電火花加工是模具制造行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)工業(yè)技術(shù),它在模具型腔的制造過(guò)程中始終發(fā)揮著極其重要的作用。為了保證模具的高質(zhì)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(tǒng)銅電極進(jìn)行電火花放電加工的同時(shí)不得不開(kāi)始考慮一些技改的新趨勢(shì):在競(jìng)爭(zhēng)激烈的模具制造行業(yè)中,生產(chǎn)率是確保生產(chǎn)成本具有競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵,要有效的提高生產(chǎn)的效率,新材料新技術(shù)的運(yùn)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(wěn)定物理特性而逐漸成為電火花放電加工電極材料的未來(lái)趨勢(shì)。本文著重研究了以下幾個(gè)問(wèn)題:使用石墨電極對(duì)比傳統(tǒng)銅電極有何優(yōu)勢(shì);如何選擇石墨材料;石墨加工對(duì)刀具的要求;如何加工石墨電極。
1 使用石墨電極對(duì)比傳統(tǒng)銅電極有何優(yōu)勢(shì)
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。可加工性: 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(shí)速度是銅的 3 ~ 5 倍。石墨可用于加工形狀復(fù)雜、表面要求較高的電極。由于其強(qiáng)度很高, 對(duì)于超高(50 ~ 90mm)、超薄(0.2~ 0.5mm)的電極加工時(shí)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(shí)候,產(chǎn)品都需要有很好的紋面效果,這就要求在做電極時(shí)盡量做成整體電極,而整體電極制作時(shí)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(wú)法做到。損耗率: 石墨的熔點(diǎn)為3850±50℃,沸點(diǎn)為 4250℃,即使經(jīng)超高溫電弧灼燒, 重量的損失很小,熱膨脹系數(shù)也很小。石墨度隨溫度提高而加強(qiáng),在 2000℃時(shí),石墨強(qiáng)度提高一倍。由于石墨在高溫下強(qiáng)度而增強(qiáng),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(zhì)量。表面光潔度: 在合理的加工參數(shù)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(dǎo)電性,且其放電時(shí)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(diǎn)我們可以得出結(jié)論,使用石墨電極比傳統(tǒng)銅電極更能提高電火花加工的生產(chǎn)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(jí)可分為:特微 <1μ;極細(xì) 1~5μ;超細(xì) 6~10μ;精細(xì) 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(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度也就越好。同一級(jí)別的石墨中,密度越大, 電阻率越低,導(dǎo)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(shí),使用的石墨電阻太高,那么將會(huì)導(dǎo)致電極過(guò)熱而產(chǎn)生過(guò)切現(xiàn)象。通常我們使用的石墨等級(jí)為特微、極細(xì)、超細(xì)、精細(xì)四種,對(duì)應(yīng)適用的范圍如下:特微——用于極好表面光潔度和復(fù)雜形狀電極。極細(xì)——用于對(duì)電極硬度、損耗及加工光潔度都有較高要求的場(chǎng)合。超細(xì)——用于大型模具和對(duì)光潔度要求高的場(chǎng)合。精細(xì)——用于用于大型模具和對(duì)光潔度要求不高的場(chǎng)合。
3 石墨加工對(duì)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(qiáng)度以免在操作和 EDM 加工過(guò)程中受到破壞,同時(shí)電極形狀 ( 薄壁、小圓角、銳變 ) 等也對(duì)石墨電極的顆粒尺寸和強(qiáng)度提出較高的要求,導(dǎo)致在加工過(guò)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(wèn)題。磨損量不僅影響刀具損耗費(fèi)用、加工時(shí)間、加工質(zhì)量,而且影響電極 EDM 加工工件材料的表面質(zhì)量,是優(yōu)化高速加工的重要參數(shù)。因此,在選擇加工石墨的刀具時(shí),我們優(yōu)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(zhì)合金刀具都可用于加工石墨。在各類(lèi)硬質(zhì)合金刀具中,金剛石涂層刀具的硬度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)低,是現(xiàn)階段石墨加工刀具的最佳選擇。金剛石涂層的硬質(zhì)合金刀具綜合了金剛石的硬度和硬質(zhì)合金的強(qiáng)度及斷裂韌性,使得其在加工石墨時(shí)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(jià)格很高,通常我們也會(huì)使用 TIN 涂層刀具加工石墨。