許多客戶在選購石墨材質時除了價格外往往會問這樣的問題:“這種石墨放電面最高能達到多少粗糙度?”當然,單純作為一個問題無可厚非,但要確切回答這個問題是缺乏前提條件的。因為對于這個問題來說,相比之下,放電加工設備本身的性能技術指標要重要的多。另外,在電火花放電工藝特點方面還存在一個加工面積與表面粗糙度關系的問題,即在放電條件不變的條件下,通常情況下加工面積越大,要達到一個好的粗糙度要求越難。因此,要回答這樣的問題絕不是一個簡單的評判問題。當然,在絕大多數條件確定的加工場合下,不同品質石墨的放電加工表現還是可以作一評判的。表 1 為采用東洋炭素提供的不同等級的電加工專用石墨在相同的放電條件下加工出來的紋面效果。
表 1 不同等級石墨材質的放電效果測試實驗
由于條件最終設定值為 4μmRy,所以,再好的材料,也只能達到該粗糙度左右的品質,實際上通過追加更微細的放電條件, TTK-4、TTK-8 品種的石墨材料可以達到更好的粗糙度標準,如表 1 所示的加工面積,TTK-8 放電面的最佳粗糙度值可達 2μRy 左右。但對于顆粒度較粗的石墨品種, 即使使用細微的放電條件,仍不能達到該條件應能達到的粗糙度效果。
除了放電面的粗糙度指標外,電極的耐損耗特性對于選材來說也是非常重要的。精密模具的加工,尺寸及形狀要求特別高,而這主要取決于電極的精度,若在加工過程中,電極損耗嚴重,想要加工出高精度的模具幾乎是不可能的。而對于目前放電加工這種加工方式來說,要電極完全沒有損耗似乎也是不可能的,這就要求多支電極進行精度修整,最終做到符合被加工模具的質量及精度要求。通常,石墨材料的耐損特性和制造該石墨所采用的原料性質及制造工藝有密切關系,而對于確定特性的石墨材質來說,其耐電蝕性能和所使用的脈沖條件又有很大的關系,在峰值電流一定的條件下,石墨電極的損耗與脈寬之間的關系和其他金屬材料相似,隨著脈寬的減小,電極損耗是逐漸增大的;在實施大電流、大脈寬的粗加工條件下,等級高的石墨品種和普通石墨品種在耐損耗特性上的差距并不大,隨著脈沖能量的逐漸降低,脈寬的逐漸減小,不同檔次的石墨耐損特性差距逐漸顯現出來,圖 1 為不同檔次的石墨品種與脈寬之間的大致關系曲線。
表 2 記錄的實驗數據是在三菱 EA-12D 型電火花專用設備上采用固定加工參數對東洋炭素部份不同級別的電加工專用石墨進行的加工效率和電極損耗性能指標的測試得到的加工效率和電極損耗的關系曲線,供大家選材時參考。為了圖表數據明朗,這里采用了損耗相對較大的有損放電參數,以突出不同材料間的對比性。
實驗條件如下:工件材料 NAK80;放電面積 20 mm×20mm;放電回路 TP(石墨——鋼);加工深度 20mm。
表 2 不同型號石墨的放電試驗
電極材料在放電過程中的損耗大小受很多因素影響,在同一臺機床、相同加工參數的條件下, 用不同特性的石墨材料對同一種被加工材料上進行放電損耗測試,比較的是不同特性電極材料的損耗特性,這是材料間的相對比較;如果用不同的加工參數對工件實施放電,即使是同一款電極材料, 電極所產生的損耗也是有很大差異的,對于石墨來說,小能量的放電條件所產生的電極損耗遠大于大能量的加工條件。由于加工條件對電極損耗有很大的關系,因此依據加工條件對電極損耗的影響程度可以分為無損加工條件、微損加工條件和有損加工條件等幾項。無損加工條件一般是指電器損耗在 0.5%以下的加工條件,一般為粗加工條件,微損加工條件指的是 0.5~2%左右的放電加工條件,而大于 2%以上的加工條件則被稱為有損加工條件。需要指出的是,不同形狀的電極,即使使用相同的放電參數,實際發生的損耗有可能是不同的,如薄片狀的或放電面積很小的電極在實施放電加工時,端面損耗較放電面積較大的電極要大。不能簡單認為有損耗的加工條件是不好的加工條件,實際上加工粗糙度要求非常高的精細紋面及微細精密型腔的加工所采用的微細放電條件都為電極損耗很大的有損加工條件,另外加工不少有色金屬所采用的加工條件大多也為有損加工條件,加工深窄槽形腔時,為了提高加工效率,其加工策略往往也是使用損耗較大的有損加工條件。
專業電加工設備制造廠商,在提供給客戶加工設備的同時,還會向客戶提供完整的加工參數使用說明,在說明中或以圖表形式或以文字形式標注出所用加工參數的大致損耗程度,以便客戶正確選用加工條件。表 3 為 MAKINO 電火花成形加工機所提供的其中第 38 號加工模型表。其中電極損耗一欄即為在該放電規準條件下的大致電極損耗百分比。
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當然,也可以根據經驗來確定采用哪些石墨電極材料來加工所需模具。以加強筋(骨位)電極為例,厚度>2mm 可以采用 ISEM-8 及相等級別材質;厚度在 1~2mm 之間,可考慮使用 ISO-63 及相等品質材質;而厚度<1mm 則建議采用 TTK-4 以上品質石墨。上述建議是基于電加工的電極損耗及電極的制作等兩方面角度加以考量。厚度大于 2mm 的加強筋電極,往往可以留有較大的放電間隙,即電極的縮小量可以做到 0.15~0.2mm/side,相對此放電間隙的放電規準損耗都比較小,甚至可做到無損耗加工,一定程度上彌補了較低檔次電極材料易損耗的缺陷。厚度在 1~2mm 的電極,一般電極縮小量為 0.1~0.15mm/side,縮小量較小時,所用的加工參數的損耗特性有所上升, 需要電極材料本身的耐損特性加以彌補,而厚度在 1mm 以下的電極,其單面縮小量往往在 0.1mm 以下,對應這種間隙的放電參數損耗會很大,可能超過 5%(視放電間隙而定),這就要求電極材質本身的耐蝕性強,以減少損耗。需要說明的是,電火花加工設備說明書中所列出的某條件的損耗值僅是在特定條件下作出的實驗值,并不是確定值,不同的電極材料或工件材料,即使采用相同的放電參數進行加工,其電極的損耗狀況也是不同的,特別是石墨材質。就耐蝕特性來說,高檔石墨材質性能往往數倍優于低端石墨,特別在電極細節處的表現。
對于那些注重于型腔的細節部位及精密模具加工場合,則必須注重電極材料的耐損特性,由于加工中心加工的特點,預加工不到位的部位往往是模具型腔的一些細節部位,對于電火花加工來說也是加工余量最大的部位,比如說清角、加強筋型腔等。由于此時一般不需要大能量的加工規準, 電極的縮小量也不會很大,相對來說電極的損耗會大一些,特別是加工量比較大的部位的損耗,此時應考慮采用耐損特性好一些的中檔石墨材質的電極進行粗加工,繼而再采用中、高檔石墨電極繼續進行精加工,直至加工符合要求。
2020-10
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