電火花加工是模具制造行業內廣泛應用的一項工業技術,它在模具型腔的制造過程中始終發揮著極其重要的作用。為了保證模具的高質量,電火花加工的重要性是不言而喻的。作為電火花加工重要因素之一的電極, 在沿用傳統銅電極進行電火花放電加工的同時不得不開始考慮一些技改的新趨勢:在競爭激烈的模具制造行業中,生產率是確保生產成本具有競爭力的關鍵,要有效的提高生產的效率,新材料新技術的運用,是重要途徑。石墨作為一種新的電極材料,由于其特殊的穩定物理特性而逐漸成為電火花放電加工電極材料的未來趨勢。本文著重研究了以下幾個問題:使用石墨電極對比傳統銅電極有何優勢;如何選擇石墨材料;石墨加工對刀具的要求;如何加工石墨電極。
1 使用石墨電極對比傳統銅電極有何優勢
電極材料的選擇通常由五大要素決定:可加工性、損耗率、表面光潔度、加工速度、材料成本??杉庸ば裕?石墨比銅具有更好的可加工性,石墨加工較容易,材料去除率高,石墨在銑削加工時速度是銅的 3 ~ 5 倍。石墨可用于加工形狀復雜、表面要求較高的電極。由于其強度很高, 對于超高(50 ~ 90mm)、超?。?.2~ 0.5mm)的電極加工時不易變形,常常被用于制作后模窄槽或深骨位加工用的電極。在很多時候,產品都需要有很好的紋面效果,這就要求在做電極時盡量做成整體電極,而整體電極制作時存在種種隱性清角, 由于石墨的易修整的特性,使得這一難題很容易得到解決,而銅電極卻無法做到。損耗率: 石墨的熔點為3850±50℃,沸點為 4250℃,即使經超高溫電弧灼燒, 重量的損失很小,熱膨脹系數也很小。石墨度隨溫度提高而加強,在 2000℃時,石墨強度提高一倍。由于石墨在高溫下強度而增強,能有效地降低放電損耗(石墨損耗為銅的 1/4),從而保證了加工質量。表面光潔度: 在合理的加工參數下,選擇合適的石墨材料我們可以得到我們想要的表面光潔度。加工速度:石墨具有高的導電性,且其放電時能承受住較大電流,石墨的電加工速度比銅快 50% 以上。材料成本:由上述四點我們可以得出結論,使用石墨電極比傳統銅電極更能提高電火花加工的生產效率,且石墨電極加工后不需要額外的人工處理,材料成本將大大降低。
2 如何選擇石墨材料
石墨按其顆粒等級可分為:特微 <1μ;極細 1~5μ;超細 6~10μ;精細 11~20μ;中等 21~100μ; 粗糙 >100μ。石墨的顆粒越小,加工的電極表面光潔度越高;顆粒越小,顆粒間的間隙越小,石墨的抗彎強度、抗壓強度也就越好。同一級別的石墨中,密度越大, 電阻率越低,導電性能越好。因此石墨的選擇在電加工中是十分重要的。若在加工窄槽或深骨位時,使用的石墨電阻太高,那么將會導致電極過熱而產生過切現象。通常我們使用的石墨等級為特微、極細、超細、精細四種,對應適用的范圍如下:特微——用于極好表面光潔度和復雜形狀電極。極細——用于對電極硬度、損耗及加工光潔度都有較高要求的場合。超細——用于大型模具和對光潔度要求高的場合。精細——用于用于大型模具和對光潔度要求不高的場合。
3 石墨加工對刀具的要求
盡管石墨是一種非常容易切削的材料,但由于用作 EDM 電極的石墨材料,必須具有足夠的強度以免在操作和 EDM 加工過程中受到破壞,同時電極形狀 ( 薄壁、小圓角、銳變 ) 等也對石墨電極的顆粒尺寸和強度提出較高的要求,導致在加工過程中石墨工件容易崩碎, 刀具容易磨損。刀具磨損是石墨電極加工中最重要的問題。磨損量不僅影響刀具損耗費用、加工時間、加工質量,而且影響電極 EDM 加工工件材料的表面質量,是優化高速加工的重要參數。因此,在選擇加工石墨的刀具時,我們優先考慮的是刀具的耐磨性。在常用的刀具材料中,除了高速鋼以外其它硬質合金刀具都可用于加工石墨。在各類硬質合金刀具中,金剛石涂層刀具的硬度高、耐磨性好、摩擦系數低,是現階段石墨加工刀具的最佳選擇。金剛石涂層的硬質合金刀具綜合了金剛石的硬度和硬質合金的強度及斷裂韌性,使得其在加工石墨時耐磨性大大提高,使用壽命是普通涂層刀具的好幾倍。然而,由于金剛石涂層刀具價格很高,通常我們也會使用 TIN 涂層刀具加工石墨。TIN 涂層刀具價格比金剛石涂層刀具便宜一半以上,對于加工時間不是太長, 精度要求不是很高,或者薄片骨位電極等零件我們都可以使用 TIN 涂層刀具。另外,TIALN 涂層刀具由于涂層中 AL 元素的導熱性不好,熱量不易傳遞到刀具,盡管其耐磨性好,但通常不用其來加工石墨。在石墨加工中,刀具對加工的質量、加工的精度以及加工的效率有很大影響,因此在編程前刀具的選擇是決定加工成敗的關鍵。
