石墨電極電火花加工的用途
作者：admin 發(fā)布日期：2018/1/13 關(guān)注次數(shù)：
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在20世紀(jì)，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(shù)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。
隨著高新技術(shù)的發(fā)展，石墨材料的制造工藝不斷完善，能滿足不同電火花加工需求的石墨材料層出不窮，市場上石墨高速銑削機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生，數(shù)控電火花加工機(jī)床的石墨放電性能也有了全面的提升。當(dāng)今，在制造技術(shù)領(lǐng)先的歐洲，模具企業(yè)超過90%的電極材料采用石墨。航空航天、汽車、家電、電子等模具已大范圍采用石墨作為電極材料，這種顯著變化歸功于石墨電極可實(shí)現(xiàn)高效率、高品質(zhì)加工等諸多優(yōu)勢。
但在中國，當(dāng)前大多數(shù)模具企業(yè)還是選用銅作為主要的電極材料。根據(jù)石墨材料的特性，以下全面分析其電火花加工的優(yōu)勢與不足，介紹如何正確選擇石墨材料、電極制作與放電加工的要點(diǎn)。
1. 石墨材料的電火花加工特性
（1）放電加工速度
石墨是一種非金屬材料，熔點(diǎn)極高，達(dá)3650 ℃，而銅的熔點(diǎn)是1083 ℃，因此石墨電極能承受更大的電流設(shè)定條件。當(dāng)放電面積與電極尺寸縮放量越大時，石墨材料高效率粗加工的優(yōu)越性越顯著。石墨的導(dǎo)熱系數(shù)是銅的1/3，其放電過程中產(chǎn)生的熱能可更有效地用于去除金屬材料，因此在中、精加工中，其加工效率也比銅電極要高。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，在正確的使用條件下，石墨電極的放電加工速度要比銅電極整體快1.5~2倍。
（2）電極損耗
石墨電極具有能承受大電流條件的特性，另外，在合適的粗加工設(shè)定條件下，含碳元素的鋼工件在加工時產(chǎn)生的蝕除物和工作液在高溫下產(chǎn)生的分解物中的碳顆粒，在極性效應(yīng)的作用下，部分蝕除物、碳顆粒會粘附在電極表面形成一層保護(hù)層，保證了石墨電極在粗加工中的損耗極小，甚至是“零損耗”。電火花加工中主要的電極損耗量來自于粗加工，精加工設(shè)定條件雖然損耗率較高，但因零件預(yù)留加工余量不多即加工蝕除量較少，其總體損耗量也較少?？傮w而言，石墨電極在大電流的粗加工中損耗會少于銅電極，在精加工中損耗可能會稍大于銅電極，二者的電極損耗情況相當(dāng)。
（3）表面質(zhì)量
石墨材料的顆粒直徑直接影響電火花加工的表面粗糙度，直徑越小可獲得更低的表面粗糙度值。幾年前使用顆粒直徑φ5 μm的石墨材料，電火花加工的最佳表面只能達(dá)到VDI18（Ra0.8 μm），現(xiàn)今石墨材料的顆粒直徑已能達(dá)到φ3 μm以內(nèi)，電火花加工的最佳表面可穩(wěn)定達(dá)到VDI12（Ra0.4 μm）或者更精細(xì)的等級，但石墨電極無法進(jìn)行鏡面電火花加工。
銅材料的電阻率較低，組織結(jié)構(gòu)致密，電火花精加工易獲得穩(wěn)定的加工狀態(tài)，在較困難的條件下也能穩(wěn)定加工，表面粗糙度可小于Ra0.1 μm，能進(jìn)行鏡面電火花加工。由此可見，如果放電加工追求極其精細(xì)的表面，使用銅材料做電極更加合適，這是銅電極較石墨電極的主要優(yōu)勢。
但銅電極在大電流設(shè)定條件下，電極表面容易變得粗糙不堪，甚至出現(xiàn)裂紋，而石墨材料則沒有這方面的問題，對于表面粗糙度要求為VDI26（Ra2.0 μm）左右的型腔加工，使用1個石墨電極即可完成從粗到精的加工過程，實(shí)現(xiàn)均勻一致的紋面效果，表面不會有缺陷。另外，由于石墨與銅材組織結(jié)構(gòu)的不同，石墨電極表面放電的腐蝕點(diǎn)比銅電極要規(guī)則，因此在加工VDI20及以上相同表面粗糙度時，使用石墨電極加工的工件表面顆粒度更加分明，這種紋面效果要優(yōu)于銅電極的放電表面效果。
