電火花石墨模具

電火花（huā）石墨模具


　　一、什（shí）麽是電（diàn）火花加工：

　　電火花是一種自激放電，其（qí）特（tè）點如下：火花放（fàng）電的兩個電極間在放電前具較高的電壓，當兩電極（jí）接近時，其間介質被擊穿後，隨即發生火花放電。伴隨擊穿過程，兩電（diàn）極間的電阻急劇變小，兩（liǎng）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（shí）間（jiān）（通常為10-7-10-3s）後及時熄滅（miè），才可（kě）保持火花放電的“冷極”特性（即通道能量轉（zhuǎn）換的熱能（néng）來不及傳至電極縱深），使通道能量作用於極小範圍。通道能量的作用，可使電（diàn）極局部被（bèi）腐蝕。利用火花放電時產（chǎn）生的腐（fǔ）蝕現象對（duì）材（cái）料進行（háng）尺寸加工（gōng）的方法，叫電火花加（jiā）工。電火花加工是在較低的電壓範圍內，在液體介質中的火花放電。

　　二、電火花加工的特點：

　　電火花加工是與機械加工完全不同的一種新（xīn）工藝。隨著工業生產的發展和科學技術的（de）進步，具有高熔點、高（gāo）硬度、高強度、高脆性，高粘性和高純度等（děng）性能的新材料不斷出現。具（jù）有各種複雜結構與特殊工藝要求的工件（jiàn）越來越多，這（zhè）就使得傳（chuán）統的機（jī）械加工方法不能加工或難（nán）於加工。因（yīn）此，人們除了進一步發展和完善機械（xiè）加工法之外，還（hái）努力尋求新的加工方法。電火花加工法（fǎ）能夠適（shì）應生產發展的需要，並在應用中顯示出很多優異性能，因此，得到了迅速發展和日益廣泛的應用。電火花加工的特點如下：1.脈衝放電的能量（liàng）密度高，便於加工用普通的機械加工方法難於（yú）加工或無（wú）法加工的特殊材料和複雜形狀的工件。不（bú）受材料硬度影（yǐng）響，不受熱處理狀況影響。2.脈衝（chōng）放電持續時間極（jí）短，放電（diàn）時產生的熱量傳（chuán）導擴散範圍（wéi）小（xiǎo），材料受熱影響範圍小。3.加工時，工具電（diàn）極與工件材料不接觸，兩者之間宏（hóng）觀作用力極小。工（gōng）具電極材料不需比工件材料硬（yìng），因此，工具電極製造容易。4.可以改革工件（jiàn）結構，簡化（huà）加工工藝，提高工件使用壽命，降低工人勞動強度。基於上述特點，電火花加工的主要用途有以下幾項：1)製（zhì）造衝模、塑料模、鍛模和壓鑄模。2)加工小孔、畸形孔以及在硬質合金上加工螺紋螺孔。3)在金屬板材上切割出零件。4)加工（gōng）窄縫。5)磨削（xuē）平麵和圓麵（miàn）。6)其它（如（rú）強化金屬表麵，取出折斷的（de）工具，在淬火件上穿孔，直接加工（gōng）型麵複雜的零（líng）件等（děng））。

