電火花石墨模具

電火花石墨模具


　　一、什么是電火花加工：

　　電火花是一種自激放電，其特點如下：火花放電的兩個電極間在放電前具較高的電壓，當(dāng)兩電極接近時，其間介質(zhì)被擊穿后，隨即發(fā)生火花放電。伴隨擊穿過程，兩電極間的電阻急劇變小，兩極之間的電壓也隨之急劇變低。火花通道必須在維持暫短的時間（通常為10-7-10-3s）后及時熄滅，才可保持火花放電的“冷極”特性（即通道能量轉(zhuǎn)換的熱能來不及傳至電極縱深），使通道能量作用于極小范圍。通道能量的作用，可使電極局部被腐蝕。利用火花放電時產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象對材料進(jìn)行尺寸加工的方法，叫電火花加工。電火花加工是在較低的電壓范圍內(nèi)，在液體介質(zhì)中的火花放電。

　　二、電火花加工的特點：

　　電火花加工是與機(jī)械加工完全不同的一種新工藝。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，具有高熔點、高硬度、高強(qiáng)度、高脆性，高粘性和高純度等性能的新材料不斷出現(xiàn)。具有各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)與特殊工藝要求的工件越來越多，這就使得傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法不能加工或難于加工。因此，人們除了進(jìn)一步發(fā)展和完善機(jī)械加工法之外，還努力尋求新的加工方法。電火花加工法能夠適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，并在應(yīng)用中顯示出很多優(yōu)異性能，因此，得到了迅速發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用。電火花加工的特點如下：1.脈沖放電的能量密度高，便于加工用普通的機(jī)械加工方法難于加工或無法加工的特殊材料和復(fù)雜形狀的工件。不受材料硬度影響，不受熱處理狀況影響。2.脈沖放電持續(xù)時間極短，放電時產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)擴(kuò)散范圍小，材料受熱影響范圍小。3.加工時，工具電極與工件材料不接觸，兩者之間宏觀作用力極小。工具電極材料不需比工件材料硬，因此，工具電極制造容易。4.可以改革工件結(jié)構(gòu)，簡化加工工藝，提高工件使用壽命，降低工人勞動強(qiáng)度。基于上述特點，電火花加工的主要用途有以下幾項：1)制造沖模、塑料模、鍛模和壓鑄模。2)加工小孔、畸形孔以及在硬質(zhì)合金上加工螺紋螺孔。3)在金屬板材上切割出零件。4)加工窄縫。5)磨削平面和圓面。6)其它（如強(qiáng)化金屬表面，取出折斷的工具，在淬火件上穿孔，直接加工型面復(fù)雜的零件等）。

　　三、電火花加工機(jī)床的組成及作用：

　　從上面所談的情況可以看到，要實現(xiàn)電火花加工過程，機(jī)床必須具備三個要素，即：脈沖電源，機(jī)械部分和自動控制系統(tǒng)，工作液過濾與循環(huán)系統(tǒng)。（見圖一）。下面對這三要素的作用逐一加以簡單討論。1.脈沖電源加在放電間隙上的電壓必須是脈沖的，否則，放電將成為連續(xù)的電弧。所謂脈沖電源，實際就是一種電氣線路或裝置，它們能發(fā)出具有足夠能量的脈沖電壓來。2.機(jī)械部分和自動控制系統(tǒng)其作用是維持工具電極和工件之間有一適當(dāng)?shù)姆烹婇g隙，并在線調(diào)整。3.工作液凈化與循環(huán)系統(tǒng)工作液的作用是使能量集中，強(qiáng)化加工過程，帶走放電時所產(chǎn)生的熱量和電蝕產(chǎn)物。工作液系統(tǒng)包括工作液的儲存冷卻、循環(huán)及其調(diào)節(jié)與保護(hù)、過濾以及利用工作液強(qiáng)迫循環(huán)系統(tǒng)。上述三要素，有時也稱為電火花加工機(jī)床的三大件，它們組成了電火花加工機(jī)床這一統(tǒng)一體，以滿足加工工藝的要求。