（4）加工精度
石墨材料的熱膨脹系數(shù)小，銅材料的熱膨脹系數(shù)是石墨材料的4倍，因此在放電加工中石墨電極相比銅電極不易發(fā)生變形，可獲得更穩(wěn)定可靠的加工精度。尤其是在加工深窄筋位部分時，局部高溫容易使銅電極發(fā)生彎曲變形，而石墨電極不會這樣；對于深徑比大的銅電極，在加工設(shè)定時還需要補(bǔ)償一定的熱膨脹值來修正尺寸，而石墨電極不需要。
（5）電極重量
石墨材料較銅的密度要小，相同體積的石墨電極重量僅為銅電極的1/5?？梢婓w積較大的電極使用石墨材料非常合適，極大地減輕了電火花加工機(jī)床主軸的載荷，電極不會因?yàn)橹亓看蠖鴮?dǎo)致裝夾不便、加工中產(chǎn)生偏擺位移等問題，可見在大型模具加工中使用石墨電極很有意義。
（6）電極制作難度
石墨材料的機(jī)械加工性能好，切削阻力僅為銅的1/4，在正確的加工條件下，銑削加工石墨電極的效率是銅電極的2~3倍。石墨電極容易清角，可以將平時要由多個電極完成的工件設(shè)計成一個整體電極來加工。石墨材料獨(dú)特的顆粒組織結(jié)構(gòu)，使得電極銑削成型后不會產(chǎn)生毛刺，對于復(fù)雜造型不便于去除毛刺的情況直接滿足使用要求，省去了人工對電極進(jìn)行拋光的工序，避免了拋光導(dǎo)致的形狀改變、尺寸誤差等。需要注意的是，由于石墨是粉塵堆積物，銑削石墨時會產(chǎn)生大量的粉塵，因此銑削機(jī)床必須要有密封與吸塵裝置。如果需要使用電火花線切割加工石墨電極，其加工性能就不如銅材料了，切割速度相比銅慢約40%。
（7）電極安裝與使用
石墨材料的可粘結(jié)性好，可以使用導(dǎo)電膠將石墨與夾具粘結(jié)的方法銑削電極、放電加工，可省去在電極材料上加工螺絲孔的工序，節(jié)省了工作時間。石墨材料比較脆，特別是細(xì)小窄長電極，在使用中受到外力作用時容易折斷，但可以馬上知曉電極發(fā)生了損傷。如果是銅電極則只會彎曲不會折斷，這種狀況在使用過程中非常危險且難以發(fā)現(xiàn)，很容易導(dǎo)致工件報廢。
（8）價格
近幾年銅材料價格不斷上漲，而各大石墨制造商不斷改進(jìn)制作石墨的工藝使其更具性價比優(yōu)勢。相同體積下，通用性石墨電極材料的與銅電極材料的價格相當(dāng)，而精細(xì)石墨的價格會比銅電極要高一些。
綜上所述，在石墨電極的8項(xiàng)電火花加工特性中，其優(yōu)勢明顯：銑削電極與放電加工的效率均顯著優(yōu)于銅電極，大電極重量小，尺寸穩(wěn)定性良好，薄片電極不容易發(fā)生變形，表面紋理優(yōu)于銅，價格也更低廉。石墨材料的不足之處是不太適合VDI12（Ra0.4 μm）以下的精細(xì)表面放電加工，使用電火花線切割制作電極的效率較低。
但從實(shí)際角度來看，影響石墨材料在國內(nèi)不能有效推廣的一個重要原因是銑削電極需要有專門的石墨加工機(jī)，這就對模具企業(yè)的加工設(shè)備提出了新的要求，一些小型企業(yè)可能不具備這個條件。總體而言，石墨電極特性的優(yōu)勢涵蓋了電火花加工的絕大多數(shù)加工場合，值得推廣應(yīng)用，長期效益可觀，其精細(xì)表面加工的不足之可以通過使用銅電極來彌補(bǔ)。
隨著高新技術(shù)的發(fā)展，石墨材料的制造工藝不斷完善，能滿足不同電火花加工需求的石墨材料層出不窮，市場上石墨高速銑削機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生，數(shù)控電火花加工機(jī)床的石墨放電性能也有了全面的提升。當(dāng)今，在制造技術(shù)領(lǐng)先的歐洲，模具企業(yè)超過90%的電極材料采用石墨。航空航天、汽車、家電、電子等模具已大范圍采用石墨作為電極材料，這種顯著變化歸功于石墨電極可實(shí)現(xiàn)高效率、高品質(zhì)加工等諸多優(yōu)勢。