　　三、電火花加工機（jī）床的組成及作用：

　　從上（shàng）麵所談的情況可以看到，要（yào）實現電（diàn）火花加工過程，機（jī）床（chuáng）必須具備三個（gè）要素，即：脈衝電源，機械部分和自動控製係統，工作液過（guò）濾與循環係統。（見圖一）。下麵對這三要素的作用逐一加以簡單討論。1.脈衝電源（yuán）加在放（fàng）電間隙上的電（diàn）壓必須是脈衝的，否則，放電將成為連續（xù）的電弧。所謂脈衝電源，實際就（jiù）是一種（zhǒng）電氣線路或裝置，它們能（néng）發出（chū）具有足夠能量的脈（mò）衝電壓來。2.機械部分（fèn）和自動控製係統其作用是（shì）維持工（gōng）具電極和工件之間有一適當的（de）放電（diàn）間隙，並在線調整。3.工作液淨化與循環係統工（gōng）作液的作用是使能量（liàng）集中，強化加工過程，帶走放電時所（suǒ）產（chǎn）生的熱（rè）量和電蝕產物。工作液係統包括工作液的儲存冷卻、循環及其調節與保護（hù）、過濾以（yǐ）及利用工作液強迫循環係統。上述三要素，有時也（yě）稱為電火（huǒ）花加（jiā）工（gōng）機床的三大件（jiàn），它們組成了電火花加工機床這一統一（yī）體，以滿足加工工藝的要求。

　　四、實現電火花加工的條件：

　　實現電火花加工，應具（jù）備如下條件：1.工（gōng）具電（diàn）極和工件電極之間必須維持合理的距離。在該距離範圍內，既可以滿足脈衝電壓不斷擊穿介質，產生火花放電（diàn），又可以（yǐ）適應在火花通道熄滅後介質消電離以及排出蝕除產物的要（yào）求。若兩電極距離過大，則脈衝電壓（yā）不能擊穿介質、不能產生火花（huā）放電，若兩電極短路，則在兩電極間沒有脈衝（chōng）能量消（xiāo）耗，也不可能實現（xiàn）電腐蝕加工。2.兩電極之間必須充入（rù）介質。在進行材料電火花尺寸加工（gōng）時，兩（liǎng）極（jí）間為液體介質（專（zhuān）用工作液或工業煤油）；在進行材料電火花表麵強化時，兩極（jí）間為氣體介質。3.輸送（sòng）到兩電極間的脈衝能量（liàng）密度應（yīng）足夠大。在火花通道形成後（hòu），脈衝（chōng）電壓變化不大，因此，通道的電流（liú）密度可以表征（zhēng）通道的能（néng）量密度。能量（liàng）密度（dù）足夠大，才可以使被加工材料局（jú）部熔化（huà）或汽化，從而在（zài）被加工材料表麵形成一個腐蝕痕（凹坑），實現電（diàn）火花加工。因而，通道一般（bān）必須有105-106A/cm2電流密度。放電通道（dào）必須具（jù）有足夠大的峰值電流，通道才可（kě）以在脈衝期間得（dé）到維持。一般情況下，維持通道的峰值電流不小於2A。4.放電必（bì）須（xū）是短時間的脈衝放電。放電持續時間一般（bān）為10-7-10-3s。由於（yú）放電時間短，使放電時產生的熱能來不及在被加（jiā）工材料內部擴散，從而把能量作用局限在很小（xiǎo）範圍內，保持火花放（fàng）電的冷極特性。5.脈衝放電需重複多次進行，並且多次（cì）脈衝放電在時間（jiān）上和空間上是分散的。這裏包含兩（liǎng）個方麵的意義：其一時間上（shàng）相鄰的兩個脈衝不在同一點上形成通道；其二，若在一定時間範圍內脈衝放電集中發生在某一區域，則在另一段時間內，脈衝放電應轉移到另一區域。隻有如此，才（cái）能（néng）避免積炭現象，進而避免發生電（diàn）弧和局部燒傷。6.脈衝放電（diàn）後的電蝕產物能及（jí）時排放至放電間隙之外，使重（chóng）複性放電（diàn）順利（lì）進行。在電火花加工的生產實際中，上述過（guò）程通過兩個（gè）途徑完成。一（yī）方麵，火花放電以（yǐ）及電腐蝕過程本（běn）身具（jù）備將蝕（shí）除產物排離的固有特性（xìng）；蝕除物以外的（de）其餘放電產物（如介質的汽化物）亦可以（yǐ）促進上（shàng）述過程；另一方麵，還必須利用一些人為的輔助工藝措施，例如工作液的循環過濾，加工中（zhōng）采用的衝、抽油措施（shī）等等。

