電火花石墨電極的特性研究及應(yīng)用.doc

電火花石墨電極的特性研究及應(yīng)用 摘要：由于石墨作為電加工中的電極具有各種杰出的特性，堪稱一種理想的電極材料，它在迅速發(fā)展的 電火花放電加工業(yè)中起到了不可忽視的作用。從石墨的物理性能、機(jī)械加工性能、放電加工性能等方面 進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為廣大電加工用戶使用石墨提供盡可能多的經(jīng)驗(yàn)和參考。 關(guān)鍵詞：石墨物理性能機(jī)械加工性能放電加工性能 0 前言電火花放電加工中用石墨作電極，具有以下令人稱道的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，電極不變形， 在電介液中對環(huán)境無污染，重量輕，其密度不足銅的1/4，選用細(xì)顆粒的石墨電極能加工出高品質(zhì) 的工件表面等等。由于其杰出的特性，石墨堪稱一種理想的電極材料，它在迅速發(fā)展的電火花放電 加工業(yè)中起到了不可忽視的作用。在今天模具生產(chǎn)制造的許多領(lǐng)域及現(xiàn)代加工方式中，起著基礎(chǔ)的 作用。使用石墨的可能性還遠(yuǎn)不止此，石墨有許多被廣泛認(rèn)同的優(yōu)點(diǎn)，如加工材料的高去除率和低 的自身損耗，與此同時(shí)，石墨有著優(yōu)良的可加工性。對不同的加工精度，人們都能找到相適應(yīng)的石 墨牌號。如果對有些人在試用石墨時(shí)不能達(dá)到預(yù)期滿意的效果，那是因?yàn)槿藗儗κ捌涮赜械男阅苓€缺乏了解所致。 1 石墨的物理性能 電火花放電加工用石墨從化學(xué)的角度來說是由碳和盡可能少的灰份所構(gòu)成，這種純度的石墨在 生理學(xué)上是惰性的，故在加工時(shí)不必拘于特別的安全規(guī)則。但有一點(diǎn)例外就是用于某些特別用途的 浸銅石墨，這種純度的銅即所謂的高導(dǎo)電性的銅。石墨毛坯的形成大致有擠壓、模壓和等靜壓3 種 形式，分別對應(yīng)不同的需求。其中等靜壓因?yàn)閼?yīng)力均布，材質(zhì)一致性及密實(shí)性好而被廣泛推崇。通常等靜壓石墨可制成長方體型或圓柱體型，也可按實(shí)際需要進(jìn)行切割。品質(zhì)控制對石墨生產(chǎn)的全過程是極為重要的，從原材料的進(jìn)廠檢驗(yàn)至全流程工藝參數(shù)的持續(xù)監(jiān)控，是整個(gè)生產(chǎn)過程的有機(jī)組成部分。生產(chǎn)完成后，所得到的石墨是多孔性的，其孔的結(jié)構(gòu)和氣孔率視不同牌號的石墨而有著顯著的不同。氣孔的結(jié)構(gòu)(孔徑及氣孔分布)決定了石墨在完成最終加工后能達(dá)到的表面質(zhì)量。開口氣孔率通常可用浸漬(如銅浸漬)加以改善，但閉口的單個(gè)氣孔卻無法有效地浸漬。如果把石墨置于絕緣液體中，它會吸收電介質(zhì)，其吸收量取決于浸泡的時(shí)間，所用壓力，介質(zhì)粘度及石墨的材料結(jié)構(gòu)。若是細(xì)顆粒，密實(shí)結(jié)構(gòu)的石墨，在無壓情況下，其外表面吸收的電介質(zhì)是很少的，這也是為何在石墨加工時(shí)，并不能推薦此方法以減少石墨加工所帶來的粉塵，改變氣孔中電介質(zhì)的粘度，對石墨電極在加工時(shí)的損耗以及加工材料的去除率會帶來負(fù)面影響。若需要的話可在爐中加熱至200左右?guī)讉€(gè)小時(shí)，讓石墨氣孔中的電介質(zhì)蒸發(fā)掉。由于惰性，即使存放若干年，石墨的材料結(jié)構(gòu)和性能也不會改變。幾種石墨的物理特性和顯微照片(2001)對比如圖1 所示，顯然石墨標(biāo)號越高，粒度和孔徑就越小，密實(shí)程度也越好。 2 石墨的機(jī)械加工性能 石墨電極用傳統(tǒng)的方法來進(jìn)行機(jī)械加工非常容易，機(jī)械加工過程包括：鋸開、研磨、車削、研 銑、火花浸蝕等。 