石墨材质对电火花加工工艺效果的影响


许多客户在选购石墨材质时除了价格外往往会问这样的问题:“这种石墨放电面最高能达到多少粗糙度?”当然  ,单纯作为一个问题无可厚非  ,但要确切回答这个问题是缺乏前提条件的 。因为对于这个问题来说  ,相比之下  ,放电加工设备本身的性能技术指标要重要的多 。另外  ,在电火花放电工艺特点方面还存在一个加工面积与表面粗糙度关系的问题  ,即在放电条件不变的条件下  ,通常情况下加工面积越大  ,要达到一个好的粗糙度要求越难 。因此  ,要回答这样的问题绝不是一个简单的评判问题 。当然  ,在绝大多数条件确定的加工场合下  ,不同品质石墨的放电加工表现还是可以作一评判的 。表 1 为采用东洋炭素提供的不同等级的电加工专用石墨在相同的放电条件下加工出来的纹面效果 。
表 1 不同等级石墨材质的放电效果测试实验
由于条件最终设定值为 4μmRy  ,所以  ,再好的材料  ,也只能达到该粗糙度左右的品质  ,实际上通过追加更微细的放电条件  , TTK-4、TTK-8 品种的石墨材料可以达到更好的粗糙度标准  ,如表 1 所示的加工面积  ,TTK-8 放电面的最佳粗糙度值可达 2μRy 左右 。但对于颗粒度较粗的石墨品种  , 即使使用细微的放电条件  ,仍不能达到该条件应能达到的粗糙度效果 。
除了放电面的粗糙度指标外  ,电极的耐损耗特性对于选材来说也是非常重要的 。精密模具的加工  ,尺寸及形状要求特别高  ,而这主要取决于电极的精度  ,若在加工过程中  ,电极损耗严重  ,想要加工出高精度的模具几乎是不可能的 。而对于目前放电加工这种加工方式来说  ,要电极完全没有损耗似乎也是不可能的  ,这就要求多支电极进行精度修整  ,最终做到符合被加工模具的质量及精度要求 。通常  ,石墨材料的耐损特性和制造该石墨所采用的原料性质及制造工艺有密切关系  ,而对于确定特性的石墨材质来说  ,其爱游戏(ayx)蚀性能和所使用的脉冲条件又有很大的关系  ,在峰值电流一定的条件下  ,石墨电极的损耗与脉宽之间的关系和其他金属材料相似  ,随着脉宽的减小  ,电极损耗是逐渐增大的;在实施大电流、大脉宽的粗加工条件下  ,等级高的石墨品种和普通石墨品种在耐损耗特性上的差距并不大  ,随着脉冲能量的逐渐降低  ,脉宽的逐渐减小  ,不同档次的石墨耐损特性差距逐渐显现出来  ,图 1  为不同档次的石墨品种与脉宽之间的大致关系曲线 。
表 2 记录的实验数据是在三菱 EA-12D 型电火花专用设备上采用固定加工参数对东洋炭素部份不同级别的电加工专用石墨进行的加工效率和电极损耗性能指标的测试得到的加工效率和电极损耗的关系曲线  ,供大家选材时参考 。为了图表数据明朗  ,这里采用了损耗相对较大的有损放电参数  ,以突出不同材料间的对比性 。
实验条件如下:工件材料 NAK80;放电面积 20 mm×20mm;放电回路 TP(石墨——钢);加工深度 20mm 。
表 2 不同型号石墨的放电试验
电极材料在放电过程中的损耗大小受很多因素影响  ,在同一台机床、相同加工参数的条件下  , 用不同特性的石墨材料对同一种被加工材料上进行放电损耗测试  ,比较的是不同特性电极材料的损耗特性  ,这是材料间的相对比较;如果用不同的加工参数对工件实施放电  ,即使是同一款电极材料  , 电极所产生的损耗也是有很大差异的  ,对于石墨来说  ,小能量的放电条件所产生的电极损耗远大于大能量的加工条件 。由于加工条件对电极损耗有很大的关系  ,因此依据加工条件对电极损耗的影响程度可以分为无损加工条件、微损加工条件和有损加工条件等几项 。无损加工条件一般是指电器损耗在 0.5%以下的加工条件  ,一般为粗加工条件  ,微损加工条件指的是 0.5~2%左右的放电加工条件  ,而大于 2%以上的加工条件则被称为有损加工条件 。需要指出的是  ,不同形状的电极  ,即使使用相同的放电参数  ,实际发生的损耗有可能是不同的  ,如薄片状的或放电面积很小的电极在实施放电加工时  ,端面损耗较放电面积较大的电极要大 。不能简单认为有损耗的加工条件是不好的加工条件  ,实际上加工粗糙度要求非常高的精细纹面及微细精密型腔的加工所采用的微细放电条件都为电极损耗很大的有损加工条件  ,另外加工不少有色金属所采用的加工条件大多也为有损加工条件  ,加工深窄槽形腔时  ,为了提高加工效率  ,其加工策略往往也是使用损耗较大的有损加工条件 。
专业电加工设备制造厂商  ,在提供给客户加工设备的同时  ,还会向客户提供完整的加工参数使用说明  ,在说明中或以图表形式或以文字形式标注出所用加工参数的大致损耗程度  ,以便客户正确选用加工条件 。表 3 为 MAKINO 电火花成形加工机所提供的其中第 38 号加工模型表 。其中电极损耗一栏即为在该放电规准条件下的大致电极损耗百分比 。