　　五（wǔ）、極性效應：

　　電火花加（jiā）工時（shí），相（xiàng）同（tóng）材料兩電極的被（bèi）腐蝕量是不同的。其中一個電極比另一個（gè）電極的蝕（shí）除量大，這種現象叫做極性效應。如果兩電極（jí）材料不同，則極性效應更加明顯。

　　六、覆蓋效應：

　　在油類介質中放電加工會分（fèn）解出負極性的遊離碳微粒（lì），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（xiào）應。利用覆蓋效應可以降低（dī）電極損耗（hào）。注意負極性加工才（cái）有利（lì）做（zuò）覆蓋效（xiào）應。

　　七、加工（gōng）速度：

　　對於電火花成形機（jī）來（lái）說加工速度是指在單位時間內，工件被（bèi）蝕（shí）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（duì）於線切割機來說（shuō），加工速度是（shì）指在單位時間內（nèi），工件被切麵積。即（jí）用mm2/min來表示。在（zài）規定表麵粗糙（cāo）度（dù）（如Ra=2.5μm），相對電極損耗（如1%）時的最大加工速度，是衡量電加工機床工藝性能（néng）的重要指標。一般情況下，生產廠給出的是最大加工電流，在最佳加（jiā）工狀（zhuàng）態下所能達到的最高（gāo）加工速度。因（yīn）此，在實際加工（gōng）時，由於被加工件（jiàn）尺（chǐ）寸與形狀（zhuàng）的（de）千變萬化，加工條件，排屑條件（jiàn）等與理想（xiǎng）狀態相差甚遠，即（jí）使在粗（cū）加工時，加工速度也往往大大低於機（jī）床的（de）最大加工（gōng）速度指標。