TIN 涂層刀具價(jià)格比金剛石涂層刀具便宜一半以上,對(duì)于加工時(shí)間不是太長(zhǎng), 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(dǎo)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(lái)加工石墨。在石墨加工中,刀具對(duì)加工的質(zhì)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(guān)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(zhì)量好壞的重要因素。石墨在粗加工時(shí)可使用大的切削深度,在配合高的轉(zhuǎn)速情況下可使用相應(yīng)的大進(jìn)給量。精加工時(shí)為避免崩角、碎裂的發(fā)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(fā)生崩碎,還會(huì)獲得較好的側(cè)壁表面質(zhì)量。石墨加工的刀路應(yīng)盡可能選擇順銑。順銑時(shí)的刀具切入厚度從最大減小到零,刀具切入工件后不會(huì)出現(xiàn)因切不下切屑而造成的彈刀現(xiàn)象,工藝系統(tǒng)的剛性好,切削振動(dòng)小。石墨加工時(shí)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(shí)清理工件表面的石墨粉塵, 有利于減小刀具二次磨損,延長(zhǎng)刀具的使用壽命,減少石墨粉塵對(duì)機(jī)床絲杠和導(dǎo)軌的影響。在加工高骨位電極時(shí),我們應(yīng)盡可能在電極底部設(shè)計(jì) R 角,這樣可以增加骨位的強(qiáng)度,便于銑削加工和 EDM 加工。骨位電極粗加工時(shí)我們要留有足夠的余量(一般為 1mm 以上), 精加工時(shí)最好使用 TIN 涂層刀具(因?yàn)?TIN 涂層較金剛石涂層薄,相對(duì)而言刀具較鋒利,切削時(shí)力較小)。讓我們通過(guò)下面的實(shí)例來(lái)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(jī)加工和電火花加工時(shí)極易發(fā)生折斷和變形,因此我們必須挑選具有極高的強(qiáng)度、極強(qiáng)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(guó) POCO 公司生產(chǎn)的 EDM-3 極細(xì)石墨。為了降低石墨的脆性,加工前已將石墨放入火花油內(nèi)浸泡數(shù)小時(shí)。整個(gè)電極采用 POWERMILL 軟件編程, 選用山高的刀具加工。加工機(jī)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(cè)面-精加工長(zhǎng)邊側(cè)面。
(1)整體粗加工。采用直徑 12.0mm 的平底刀, 用等高策略對(duì)石墨進(jìn)行整體開(kāi)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(duì)薄片骨位電極我們都會(huì)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(shí)一定要先加工好頂部的弧面或斜面,才可以加工零件的側(cè)面。因?yàn)閭?cè)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(shí)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(lái)加工此斜面。現(xiàn)在我們使用直徑 4.0mm 的平底刀對(duì)斜面精加工。
(3)精加工短邊側(cè)面。采用直徑 4.0mm 的平底刀, 用等高策略計(jì)算加工邊界精加工短邊側(cè)面。因?yàn)榫庸さ亩踢厒?cè)面對(duì)于零件來(lái)說(shuō)是較厚的一邊,先加工完后不會(huì)讓電極變薄。
(4)精加工長(zhǎng)邊側(cè)面。采用直徑 4.0mm 的平底刀, 用等高策略計(jì)算加工邊界精加工長(zhǎng)邊側(cè)面。因?yàn)榫庸らL(zhǎng)邊側(cè)面會(huì)使零件變得很薄,所以放在最后的工序加工。應(yīng)將長(zhǎng)邊和短邊分開(kāi)加工,因?yàn)槿绻麑烧咭黄鸺庸ぃ?在轉(zhuǎn)角處刀路方向改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生徑向力壓迫石墨引起振動(dòng)從而導(dǎo)致電極折斷。圖 1 所示刀路即為串聯(lián)后的電極精加工刀路。
5 結(jié)語(yǔ)
本文從石墨電極對(duì)比傳統(tǒng)銅電極的優(yōu)勢(shì)、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(duì)石墨的加工工藝進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,對(duì)石墨加工的方法和刀具的選擇有了簡(jiǎn)單的介紹,其中大部分內(nèi)容為日常工作中經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。在模具工業(yè)越來(lái)越發(fā)達(dá)的今天, 電火花加工特別是用石墨作為電極進(jìn)行各種復(fù)雜型腔的精密加工將越來(lái)越廣泛,其涉及到石墨電極加工的不同加工經(jīng)驗(yàn)、參數(shù)和知識(shí)在不斷更新,不斷變化,需持續(xù)不懈的努力和探索。
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