　　四、實現(xiàn)電火花加工的條件：

　　實現(xiàn)電火花加工，應(yīng)具備如下條件：1.工具電極和工件電極之間必須維持合理的距離。在該距離范圍內(nèi)，既可以滿足脈沖電壓不斷擊穿介質(zhì)，產(chǎn)生火花放電，又可以適應(yīng)在火花通道熄滅后介質(zhì)消電離以及排出蝕除產(chǎn)物的要求。若兩電極距離過大，則脈沖電壓不能擊穿介質(zhì)、不能產(chǎn)生火花放電，若兩電極短路，則在兩電極間沒有脈沖能量消耗，也不可能實現(xiàn)電腐蝕加工。2.兩電極之間必須充入介質(zhì)。在進(jìn)行材料電火花尺寸加工時，兩極間為液體介質(zhì)（專用工作液或工業(yè)煤油）；在進(jìn)行材料電火花表面強(qiáng)化時，兩極間為氣體介質(zhì)。3.輸送到兩電極間的脈沖能量密度應(yīng)足夠大。在火花通道形成后，脈沖電壓變化不大，因此，通道的電流密度可以表征通道的能量密度。能量密度足夠大，才可以使被加工材料局部熔化或汽化，從而在被加工材料表面形成一個腐蝕痕（凹坑），實現(xiàn)電火花加工。因而，通道一般必須有105-106A/cm2電流密度。放電通道必須具有足夠大的峰值電流，通道才可以在脈沖期間得到維持。一般情況下，維持通道的峰值電流不小于2A。4.放電必須是短時間的脈沖放電。放電持續(xù)時間一般為10-7-10-3s。由于放電時間短，使放電時產(chǎn)生的熱能來不及在被加工材料內(nèi)部擴(kuò)散，從而把能量作用局限在很小范圍內(nèi)，保持火花放電的冷極特性。5.脈沖放電需重復(fù)多次進(jìn)行，并且多次脈沖放電在時間上和空間上是分散的。這里包含兩個方面的意義：其一時間上相鄰的兩個脈沖不在同一點上形成通道；其二，若在一定時間范圍內(nèi)脈沖放電集中發(fā)生在某一區(qū)域，則在另一段時間內(nèi)，脈沖放電應(yīng)轉(zhuǎn)移到另一區(qū)域。只有如此，才能避免積炭現(xiàn)象，進(jìn)而避免發(fā)生電弧和局部燒傷。6.脈沖放電后的電蝕產(chǎn)物能及時排放至放電間隙之外，使重復(fù)性放電順利進(jìn)行。在電火花加工的生產(chǎn)實際中，上述過程通過兩個途徑完成。一方面，火花放電以及電腐蝕過程本身具備將蝕除產(chǎn)物排離的固有特性；蝕除物以外的其余放電產(chǎn)物（如介質(zhì)的汽化物）亦可以促進(jìn)上述過程；另一方面，還必須利用一些人為的輔助工藝措施，例如工作液的循環(huán)過濾，加工中采用的沖、抽油措施等等。

　　五、極性效應(yīng)：

　　電火花加工時，相同材料兩電極的被腐蝕量是不同的。其中一個電極比另一個電極的蝕除量大，這種現(xiàn)象叫做極性效應(yīng)。如果兩電極材料不同，則極性效應(yīng)更加明顯。

　　六、覆蓋效應(yīng)：

　　在油類介質(zhì)中放電加工會分解出負(fù)極性的游離碳微粒，在合適的脈寬、脈間條件下將在放電的正極上覆蓋碳微粒，叫覆蓋效應(yīng)。利用覆蓋效應(yīng)可以降低電極損耗。注意負(fù)極性加工才有利做覆蓋效應(yīng)。

　　七、加工速度：

　　對于電火花成形機(jī)來說加工速度是指在單位時間內(nèi)，工件被蝕除的體積或重量。一般用體積表示。若在時間T內(nèi)，工件被蝕除的體積為V，則加工速度Vw為：Vw=V/t（mm3/min）對于線切割機(jī)來說，加工速度是指在單位時間內(nèi)，工件被切面積。即用mm2/min來表示。在規(guī)定表面粗糙度（如Ra=2.5μm），相對電極損耗（如1%）時的最大加工速度，是衡量電加工機(jī)床工藝性能的重要指標(biāo)。一般情況下，生產(chǎn)廠給出的是最大加工電流，在最佳加工狀態(tài)下所能達(dá)到的最高加工速度。因此，在實際加工時，由于被加工件尺寸與形狀的千變?nèi)f化，加工條件，排屑條件等與理想狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)，即使在粗加工時，加工速度也往往大大低于機(jī)床的最大加工速度指標(biāo)。

