新型石墨材料在電火花機床加工制造中的應用

2016-11-09 點擊數：2121

在初期的時候，銅電極材料在電火花機床中廣泛使用。純銅電極特點是：塑性好，可機械加工成型、鍛造成型、電鑄成型以及線切割成型等，質地細密，穩定性好，相對電極損耗小，使用性廣泛。只有在制作大型電極且一些粗加工時，石墨才會考慮對象。曾經接觸過石墨的技術人員有普遍印象：石墨材料臟、易掉渣、效果又不好、加工效率不高等等問題。但是隨著新技術不斷的發展，石墨能滿足不同電火花加工需求，市場上石墨高速銑削機床應運而生，電火花機床的石墨放電性能也有了全面的提升，航空航天、汽車、家電、電子等模具已大范圍采用石墨作為電極材料。其優越性將逐漸被國內模具制造行業認識和接受。正確選用石墨電極材料，并配合改進相關工藝環節，將為模具制造企業帶來高效率、高品質、低成本效益！以下將介紹石墨材料、電極制作與放電加工的要點：
1. 石墨材料的電火花加工特性
（1）放電加工速度
石墨是一種非金屬材料，熔點極高，達3650 ℃，而銅的熔點是1083 ℃，因此石墨電極能承受更大的電流設定條件。當放電面積與電極尺寸縮放量越大時，石墨材料高效率粗加工的優越性越顯著。石墨的導熱系數是銅的1/3，其放電過程中產生的熱能可更有效地用于去除金屬材料，因此在中、精加工中，其加工效率也比銅電極要高。根據加工經驗，在正確的使用條件下，石墨電極的放電加工速度要比銅電極整體快1.5~2倍。
（2）電極損耗
石墨電極具有能承受大電流條件的特性，另外，在合適的粗加工設定條件下，含碳元素的鋼工件在加工時產生的蝕除物和工作液在高溫下產生的分解物中的碳顆粒，在極性效應的作用下，部分蝕除物、碳顆粒會粘附在電極表面形成一層保護層，保證了石墨電極在粗加工中的損耗極小，甚至是“零損耗”。電火花加工中主要的電極損耗量來自于粗加工，精加工設定條件雖然損耗率較高，但因零件預留加工余量不多即加工蝕除量較少，其總體損耗量也較少?？傮w而言，石墨電極在大電流的粗加工中損耗會少于銅電極，在精加工中損耗可能會稍大于銅電極，二者的電極損耗情況相當。
（3）表面質量
石墨材料的顆粒直徑直接影響電火花加工的表面粗糙度，直徑越小可獲得更低的表面粗糙度值。幾年前使用顆粒直徑φ5 μm的石墨材料，電火花加工的最佳表面只能達到VDI18（Ra0.8 μm），現今石墨材料的顆粒直徑已能達到φ3 μm以內，電火花加工的最佳表面可穩定達到VDI12（Ra0.4 μm）或者更精細的等級，但石墨電極無法進行鏡面電火花加工。
銅材料的電阻率較低，組織結構致密，電火花精加工易獲得穩定的加工狀態，在較困難的條件下也能穩定加工，表面粗糙度可小于Ra0.1 μm，能進行鏡面電火花加工。由此可見，如果放電加工追求極其精細的表面，使用銅材料做電極更加合適，這是銅電極較石墨電極的主要優勢。
但銅電極在大電流設定條件下，電極表面容易變得粗糙不堪，甚至出現裂紋，而石墨材料則沒有這方面的問題，對于表面粗糙度要求為VDI26（Ra2.0 μm）左右的型腔加工，使用1個石墨電極即可完成從粗到精的加工過程，實現均勻一致的紋面效果，表面不會有缺陷。另外，由于石墨與銅材組織結構的不同，石墨電極表面放電的腐蝕點比銅電極要規則，因此在加工VDI20及以上相同表面粗糙度時，使用石墨電極加工的工件表面顆粒度更加分明，這種紋面效果要優于銅電極的放電表面效果。
（4）加工精度
石墨材料的熱膨脹系數小，銅材料的熱膨脹系數是石墨材料的4倍，因此在放電加工中石墨電極相比銅電極不易發生變形，可獲得更穩定可靠的加工精度。尤其是在加工深窄筋位部分時，局部高溫容易使銅電極發生彎曲變形，而石墨電極不會這樣；對于深徑比大的銅電極，在加工設定時還需要補償一定的熱膨脹值來修正尺寸，而石墨電極不需要。