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当然  ,也可以根据经验来确定采用哪些石墨电极材料来加工所需模具 。以加强筋(骨位)电极为例  ,厚度>2mm 可以采用 ISEM-8 及相等级别材质;厚度在 1~2mm 之间  ,可考虑使用 ISO-63 及相等品质材质;而厚度<1mm 则建议采用 TTK-4 以上品质石墨 。上述建议是基于电加工的电极损耗及电极的制作等两方面角度加以考量 。厚度大于 2mm 的加强筋电极  ,往往可以留有较大的放电间隙  ,即电极的缩小量可以做到 0.15~0.2mm/side  ,相对此放电间隙的放电规准损耗都比较小  ,甚至可做到无损耗加工  ,一定程度上弥补了较低档次电极材料易损耗的缺陷 。厚度在 1~2mm 的电极  ,一般电极缩小量为 0.1~0.15mm/side  ,缩小量较小时  ,所用的加工参数的损耗特性有所上升  , 需要电极材料本身的耐损特性加以弥补  ,而厚度在 1mm 以下的电极  ,其单面缩小量往往在 0.1mm 以下  ,对应这种间隙的放电参数损耗会很大  ,可能超过 5%(视放电间隙而定)  ,这就要求电极材质本身的耐蚀性强  ,以减少损耗 。需要说明的是  ,电火花加工设备说明书中所列出的某条件的损耗值仅是在特定条件下作出的实验值  ,并不是确定值  ,不同的电极材料或工件材料  ,即使采用相同的放电参数进行加工  ,其电极的损耗状况也是不同的  ,特别是石墨材质 。就耐蚀特性来说  ,高档石墨材质性能往往数倍优于低端石墨  ,特别在电极细节处的表现 。
对于那些注重于型腔的细节部位及精密模具加工场合  ,则必须注重电极材料的耐损特性  ,由于加工中心加工的特点  ,预加工不到位的部位往往是模具型腔的一些细节部位  ,对于电火花加工来说也是加工余量最大的部位  ,比如说清角、加强筋型腔等 。由于此时一般不需要大能量的加工规准  , 电极的缩小量也不会很大  ,相对来说电极的损耗会大一些  ,特别是加工量比较大的部位的损耗  ,此时应考虑采用耐损特性好一些的中档石墨材质的电极进行粗加工  ,继而再采用中、高档石墨电极继续进行精加工  ,直至加工符合要求 。

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