　　八、工具電（diàn）極損耗：

　　在電火花成形加工中（zhōng），工具電極損耗直接影響仿形精度，特別對於型（xíng）腔加工，電極損耗這（zhè）一（yī）工藝指標（biāo）較加（jiā）工速度更為重要。電（diàn）極損（sǔn）耗分為（wéi）絕對損耗和相對損耗。絕對損耗最常用的（de）是體積（jī）損耗Ve和長度損耗Veh二種方式，它們分別表示在單位（wèi）時間內，工具電極被蝕除的體積和長（zhǎng）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（gōng）件加工速（sù）度的百分比。通常（cháng）采用長度相對損耗比較直觀，測量也比較方便（biàn）。在線切割加工中（zhōng），電極絲的損耗對工件質量的影響不大，故一般不加以討論。但快走絲機床使用鉬（mù）作為電極絲，是重複放電，所（suǒ）以絲的損耗影響到電極（jí）絲（sī）的使用（yòng）壽命，在實（shí）際加工中應予適當考慮。見圖二。在電火花成形（xíng）加（jiā）工中，工具電極的不同部（bù）位，其損（sǔn）耗速度也不（bú）相同。在精（jīng）加工時，一般電規準選取較（jiào）小，放電間隙太小，通道太窄，蝕除物在爆炸與工作（zuò）液作用下，對電極表麵不斷（duàn）撞擊，加速了電極損耗，因（yīn）此，如能適當增（zēng）大電間隙，改善通道狀況，即可降低電極（jí）損耗。工具電極損耗的有效控製是電（diàn）火花機床加工中的一大難點，需（xū）要機（jī）床操作工（gōng）不斷的經驗總結。電極材料的選取直接關係到放電的效果，在很大程度上，材料的（de）選取是否恰當，決定了放電速度，加工精度（dù）以及表麵（miàn）粗糙度的最終情況。應根（gēn）據不同類型模（mó）具加工的實際需求（qiú），有針對性地進行（háng）材料的選用（yòng）。電火花加工的電極材料主要有紫銅、石墨、銅鎢合（hé）金。很多（duō）模具企業在選擇電極材料時，很少進行考慮（lǜ），大小電極一律習慣選用同種電極材料。這種做法在通常加工中（zhōng）不會發現其弊端，但在極限加工就可以發現明顯的問題，影（yǐng）響電火花加（jiā）工的效果（guǒ）。如所有的電極材（cái）料都選用紫銅，那麽（me）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行加工，大型電（diàn）極也選用紫銅，導致加工所耗時間很多（duō），成本也很高。這就是電火花加工中電（diàn）極材料（liào）選擇的誤區。合理（lǐ）選擇電（diàn）極材料，可以從下列方麵進行（háng）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、表麵質量如何；電極材料的成本是否合理；電極的（de）重量如何。在很多情況下，選擇不同的（de）電極材料各有其優（yōu）劣之處，這就要求（qiú）抓住加工的（de）關鍵要素。如果進行高精度加工（gōng），那就（jiù）要拋棄電極材料成本的考慮，如果要求進行高速加工，那就要將加工精度要求放低。紫銅能（néng）比較容（róng）易獲得穩定的加工狀態，精加工（gōng）中采用低損（sǔn）規準（zhǔn）可獲得輪（lún）廓清晰的型（xíng）腔，加工（gōng）表（biǎo）麵光潔度高。但因本身材料熔點低，不宜承受較大（dà）的電流密度，一般不能超過30A電流的加工，否則會使電極表麵嚴重受損、龜裂，影響加工效果。熱膨脹係數較大，在加工深窄筋位部分，較大電流下（xià）產生的局部高溫很容易使電（diàn）極發生變形。紫銅電極通常采用低損耗的加工條件，由於低（dī）損耗加工的平均（jun1）電流較小，其生產率並不高,表現（xiàn）為加工速度很慢。石墨電（diàn）極特別適用於加工蝕除（chú）量較大的（de）型腔，在大麵積加工情（qíng）況下（xià）能實現低損耗、高速（sù）粗加工，像在大型（xíng）塑料模具、鍛模（mó）、壓（yā）鑄模等（děng）模（mó）具的電火花加工中可發揮其獨特的加工優勢。在高溫下具有良好的（de）機械強度，熱膨（péng）脹係數（shù）小（xiǎo），非常（cháng）適合對窄縫進行高精度（dù）加工。因其重量輕，常（cháng）用於（yú）大型電極的製造。導電性能（néng）好，加工速度快，能節（jiē）省（shěng）大量的放電時間，價錢一般是銅料的1/2。其缺點（diǎn）是在精加工中放電穩定（dìng）性較差（chà），容易過渡到電弧放電，隻能選取損耗較大的加工條（tiáo）件來（lái）加（jiā）工。加工微細麵粗糙度略差，在加工（gōng）中容易脫（tuō）落、掉渣。製作石墨電極要專門的加工機（jī）器。銅鎢合金材料在通（tōng）常加工中很少采用，隻有在高精密模具及一些特殊場合的（de）電火花加工中才用到。由於含鎢量高，可以有效地抵禦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（jiàn）下也能實現穩定的加工。缺點是價格昂貴，材（cái）料來源困難。加工電子接插件（jiàn）類高精度（dù）模具時（shí），對細微部分的形狀（zhuàng）（如深長直壁孔、複（fù）雜小型腔）要求很嚴格，這就（jiù）要求加（jiā）工中電（diàn）極損耗（hào）必須極小，選用（yòng）銅（tóng）鎢（wū）合金來製造電極是加工技術的基本要求。[B]銅鎢電極針對鎢鋼，高碳鋼，耐高溫（wēn）超（chāo）硬合金金屬，因普通電極損耗大，速度慢，銅鎢電（diàn）極是首（shǒu）選材（cái）料。在這種情（qíng）況下，機床使用者不能簡單的（de）埋怨（yuàn）機床有問題，而應麵（miàn）對當前技術現實，客觀分析問題所在（zài），找出解決問題的現（xiàn）實出（chū）路。