　　八、工具電極損耗：

　　在電火花成形加工中，工具電極損耗直接影響仿形精度，特別對于型腔加工，電極損耗這一工藝指標(biāo)較加工速度更為重要。電極損耗分為絕對損耗和相對損耗。絕對損耗最常用的是體積損耗Ve和長度損耗Veh二種方式，它們分別表示在單位時間內(nèi)，工具電極被蝕除的體積和長度。即Ve=V/t（mm3/min）Veh=H/t（mm/min）相對損耗——工具電極絕對損耗與工件加工速度的百分比。通常采用長度相對損耗比較直觀，測量也比較方便。在線切割加工中，電極絲的損耗對工件質(zhì)量的影響不大，故一般不加以討論。但快走絲機(jī)床使用鉬作為電極絲，是重復(fù)放電，所以絲的損耗影響到電極絲的使用壽命，在實際加工中應(yīng)予適當(dāng)考慮。見圖二。在電火花成形加工中，工具電極的不同部位，其損耗速度也不相同。在精加工時，一般電規(guī)準(zhǔn)選取較小，放電間隙太小，通道太窄，蝕除物在爆炸與工作液作用下，對電極表面不斷撞擊，加速了電極損耗，因此，如能適當(dāng)增大電間隙，改善通道狀況，即可降低電極損耗。工具電極損耗的有效控制是電火花機(jī)床加工中的一大難點，需要機(jī)床操作工不斷的經(jīng)驗總結(jié)。電極材料的選取直接關(guān)系到放電的效果，在很大程度上，材料的選取是否恰當(dāng)，決定了放電速度，加工精度以及表面粗糙度的最終情況。應(yīng)根據(jù)不同類型模具加工的實際需求，有針對性地進(jìn)行材料的選用。電火花加工的電極材料主要有紫銅、石墨、銅鎢合金。很多模具企業(yè)在選擇電極材料時，很少進(jìn)行考慮，大小電極一律習(xí)慣選用同種電極材料。這種做法在通常加工中不會發(fā)現(xiàn)其弊端，但在極限加工就可以發(fā)現(xiàn)明顯的問題，影響電火花加工的效果。如所有的電極材料都選用紫銅，那么在高精密加工時往往會埋怨機(jī)床損耗太大，需要采用很多個電極進(jìn)行加工，大型電極也選用紫銅，導(dǎo)致加工所耗時間很多，成本也很高。這就是電火花加工中電極材料選擇的誤區(qū)。合理選擇電極材料，可以從下列方面進(jìn)行考慮：電極是否容易加工成形；電極的放電加工性能如何；加工精度、表面質(zhì)量如何；電極材料的成本是否合理；電極的重量如何。在很多情況下，選擇不同的電極材料各有其優(yōu)劣之處，這就要求抓住加工的關(guān)鍵要素。如果進(jìn)行高精度加工，那就要拋棄電極材料成本的考慮，如果要求進(jìn)行高速加工，那就要將加工精度要求放低。紫銅能比較容易獲得穩(wěn)定的加工狀態(tài)，精加工中采用低損規(guī)準(zhǔn)可獲得輪廓清晰的型腔，加工表面光潔度高。但因本身材料熔點低，不宜承受較大的電流密度，一般不能超過30A電流的加工，否則會使電極表面嚴(yán)重受損、龜裂，影響加工效果。熱膨脹系數(shù)較大，在加工深窄筋位部分，較大電流下產(chǎn)生的局部高溫很容易使電極發(fā)生變形。紫銅電極通常采用低損耗的加工條件，由于低損耗加工的平均電流較小，其生產(chǎn)率并不高,表現(xiàn)為加工速度很慢。石墨電極特別適用于加工蝕除量較大的型腔，在大面積加工情況下能實現(xiàn)低損耗、高速粗加工，像在大型塑料模具、鍛模、壓鑄模等模具的電火花加工中可發(fā)揮其獨特的加工優(yōu)勢。在高溫下具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，熱膨脹系數(shù)小，非常適合對窄縫進(jìn)行高精度加工。因其重量輕，常用于大型電極的制造。導(dǎo)電性能好，加工速度快，能節(jié)省大量的放電時間，價錢一般是銅料的1/2。其缺點是在精加工中放電穩(wěn)定性較差，容易過渡到電弧放電，只能選取損耗較大的加工條件來加工。加工微細(xì)面粗糙度略差，在加工中容易脫落、掉渣。制作石墨電極要專門的加工機(jī)器。銅鎢合金材料在通常加工中很少采用，只有在高精密模具及一些特殊場合的電火花加工中才用到。由于含鎢量高，可以有效地抵御電火花加工時的損耗，能保證極低的電極損耗，在極困難的加工條件下也能實現(xiàn)穩(wěn)定的加工。缺點是價格昂貴，材料來源困難。加工電子接插件類高精度模具時，對細(xì)微部分的形狀（如深長直壁孔、復(fù)雜小型腔）要求很嚴(yán)格，這就要求加工中電極損耗必須極小，選用銅鎢合金來制造電極是加工技術(shù)的基本要求。[B]銅鎢電極針對鎢鋼，高碳鋼，耐高溫超硬合金金屬，因普通電極損耗大，速度慢，銅鎢電極是首選材料。在這種情況下，機(jī)床使用者不能簡單的埋怨機(jī)床有問題，而應(yīng)面對當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)實，客觀分析問題所在，找出解決問題的現(xiàn)實出路。