4 如何加工石墨電極
石墨加工的刀路,是影響石墨加工質量好壞的重要因素。石墨在粗加工時可使用大的切削深度,在配合高的轉速情況下可使用相應的大進給量。精加工時為避免崩角、碎裂的發生,常采用輕刀快走的方式加工。一般而言,石墨在切深小于 0.2mm 的情況下很少發生崩碎,還會獲得較好的側壁表面質量。石墨加工的刀路應盡可能選擇順銑。順銑時的刀具切入厚度從最大減小到零,刀具切入工件后不會出現因切不下切屑而造成的彈刀現象,工藝系統的剛性好,切削振動小。石墨加工時我們通常使用吹氣的冷卻方式,并且在加工前將石墨浸漬電火花液,這樣可以及時清理工件表面的石墨粉塵, 有利于減小刀具二次磨損,延長刀具的使用壽命,減少石墨粉塵對機床絲杠和導軌的影響。在加工高骨位電極時,我們應盡可能在電極底部設計 R 角,這樣可以增加骨位的強度,便于銑削加工和 EDM 加工。骨位電極粗加工時我們要留有足夠的余量(一般為 1mm 以上), 精加工時最好使用 TIN 涂層刀具(因為 TIN 涂層較金剛石涂層薄,相對而言刀具較鋒利,切削時力較?。?。讓我們通過下面的實例來粗略了解一下石墨加工的具體加工工藝。
圖 1 所示薄片骨位電極,頂部壁厚 0.4mm,底部壁厚 1mm,薄片高 55mm,薄片頂部有 72 度的斜面。由于薄片骨位電極在機加工和電火花加工時極易發生折斷和變形,因此我們必須挑選具有極高的強度、極強的耐磨性和良好的光潔度特性的石墨材料。這里我們選擇的是美國 POCO 公司生產的 EDM-3 極細石墨。為了降低石墨的脆性,加工前已將石墨放入火花油內浸泡數小時。整個電極采用 POWERMILL 軟件編程, 選用山高的刀具加工。加工機床為日本的OKADA 石墨加工中心。具體加工工藝如下: 整體粗加工-精加工斜面
-精加工短邊側面-精加工長邊側面。
(1)整體粗加工。采用直徑 12.0mm 的平底刀, 用等高策略對石墨進行整體開粗。由于此石墨電極很薄, 最窄處只有0.4mm,所以粗加工我們必須留有足夠的余量。(通常對薄片骨位電極我們都會留 1mm 以上的余量給后面的工序。)
(2)精加工斜面。薄片骨位電極精加工時一定要先加工好頂部的弧面或斜面,才可以加工零件的側面。因為側面加工完后零件已變得很薄,再加工頂部零件極易折斷,我們必須在零件足夠厚時加工其頂部。石墨具有很好的修整性,我們可以使用平底刀來加工此斜面?,F在我們使用直徑 4.0mm 的平底刀對斜面精加工。
(3)精加工短邊側面。采用直徑 4.0mm 的平底刀, 用等高策略計算加工邊界精加工短邊側面。因為精加工的短邊側面對于零件來說是較厚的一邊,先加工完后不會讓電極變薄。
(4)精加工長邊側面。采用直徑 4.0mm 的平底刀, 用等高策略計算加工邊界精加工長邊側面。因為精加工長邊側面會使零件變得很薄,所以放在最后的工序加工。應將長邊和短邊分開加工,因為如果將兩者一起加工, 在轉角處刀路方向改變時會產生徑向力壓迫石墨引起振動從而導致電極折斷。圖 1 所示刀路即為串聯后的電極精加工刀路。
5 結語
本文從石墨電極對比傳統銅電極的優勢、石墨材料的選擇、石墨加工刀具的挑選直至介紹到石墨的加工, 對石墨的加工工藝進行了詳細的闡述,對石墨加工的方法和刀具的選擇有了簡單的介紹,其中大部分內容為日常工作中經驗的總結。在模具工業越來越發達的今天, 電火花加工特別是用石墨作為電極進行各種復雜型腔的精密加工將越來越廣泛,其涉及到石墨電極加工的不同加工經驗、參數和知識在不斷更新,不斷變化,需持續不懈的努力和探索。
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