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        模具電加工創新革命:石墨火花機加工在模具制造中的應用

        2020-09-24

        1.引言

               在20世紀,銅作為電極材料在電火花加工中被廣泛使用。那時只有在制作大型電極且模具加工要求不高或粗加工時,石墨材料才會成為備選考慮。一些早期接觸過石墨電極的技術人員曾有普遍印象:石墨材料臟、易掉渣、表面效果不好、加工效率不高等等。

          隨著尖端技術的發展,石墨材料的制造工藝得到改善,能夠滿足多種火花加工需求的石墨材料層出不窮,市場上出現了石墨高速銑床,數字火花加工機的石墨放電性能也全面提高。今天,在制造技術領先的歐洲,90%以上的模具企業的電極材料采用石墨。航空航天、汽車、家電、電子等模具廣泛使用石墨作為電極材料,這種明顯的變化是因為石墨電極具有高效率、高質量的加工等諸多優點。但是在中國,目前大部分模具企業都以銅為主要電極材料。根據石墨材料的特點,綜合分析石墨火花機加工的優點和缺點,正確選擇石墨材料、電極制作及放電加工的要點,并提供實際應用實例。

          石墨材料的電火花加工特性

          2.1放電處理速度

          石墨是非金屬材料,熔點非常高,達到3 650,銅的熔點為1083,因此石墨電極可以承受更大的電流設定條件。放電面積和電極大小的比例越大,石墨材料高效粗加工的優越性就越突出。石墨的導熱系數是銅的三分之一,放電過程中產生的熱量對去除金屬材料更有效,因此在中間整理時處理效率比銅電極高。加工經驗表明,在正確的使用條件下,石墨電極的放電處理速度比整個銅電極快1.5~2倍。

          2.2電極損耗

          石墨電極具有經受高電流條件的特性,在適當的粗加工設定條件下,含碳的鋼工件在加工時產生的腐蝕物和工作液是高溫下產生的分解物的碳粒子。在極性效應的作用下,一些腐蝕物、碳粒子附著在電極表面,形成保護層,使石墨電極在粗加工中幾乎不會丟失。甚至是“0”。電火花加工的主要電極損耗來自粗加工。精加工設定條件雖然減幅高,但零件預約處理余量不多,加工腐蝕量少,整體損失量也少??偟膩碚f,石墨電極在高電流粗加工中的損耗比銅電極少,在精加工中的損耗可能比銅電極稍大,兩個電極的損耗相似。

          2.3表面質量

          石墨材料的粒子直徑直接影響火花加工的表面粗糙度,直徑越小,表面粗糙度值越低。幾年前使用粒子直徑5 m石墨材料時,火花加工的最佳表面只有VDI18(Ra0.8 m),目前石墨材料的粒子直徑已經可以達到3 m以內,火花加工的最佳表面可以穩定達到VDI12(Ra0.4 m)或更細的等級,但石墨電極無法進行鏡面火花加工銅材料電阻率低,組織結構緊密,火花整理容易獲得穩定的加工狀態,在困難條件下也能穩定加工,表面粗糙度可小于Ra0.1 m,可進行反射火花加工。如果放電加工追求非常精細的表面,可以看出銅材料作為電極更合適。這是銅電極比石墨電極的主要優點。但是銅電極在高電流設定條件下,電極表面容易粗糙或出現裂紋。石墨材料沒有這種問題。表面粗糙度要求為VDI26(Ra2.0 m),且石墨和銅組織結構不同,因此石墨電極表面放電的腐蝕點比銅電極有規律,因此,加工VDI20以上的表面粗糙度時,用石墨電極加工的工件的表面顆粒度更明顯。這種花紋面效果優于銅電極的放電表面效果。2.4加工精度

          石墨材料的熱膨脹系數較小,銅材料的熱膨脹系數是石墨材料的4倍,因此放電加工中銅電極比石墨電極不容易變形,從而獲得更穩定可靠的加工精度。特別是加工深窄筋部位時,局部高溫與石墨電極不同,容易彎曲銅電極。對于心境較大的銅電極,加工設置時需要補償特定熱膨脹值來修改尺寸,但不需要石墨電極。

          2.5電極重量

          石墨材料比銅密度低,相同體積的石墨電極重量僅為銅電極的五分之一。能看到的體積大的電極使用石墨材料非常合適。大大減輕火花加工機械主軸的負載,電極重量大,不會造成夾緊不便或加工中的偏轉位移等問題??梢娫诖笮湍>呒庸ぶ惺褂檬姌O是有意義的。