R 8340 (EK 82)* R 8500 X R 8500 (V1466)* R 8510 R 8650 (V1364)* R 8710 體積密度g/cm3 1.72 1.75 1.77 1.83 1.84 1.88 開口氣孔率% 15 14 13 10 10 10 粒度mm 15 12 10 10 7 3 孔徑mm 2.0 2.0 1.5 1.5 0.8 0.6 氣率102cm2/s 15 15 10 4 3 1 洛氏硬度80 HR10/100 80 HR5/100 70 HR5/100 95 HR5/100 95 HR5/100 110 HR5/100 抗折強(qiáng)度N/mm2 45 43 50 60 65 85 楊氏模量kN/mm2 10.5 10 10.5 11.5 12.5 14 電阻率mWm 12 15 14 13 14 13 熱導(dǎo)率Wm 1K1 90 80 80 100 90 100 熱膨脹系數(shù)(20-200C) 106/K 2.9 3.8 3.9 4.0 3.9 4.7 灰份max.% 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 * 以前的牌號 R8340 R8500X R8500 R8510 R8650 R8710 作者： fxbdt 2007-4-25 12:45 回復(fù)此發(fā)言 2電火花石墨電極的特性研究及應(yīng)用 圖1 幾種石墨的物理特性和顯微照片對比 研銑法是電極加工最常使用的方法。所使用的機(jī)械加工機(jī)床是一般傳統(tǒng)的CNC 銑床和仿形銑 床，正如用于鋼件加工的機(jī)床一樣。若能使用高轉(zhuǎn)速高成本效益的石墨電極專用加工機(jī)床則更佳。 應(yīng)該說，同手工研銑石墨(一種非常規(guī)的加工方式)不同，用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)三維成型的直接用高速 銑床加工石墨電極己扮演著越來越重要的角色。加工石墨時(shí)銑床的轉(zhuǎn)速是由計(jì)算機(jī)控制的而非材料本身。但走行速度也可按電極的幾何形狀進(jìn)行調(diào)整，通常為10 mmin，同加工鋁或塑料相類似。 圖2 是切削刀具的幾何參數(shù)，在圖2 中，我們特別標(biāo)出影響石墨切削的刀具的角度和表面。決定刀具壽命的因素是使用期間在斜面上所造成的磨損寬度VB，平均磨損寬度達(dá)到0.2 mm 的時(shí)候，此刀具視同被磨損報(bào)廢。刀具的前角大小也影響其壽命。前角0 的刀具會比前角15 的刀具高出多達(dá)50的壽命，切削的穩(wěn)定性也較佳。但是斜角越大，加工表面越佳；使用15 斜角的刀具能達(dá)到最佳的加工表面。 圖2 影響石墨加工的刀具參數(shù) 使用者可選擇許多不同的刀具材料，最常用于石墨機(jī)械加工的刀具材料包括：高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷多晶鉆石刀具等，見圖3。值得注意的是多晶鉆石的壽命最長。在某些情況下，當(dāng)然金屬陶瓷、高速鋼和硬質(zhì)合金也能符合成本效益。 高速研銑定義在速度500 mmin 以上，高速研銑有下列優(yōu)點(diǎn)：電極生產(chǎn)時(shí)間大幅減少；可輕易制作復(fù)雜形體的電極；電極表面品質(zhì)極佳。盡管切削速度的增加會減少刀具的壽命，卻能使銑刀切削量更高。一般而言，加工速度愈快電極表面愈佳。由圖4 可看出，若每一齒的進(jìn)刀率增加，而刀具的壽命也只能增加一點(diǎn)點(diǎn)而己，但值得注意的是切削量的增加。我們特別推薦粗加工要以高進(jìn)刀率來進(jìn)行，至于精加工，因要達(dá)到表面精細(xì)的效果，才使用低進(jìn)刀速率。 材質(zhì)：R8500 每齒進(jìn)刀率：0.04mm 圖4 不同進(jìn)刀率下的刀具壽命 切削深度：2.0mm 切削速度：1000m/min 與超過壽命后的切削量 圖3 不同材質(zhì)的刀具壽命的比較 要加工出優(yōu)良的模具表面不僅要注意切削條件，也要選擇適當(dāng)?shù)碾姌O材質(zhì)加以配合，一般而言使用愈細(xì)粒度的石墨能達(dá)到愈佳的效果。石墨電極加工時(shí)，我們建議采用如下的數(shù)據(jù)來加工： 切削參數(shù)粗加工精加工 切削速度vc/(m/min) 5001000 1000 每齒進(jìn)給量fz /mm 0.10.5 0.1 刀具前角g /() 0 1015 石墨最適合用來加工薄且深長的薄條，以高速銑床來制作甚至可做出0.1mm 的薄條。 銑床加工時(shí)，建議使用圖5 的第二種方式加工，因第二種方式加工可順利把粉塵清除。 Vf Vf 第一種方式1 第二種方式2 圖5 石墨銑削的兩種方式 成型研銑技術(shù)是專為制造石墨電極而開發(fā)的，用塑料或鋼材制造的研銑刀具其加工起始點(diǎn)是一模型。