（5）電極重量
石墨材料較銅的密度要小，相同體積的石墨電極重量僅為銅電極的1/5?？梢婓w積較大的電極使用石墨材料非常合適，極大地減輕了電火花加工機床主軸的載荷，電極不會因為重量大而導致裝夾不便、加工中產生偏擺位移等問題，可見在大型模具加工中使用石墨電極很有意義。
（6）電極制作難度
石墨材料的機械加工性能好，切削阻力僅為銅的1/4，在正確的加工條件下，銑削加工石墨電極的效率是銅電極的2~3倍。石墨電極容易清角，可以將平時要由多個電極完成的工件設計成一個整體電極來加工。石墨材料獨特的顆粒組織結構，使得電極銑削成型后不會產生毛刺，對于復雜造型不便于去除毛刺的情況直接滿足使用要求，省去了人工對電極進行拋光的工序，避免了拋光導致的形狀改變、尺寸誤差等。需要注意的是，由于石墨是粉塵堆積物，銑削石墨時會產生大量的粉塵，因此銑削機床必須要有密封與吸塵裝置。如果需要使用電火花線切割加工石墨電極，其加工性能就不如銅材料了，切割速度相比銅慢約40%。
（7）電極安裝與使用
石墨材料的可粘結性好，可以使用導電膠將石墨與夾具粘結的方法銑削電極、放電加工，可省去在電極材料上加工螺絲孔的工序，節省了工作時間。石墨材料比較脆，特別是細小窄長電極，在使用中受到外力作用時容易折斷，但可以馬上知曉電極發生了損傷。如果是銅電極則只會彎曲不會折斷，這種狀況在使用過程中非常危險且難以發現，很容易導致工件報廢。
（8）價格
近幾年銅材料價格不斷上漲，而各大石墨制造商不斷改進制作石墨的工藝使其更具性價比優勢。相同體積下，通用性石墨電極材料的與銅電極材料的價格相當，而精細石墨的價格會比銅電極要高一些。
綜上所述，在石墨電極的8項電火花加工特性中，其優勢明顯：銑削電極與放電加工的效率均顯著優于銅電極，大電極重量小，尺寸穩定性良好，薄片電極不容易發生變形，表面紋理優于銅，價格也更低廉。石墨材料的不足之處是不太適合VDI12（Ra0.4 μm）以下的精細表面放電加工，使用電火花線切割制作電極的效率較低。
但從實際角度來看，影響石墨材料在國內不能有效推廣的一個重要原因是銑削電極需要有專門的石墨加工機，這就對模具企業的加工設備提出了新的要求，一些小型企業可能不具備這個條件?？傮w而言，石墨電極特性的優勢涵蓋了電火花加工的絕大多數加工場合，值得推廣應用，長期效益可觀，其精細表面加工的不足之可以通過使用銅電極來彌補。
2. 電火花加工用石墨電極材料的選擇
對于石墨材料，主要有以下4個指標直接決定著材料的使用性能：
（1）材料的平均顆粒直徑
材料的平均顆粒直徑直接影響到材料放電的狀況。石墨材料的平均顆粒越小，材料的放電越均勻，則放電狀況越穩定，表面質量越好，損耗情況越??；平均顆粒越大，在粗加工中能獲得更好的去除率，但精加工表面效果較差，電極損耗較大。
（2）材料的抗折強度
材料的抗折強度是材料強度的直接體現，顯示材料內部結構的緊密程度。強度高的材料，其放電的耐損耗性能相對較好，對于精度要求高的電極，盡可能選擇強度較好的材料。
（3）材料的肖氏硬度
石墨的硬度比金屬材料要高，在切削時刀具的損耗比切削金屬要大些。與此同時，硬度高的石墨材料在放電損耗方面的控制比較優秀。
（4）材料的固有電阻率
固有電阻率較大的石墨材料，放電速度會比電阻率小的慢。固有電阻率越高，電極損耗就越小，但固有電阻率偏高時，放電的穩定性會受到影響。
目前全球知名的石墨供應商中不同供應商有多種不同牌號的石墨可供選擇。通常根據石墨材料的平均顆粒直徑來分類，顆粒直徑≤φ4 μm的定義為細石墨，顆粒在φ5~φ10 μm定義為中石墨，顆粒在10 μm以上定義為粗石墨。顆粒直徑越小材料的價格越貴，可以根據電火花加工要求與成本選擇合適的石墨材料。