          2.6電極制作的困難

          石墨材料的加工性能優異,切削阻力僅為銅的1/4,在正確的加工條件下銑削石墨電極是銅電極的2~3倍。石墨電極容易清除角度,平時需要用多個電極完成的工件可以設計成一個完整的電極來加工。石墨材料獨特的粒子組織結構,電極銑削成型后不會發生毛刺,對復雜造型的毛刺去除不容易,可以直接滿足使用要求,消除手動研磨電極的工藝,避免拋光引起的形狀變化、尺寸誤差等。石墨是灰塵沉積物,所以銑削石墨時會產生很多灰塵,所以銑床必須有密封和真空裝置。如果需要用電火花線切割加工石墨電極,其加工性能不如銅材料,切割速度比銅慢約40%。

          2.7石墨火花機加工公司介紹電極的安裝和使用

          石墨材料的粘合性好,可以使用挑戰粘合劑將石墨用夾具粘合在一起的方法銑削電極和放電加工,省去在電極材料上加工螺紋孔的工藝,節省工作時間。石墨材料比較脆,特別是小而窄的電極在使用中受到外力作用時容易斷裂,但可以立即看出電極受損。如果是銅電極,它只會彎曲,不會斷裂。這種情況在使用過程中非常危險,難以發現,工件容易報廢。

          2.8價格

          銅材料是不可再生資源,價格趨勢越來越貴,石墨材料價格趨于穩定。近年來,銅材料價格不斷上漲,各大石墨制造商不斷改善制造石墨的工藝,具有性價比優勢。目前,各向同性石墨材料的價格低于銅材料,在相同體積下,通用性石墨電極材料的價格比銅電極材料的價格低30%,相當于以普通銅材料的價格獲得高質量的微細石墨材料。綜上所述,石墨電極的8種電火花加工特性中,優點是銑削電極和放電加工效率均優于銅電極,大電極重量小,尺寸穩定性好,薄片電極不易變形,表面紋理優于銅,價格低廉。石墨材料的缺點是不適合VDI12(Ra0.4 m以下的微表面放電加工,使用火花線切割制作電極效率低。但是從實際角度來看,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特殊的石墨加工機。這對模具企業的加工設備提出了新的要求,部分中小企業可能不具備這個條件??偟膩碚f,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所,值得廣泛應用,長期可見,精密表面加工的不足可以用銅電極彌補。

          電火花加工用石墨電極材料的選擇

          對于石墨材料,主要由以下四個指標直接決定材料的使用性能:

          (1)材料的平均粒子直徑。材料的平均粒子直徑直接影響材料放電狀態。石墨材料的平均粒子越小,材料放電越均勻,放電狀態越穩定,表面質量越好,損失情況越小。平均粒子越大,粗加工中去除率越好,但由于光潔度表面效果不好,電極損失較大。

          (2)材料的抗折強度。材料的折疊強度是材料強度的直接表現,顯示了材料內部結構的堅固性。強度高的材料放電抗損失性能相對較好,精度高的電極可以選擇強度好的材料。

          (3)材料的肖爾硬度。石墨的硬度高于金屬材料,切削時刀具的損失大于切削金屬。與此同時,硬度高的石墨材料在放電損失方面控制較好。

          (4)材料的固有電阻率。固有電阻率較大的石墨材料,放電速度小于電阻率。固有電阻率越高,電極損耗越小,但固有電阻率越高,放電穩定性就會受到影響。

          目前世界著名石墨供應商中,不同供應商可以選擇不同等級的石墨。通常根據石墨材料的平均粒子直徑分類。粒子直徑 4  m被定義為微石墨,粒子被定義為5 ~  10 m到中間石墨,粒子被定義為10 m以上的粗石墨。粒子直徑越小,材料的價格越貴,根據火花加工要求和成本,可以選擇合適的石墨材料。

          石墨電極的制備

          模具制造的石墨電極主要用銑削加工方法制作。從加工工藝的角度來看,石墨和銅是兩種不同的材料,因此要掌握不同的切削特性。使用加工銅電極的工藝加工石墨電極會導致薄片經常斷裂等問題。這需要適當的切削刀具和切削參數。加工石墨電極比銅電極的刀具磨損大,考慮經濟性,選擇硬質合金刀具最經濟,選擇金剛石涂層刀具(稱為石墨刀)比較貴,但金剛石涂層刀具壽命長,加工精度高,整體經濟效益好。刀具的前角大小也會影響使用壽命。前角為0的刀具的使用壽命比前角為15的刀具高50%,切削的穩定性也很好。但是,坡度越大,加工表面越好,使用15平方角的刀具可以獲得最佳加工表面。加工時,刀路速度可根據電極形狀(通常為10米/min)進行調整,類似于鋁或塑料加工。粗加工時,刀具可以直接在工件上上下刀,精加工時常用崩潰角度、易碎、輕刀快速行進的方式。石墨電極在切削加工中產生大量灰塵,為了防止石墨粒子被機器主軸和螺桿吸入,目前的解決方案主要有兩種,一種是使用專用石墨加工機,另一種是改造普通加工中心,放置專用真空吸塵器。市面上專業黑膏速銑床銑削效率高,容易制造復雜電極,電極精度高,表面質量好。