　　九、表面粗糙度：

　　表面粗糙度是指加工表面上的微觀幾何形狀誤差。對電加工表面來講，即是加工表面放電痕——坑穴的聚集，由于坑穴表面會形成一個加工硬化層，而且能存潤滑油，其耐磨性比同樣粗糙度的機(jī)加表面要好，所以加工表面允許比要求的粗糙度大些。而且在相同粗糙度的情況下，電加工表面比機(jī)加工表面亮度低。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：加工表面粗糙度用Ra（輪廓的平均算術(shù)偏差）和Rz（不平度平均高度）之一來評定。工件的電火花加工表面粗糙度直接影響其使用性能，如耐磨性，配合性質(zhì)，接觸剛度，疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性等。尤其對于高速高潔，高壓條件下工作的模具和零件，其表面粗糙度往往是決定其使用性能和使用壽命的關(guān)鍵。

　　十、放電間隙：

　　放電間隙，亦稱過切量，加工中是指脈沖放電兩極間距，實際效果反映在加工后工件尺寸的單邊擴(kuò)大量。對電火花成形加工放電間隙的定量認(rèn)識是確定加工方案的基礎(chǔ)。其中包括工具電極形狀，尺寸設(shè)計，加工工藝步驟設(shè)計，加工規(guī)準(zhǔn)的切換以及相應(yīng)工藝措施的設(shè)計。

　　十一、兩電極蝕除量之間的矛盾：

　　本篇中，已經(jīng)明確闡述了脈沖放電時間越長，越有利于降低工具電極相對損耗。在電火花加工的實用過程中，粗加工采用長脈沖時間和高放電電流，既體現(xiàn)了速度高，又體現(xiàn)了損耗小，反映了加工速度和工具電極損耗這一矛盾的緩解。但是，在精加工時，矛盾激化了。為了實現(xiàn)小能量加工，必須大大壓縮脈沖放電時間。為達(dá)到脈沖放電電流與脈沖放電時間參數(shù)組合合理，亦必須大大壓縮脈沖放電電流。這樣，不僅加大了工具電極相對損耗，又大幅度降低了加工速度。

　　十二、加工速度與加工表面粗糙度之間的矛盾：

　　為了解決電火花加工工藝的這一基本矛盾，人們試圖將一個脈沖能量分散為若干個通道同時在多點放電。用這種方法既改善了加工表面粗糙度，又維持了原有的加工速度。到目前為止，實現(xiàn)人為控制的多點同時放電的有效方法只有一種，即分離工具電極多回路加工。為了實現(xiàn)整體電極的多通道加工，人們設(shè)想了各種方法，并進(jìn)行了多年的實驗摸索。但是迄今為止，尚沒有徹底解決。在實用過程中，型腔模具的加工采用粗、中、精逐檔過渡式加工方法。加工速度的矛盾是通過大功率、低損耗的粗加工規(guī)準(zhǔn)解決的；而中、精加工雖然工具電極相對損耗大，但在一般情況下，中、精加工余量僅占全部加工量的極小部分，故工具電極的絕對損耗極小，可以通過加工尺寸控制進(jìn)行補(bǔ)償，或在不影響精度要求時予以忽略。