　　九、表麵粗糙度：

　　表麵粗糙度是指加工表麵上的微觀幾何形狀誤差。對電（diàn）加工表麵來講，即是加（jiā）工表麵放（fàng）電痕——坑穴（xué）的聚集，由於坑穴表麵會形成一（yī）個加工硬化層，而（ér）且能存潤滑油，其耐（nài）磨性比同樣粗（cū）糙度的機加表麵要好，所（suǒ）以加工表麵允許（xǔ）比要求的粗糙度大些。而且在相同粗糙度的情況下，電（diàn）加工表（biǎo）麵比機加工表麵亮度低。國家標準規定：加工表麵粗糙（cāo）度用（yòng）Ra（輪廓的平均算術偏差）和Rz（不平度平均高度）之一（yī）來評定。工件的電火（huǒ）花加工表麵粗糙度（dù）直接影響其（qí）使用性能，如耐磨性，配（pèi）合性質，接觸剛度，疲（pí）勞強度和抗腐蝕性等。尤其對於高速高（gāo）潔，高壓條件下（xià）工作的模具和零（líng）件，其（qí）表麵粗糙度往往是決定其使用性能和使用壽命的關鍵。

　　十、放電間隙：

　　放電間隙，亦稱過切量（liàng），加工中是指脈衝放電兩極間距，實（shí）際（jì）效果反映在加（jiā）工（gōng）後工件尺寸的單邊擴大（dà）量。對電火花成形加工放電間（jiān）隙的定量認識是確定加工方案的基（jī）礎。其中包括工具電極形（xíng）狀，尺寸設計，加（jiā）工工（gōng）藝步驟設計，加工（gōng）規準的切換以及相應工藝措施的設計。

　　十一、兩電極蝕除量之（zhī）間的（de）矛盾：

　　本篇中，已經明確闡述了脈衝放電時間越長，越有利於（yú）降低工具電（diàn）極相對損耗。在電火花加工的實用過程中，粗加工采用長（zhǎng）脈衝（chōng）時間和（hé）高放電電（diàn）流，既體現了速度高，又體現（xiàn）了（le）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（máo）盾激化了。為了實現小能量加工（gōng），必須大大壓（yā）縮脈（mò）衝放電時間。為達到脈衝放電（diàn）電（diàn）流與脈衝放電時間參數組（zǔ）合合理，亦必須大大壓縮脈衝放電電流。這樣，不僅加大了工具電（diàn）極相對損耗，又（yòu）大幅度降低了（le）加工速度。

　　十（shí）二、加工速度與加工表麵粗糙度之間的矛盾：

　　為了解決電火花（huā）加工工藝的這一基（jī）本矛盾，人們試圖將一個脈衝能量分散為若（ruò）幹個通道同時在多點放電。用這種方法既改善了加工表麵（miàn）粗（cū）糙度，又維持了原有的加工速（sù）度。到（dào）目前為（wéi）止，實現人為控製的多點同時放（fàng）電的（de）有效方法隻有一種，即分離工具電極多回路加工（gōng）。為了實現整體電極的多通道加工，人們設（shè）想了各種方法，並進行了多年（nián）的實驗摸索。但是迄今為止，尚沒有徹底解決。在實（shí）用過程中，型腔模（mó）具的加工采用粗、中、精（jīng）逐檔過渡式加工方法。加工速度的（de）矛盾是通過大（dà）功率、低損耗的粗加（jiā）工規準解（jiě）決的；而中（zhōng）、精加工雖然工具電極相對損耗（hào）大，但（dàn）在（zài）一般情況下，中、精加工餘量僅占全部加工量的（de）極小部分，故工具電極的絕對（duì）損耗極小，可（kě）以通（tōng）過加工尺寸控（kòng）製進行補償，或在不影響精度要求時予以忽略。