石墨作為電火花加工(Electrical Discharge Ma- chining,簡稱 EDM)電極材料,以其易加工修整、重量輕、放電效率高、熱膨脹系數小、損耗小、不易拉弧等優點,在模具行業已得到越來越廣泛的應用[1]。為降低機床負荷和人工調整工藝裝備難度,大型電極更適宜采用石墨材料。 大型電極,若使用紫銅則重量較大,通常要分拆開為小電極,但有的因精準度也要求很高而不宜分拆;若工件較小,可把工件固定在機械頭上,電極固定在機臺上,反“極性”加工。 若以上條件不具備時只能使用石墨電極。
現代塑料模具型腔具有越來越大的趨勢,型腔數量也越來越多,石墨因其比重輕,不但更適合于制作大型工具電極,而且能設計加工成大型組合電極。
電火花加工也具有局限性,最突出的是加工速度較慢和存在電極損耗[2],從而影響加工的效率和質量。 為提高電火花加工的效率和質量,應研發并使用大型殼形石墨工具電極。
所謂殼形工具電極,就是把工具電極設計加工成為薄殼形狀。 殼形石墨工具電極具有很多優點, 如減輕電極重量,增加材料的利用率,減少電極損耗,延長電極壽命,減少能耗,提高電火花加工效率和加工精度,降低成本。
1 應用石墨殼形工具電極的效果
1.1 解決提高加工效率與減少電極損耗的矛盾
石墨電極不僅熱學性能好,而且在長脈沖粗加工時能吸附游離碳來補償電極的損耗,相對損耗率低。 提高電火花加工速度的途徑在于:提高脈沖頻率,增加單個脈沖能量,設法提高工藝系數[3]。 由于消電離時間的制約,通過提高脈沖頻率來提高加工速度的空間非常??;在相同工藝條件下,對大型電極而言,提高加工速度的最有效途徑在于增加單個脈沖能量。 增加單個脈沖能量主要依靠加大脈沖電流和增加脈沖寬度。 但當脈沖電流增長率太高時,對在熱沖擊波作用下易于脆裂的工具電極 (如石墨) 的損耗,影響尤為顯著,為降低電極損耗,應在放電初期限制脈沖電流的增長率[2]。 無疑,存在著提高加工效率與減少電極損耗的矛盾。
文獻[3]對電極表面溫度場分布的研究表明,電極表面放電點瞬時溫度不僅與瞬時放電總熱量(與放電能量成正比)有關,而且與電極材料的導熱性能有關。 如果石墨工具電極加工成殼形,減少工具電極的熱量,殼形薄壁更利于熱傳遞,即使采用較大的脈沖寬度和較大的脈沖電流進行加工,電極表面溫度仍相對較低,依然損耗較少,而工件表面溫度仍較高而遭到高效蝕除, 即進一步降低損耗比。因此石墨電極加工成殼形,有利于發揮傳熱效應的作用,既提高了加工效率,又減少電極損耗。
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4 結語
大型殼形石墨工具電極具有如下優點:
1)增加了材料的利用率,減輕了電極重量。
本實例中, 經計算機輔助設計軟件分析可知, 傳統工具電極的石墨體積為 1.81×107 mm3, 殼形電極的石墨體積為 4.69×106 mm3, 約為原體積的 1/4,掏出來的余料還可他用。
2)減少電極損耗,延長電極壽命,提高電火花加工效率和加工精度。
大型殼形石墨工具電極的設計與加工,看起來比傳統的要費時很多,但其內切斷刀、環槽刀、電極夾具設計制作后可適用于其他的電極加工。
本實例的大型殼形石墨工具電極已投入電火花加工實驗,實驗中不分粗加工電極、中加工電極和精加工電極,只使用一個電極,通過改變不同的電火花加工工藝參數,在放電粗加工時增加單個脈沖能量,對余量 0.30 mm 的型腔加工后尺寸精度和表面質量能達到預期的要求,而電極損耗較小。
總而言之,使用該技術,減輕電極重量,增加材料的利用率,減少電極損耗,延長電極壽命,減少能耗,提高電火花加工效率和加工精度,降低成本,在模具工業中具有良好的應用前景。
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