          如果需要使用電火花線切割制作石墨電極,建議使用粒子直徑較小的微石墨材料。石墨材料的電火花線切割性能不好,顆粒直徑越小,切割效率就越高,可以避免頻繁的單絲、表面條紋等異常問題。

          石墨電極電火花機加工參數

          石墨和銅材料火花加工參數的選擇有很大的差異?;鸹庸抵饕娏?、脈寬、脈沖間隔、極性。以下是合理使用這些主要參數的依據。

          石墨電極的電流密度一般為10~12 A/cm2,遠遠大于銅電極,因此在該面積允許的電流大小范圍內,電流選擇越大,石墨放電處理速度越快,電極損失越小,但表面粗糙度越粗糙。

          脈寬選擇越大,電極損耗越小。但是,如果脈沖寬度較大,加工穩定性就會下降,處理速度會減慢,表面也會變得粗糙。粗加工時,為了保證電極的低損耗,一般使用較大的脈寬,能夠在100 ~ 300US處有效地進行石墨電極的低損耗加工。收尾時,為了獲得精確的表面和穩定的放電效果,建議使用較小的脈沖寬度。普通石墨電極比銅電極加工時選擇的脈沖寬度減少了約40%

          脈沖間隙主要影響放電加工速度和加工穩定性,值越大,加工穩定性越好,表面均勻性提高,但加工速度下降。加工穩定時,使用小脈沖間隙可提高處理效率,但放電狀態不穩定時,脈沖間隙選擇較大可提高處理效率。石墨電極放電加工中,通常將脈沖間距和脈寬設置為133601,而銅電極加工中,脈沖間距和脈寬設置為133603。石墨加工穩定時,可以將脈寬的脈沖間隔調整為233603。脈沖間隔小時,有助于在電極表面形成覆蓋層,有助于減少電極損耗。

          石墨電極電火花加工的極性選擇與銅電極基本相同。根據火花加工的極性效果,加工模具鋼時通常使用雙極加工,即電極連接電源的陽極,工件連接電源的陰極。如果使用較大的電流和脈沖寬度選擇陽極加工,可以達到非常低的電極損耗效果,如果極性選擇錯誤,電極損耗可能會非常大。只有在表面要求小于VDI18(Ra0.8m)的微加工和使用非常小的脈沖寬度的情況下,才能使用陰極加工獲得更好的表面質量,但電極損失很大。目前,數控電火花機床配有石墨放電加工參數。電氣參數的使用是智能的,可以通過機床的專家系統自動生成。通常,在編程時,您可以選擇材料對、應用類型、表面粗糙度值,輸入加工面積、加工深度、電極尺寸縮放等,以配置機床的優化加工參數。機械擁有石墨電極放電加工的豐富加工參數庫,材料類型可選擇石墨、中石墨、細石墨,應用類型可細分為標準、深槽、尖點、大面積、大腔、細粒等,還提供低損耗、標準、高效等多種加工優先選項。

          石墨電極加工應用實例

          手機模具零件的材料S136鋼材,加工形狀包括形狀復雜的強化材料。使用石墨電極,精加工電極使用TTK-4石墨,電極數為2個,粗電極尺寸倍率單方面為0.08毫米,精加工電極尺寸倍率單方面為0.08毫米。粗加工時間3H,精加工時間53分鐘,表面粗糙度VDI18(Ra  0.8m)。加工說明:利用石墨的特性,制作不同形狀,將不同高度的大量薄強化材料組合在一個電極上進行放電加工,可以減少電極原材料、夾具的投入成本,減少電極的夾緊次數和位置工作量,放電時間比使用銅電極加工減少40%。

          7.結束語

          新型石墨電極材料值得大力推廣,其優越性將逐漸被國內模具制造業認識和接受。正確選擇石墨電極材料,改善相關工藝流程,可以為模具制造企業提供高效、高質量、低成本的效率。

               感謝大家耐心看完,如果想要更多關于石墨火花機的相關知識,歡迎聯系我們!


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