在一定條件下，使用這種方法能既快又省地制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電極。塑料研銑刀具是由人造樹脂和剛玉混合制造的陽模鑄造而成。為保持其形狀，研銑刀具被固定在一塊板上，固化之后，其工作面須銳化。制作鋼制研銑刀具時(shí)，應(yīng)先制作一基礎(chǔ)電極，然后用此電極去腐蝕鋼制研銑刀具，直至其工作面的粗糙度達(dá)到要求為止。鋼制研銑刀具的特點(diǎn)是使用壽命長。若要同時(shí)加工幾個(gè)特定的電極或電極需被安裝若干次，此時(shí)用成型研銑的方法加工就顯得尤為經(jīng)濟(jì)。從節(jié)省時(shí)間的角度講，成型研銑的加工方法可同仿形銑相媲美。 如圖6 就是一個(gè)用石墨電極成型研銑后的曲軸模。 對于石墨加工過程中產(chǎn)生的飛揚(yáng)的粉塵，無論是從環(huán)保還是人身健康方面來說都是必須解決的問題。此處可采用相對簡單的方式達(dá)到有效吸塵的目的。例如可用高效吸塵器，水噴灑濕加工或水罩式加工的方式解決加工石墨時(shí)所產(chǎn)生的粉塵。 圖6 石墨電極成型研銑后的曲軸模在干式機(jī)加工時(shí)，粉塵可直接對著加工的電極抽出，如圖7 所示，由于有隔板的阻擋，粉塵不 3電火花石墨電極的特性研究及應(yīng)用 會四處擴(kuò)散。有效的吸塵裝置應(yīng)至少能產(chǎn)生300 mm 水柱的真空度或18 ms 的氣流速度。在濕法加工中，粉塵被完全包圍在加工源的位置。一種有趣的解決辦法是在銑加工時(shí)用一種“水 罩去塵裝置”，見圖8。銑床上環(huán)行的噴嘴噴出水幕罩住整個(gè)加工區(qū)，但操作者仍能看清里面。這套粉塵控制系統(tǒng)是可移動的，它能連接到不同的設(shè)備上。加工下來的屑料可用另外的桶進(jìn)行收集。 圖7 干式加工中的吸塵裝置圖8 濕法加工中的水罩去塵裝置 和所有的導(dǎo)電材料一樣，石墨也可用放電切割來加工，粗粒度石墨切割較費(fèi)力，密度高粒度細(xì) 比較容易線切割。石墨線切割速度比銅慢約40，電極的高度可根據(jù)較低的消耗率降低。 石墨可被粘結(jié)。用氰基丙烯酸鹽類強(qiáng)粘結(jié)劑可將較小橫截面的石墨粘結(jié)起來。這種低粘度粘結(jié)劑在粘結(jié)面形成的薄膜不會對電極的導(dǎo)電產(chǎn)生阻礙。因此也可用電極的粘結(jié)面作為工作面，而不需連接額外的電極。對于大截面電極的粘結(jié)，可選用兩種樹脂混合而成的粘結(jié)劑，它們較氰基丙烯酸鹽類粘結(jié)劑具有更長的放電加工時(shí)間。由于有絕緣效應(yīng)，故水平粘結(jié)的電極要有電橋，如可用石墨鞘釘產(chǎn)生電橋。 石墨的放電加工性能 使用石墨時(shí)，最大的材料去除率和最小的電極消耗率會因不同的電頻率而有不同的結(jié)果，所以在放電加工時(shí)，決定是要以高材料去除率或低電極消耗來進(jìn)行加工是很重要的。材料的去除率、電極消耗率、脈沖持續(xù)時(shí)間和安培數(shù)的關(guān)系，表示在圖9、圖10 中。精加工的作業(yè)中，為求精確，應(yīng)使用電極消耗最少的系數(shù)，也應(yīng)使用所想要的表面精細(xì)相關(guān)脈動系數(shù)。石墨的表現(xiàn)無法只憑物理及機(jī)械特性來決定。所使用的原料、生產(chǎn)過程與材料的結(jié)構(gòu)等，都會影響去除率、電極消耗及表面精度?？偟恼f來，生產(chǎn)石墨電極的粉料粒度越細(xì)，其電極損耗越小，工件表面加工質(zhì)量越好，但同時(shí)加工材料的去除率也隨之降低。 因此，在計(jì)劃階段選擇最合適電極尤為重要，應(yīng)考慮以下因素：凹槽的數(shù)目與深度；電極的制作時(shí)間與成本；電極的形體；加工機(jī)的系統(tǒng)；希望達(dá)到的表面粗糙度；希望達(dá)到的精確度。 圖9 石墨的電腐蝕特性圖10 銅的電腐蝕特性 另外，在所有電火花加工中，充足的沖洗是很重要的。在使用石墨電極時(shí)，要記住磨損顆粒可能會因重量特別輕而懸浮在放電液中，所以必須特別注意沖洗和過濾。放電液的流動率是影響有效沖洗的重要因素，而不是沖洗壓力。液體加壓沖洗法是最常使用的方法，因?yàn)槿コ念w粒必須沿著電極表面放電，精確度將取決于 側(cè)面的腐蝕，見圖11。吸力沖洗法是較受推崇的方法，會使表面粗糙度與精度更佳，但必須