом сердечника 2 и рубашечного слоя 3. При этом состав может изменяться также в радиальном направлении, вызывая постепенный переход между сердечником 2 и рубашечным слоем 3. Переходный слой 4 служит для лучшего соединения между ними. В зависимости от применяемого способа изготовления проволочного электрода 1 образуется, например в результате диффузионных процессов, более или менее протяженный переходный слой. Следует указать на то, что, в целом, граничные поверхности между соседними слоями будут, как правило, не идеальными, а могут быть неправильными и/или «нерезкими».
Аналогичным образом, как и в случае переходного слоя 4, может быть также предпочтительным выполнение проволочного электрода 1 так, чтобы состав сердечника 2 и/или рубашечного слоя 3 изменялся в радиальном направлении. Это может быть реализовано не только за счет многослойных выполнений, но и за счет непрерывных изменений.
Доля площади сердечника 2 в общей площади сечения составляет, по меньшей мере, 60%.
37
2
В одном особом примере этого варианта сердечник 2 выполнен из чистого алюминия, а рубашечный слой - из CuZn. Переходный слой 4 имеет толщину около 1 мкм и состоит, в основном, из сплавов алюминия и меди и/или цинка. Толщина проволочного электрода 1 составляет 0,25 мм, доля площади сердечника 2 в площади сечения составляет 65%, а прочность на растяжение - 400 Н/мм.
3
45
2
В другом особом предпочтительном примере изображенного на фиг.1 варианта сердечник 2 состоит из сплава AlMg, а рубашечный слой - из CuZn. Переходный слой 4 имеет толщину около 15 мкм и состоит, в основном, из сплавов алюминия и меди и/или цинка. Толщина проволочного электрода 1 составляет 0,3 мм, доля площади сердечника 2 в площади сечения составляет 65%, а прочность на растяжение - 400 Н/мм.