但在中國，當(dāng)前大多數(shù)模具企業(yè)還是選用銅作為主要的電極材料。根據(jù)石墨材料的特性，以下全面分析其電火花加工的優(yōu)勢與不足，介紹如何正確選擇石墨材料、電極制作與放電加工的要點(diǎn)。
1. 石墨材料的電火花加工特性
（1）放電加工速度
石墨是一種非金屬材料，熔點(diǎn)極高，達(dá)3650 ℃，而銅的熔點(diǎn)是1083 ℃，因此石墨電極能承受更大的電流設(shè)定條件。當(dāng)放電面積與電極尺寸縮放量越大時，石墨材料高效率粗加工的優(yōu)越性越顯著。石墨的導(dǎo)熱系數(shù)是銅的1/3，其放電過程中產(chǎn)生的熱能可更有效地用于去除金屬材料，因此在中、精加工中，其加工效率也比銅電極要高。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，在正確的使用條件下，石墨電極的放電加工速度要比銅電極整體快1.5~2倍。
（2）電極損耗
石墨電極具有能承受大電流條件的特性，另外，在合適的粗加工設(shè)定條件下，含碳元素的鋼工件在加工時產(chǎn)生的蝕除物和工作液在高溫下產(chǎn)生的分解物中的碳顆粒，在極性效應(yīng)的作用下，部分蝕除物、碳顆粒會粘附在電極表面形成一層保護(hù)層，保證了石墨電極在粗加工中的損耗極小，甚至是“零損耗”。電火花加工中主要的電極損耗量來自于粗加工，精加工設(shè)定條件雖然損耗率較高，但因零件預(yù)留加工余量不多即加工蝕除量較少，其總體損耗量也較少?？傮w而言，石墨電極在大電流的粗加工中損耗會少于銅電極，在精加工中損耗可能會稍大于銅電極，二者的電極損耗情況相當(dāng)。
（3）表面質(zhì)量
石墨材料的顆粒直徑直接影響電火花加工的表面粗糙度，直徑越小可獲得更低的表面粗糙度值。幾年前使用顆粒直徑φ5 μm的石墨材料，電火花加工的最佳表面只能達(dá)到VDI18（Ra0.8 μm），現(xiàn)今石墨材料的顆粒直徑已能達(dá)到φ3 μm以內(nèi)，電火花加工的最佳表面可穩(wěn)定達(dá)到VDI12（Ra0.4 μm）或者更精細(xì)的等級，但石墨電極無法進(jìn)行鏡面電火花加工。
銅材料的電阻率較低，組織結(jié)構(gòu)致密，電火花精加工易獲得穩(wěn)定的加工狀態(tài)，在較困難的條件下也能穩(wěn)定加工，表面粗糙度可小于Ra0.1 μm，能進(jìn)行鏡面電火花加工。由此可見，如果放電加工追求極其精細(xì)的表面，使用銅材料做電極更加合適，這是銅電極較石墨電極的主要優(yōu)勢。
但銅電極在大電流設(shè)定條件下，電極表面容易變得粗糙不堪，甚至出現(xiàn)裂紋，而石墨材料則沒有這方面的問題，對于表面粗糙度要求為VDI26（Ra2.0 μm）左右的型腔加工，使用1個石墨電極即可完成從粗到精的加工過程，實(shí)現(xiàn)均勻一致的紋面效果，表面不會有缺陷。另外，由于石墨與銅材組織結(jié)構(gòu)的不同，石墨電極表面放電的腐蝕點(diǎn)比銅電極要規(guī)則，因此在加工VDI20及以上相同表面粗糙度時，使用石墨電極加工的工件表面顆粒度更加分明，這種紋面效果要優(yōu)于銅電極的放電表面效果。
（4）加工精度
石墨材料的熱膨脹系數(shù)小，銅材料的熱膨脹系數(shù)是石墨材料的4倍，因此在放電加工中石墨電極相比銅電極不易發(fā)生變形，可獲得更穩(wěn)定可靠的加工精度。尤其是在加工深窄筋位部分時，局部高溫容易使銅電極發(fā)生彎曲變形，而石墨電極不會這樣；對于深徑比大的銅電極，在加工設(shè)定時還需要補(bǔ)償一定的熱膨脹值來修正尺寸，而石墨電極不需要。
（5）電極重量
石墨材料較銅的密度要小，相同體積的石墨電極重量僅為銅電極的1/5?？梢婓w積較大的電極使用石墨材料非常合適，極大地減輕了電火花加工機(jī)床主軸的載荷，電極不會因?yàn)橹亓看蠖鴮?dǎo)致裝夾不便、加工中產(chǎn)生偏擺位移等問題，可見在大型模具加工中使用石墨電極很有意義。
（6）電極制作難度
石墨材料的機(jī)械加工性能好，切削阻力僅為銅的1/4，在正確的加工條件下，銑削加工石墨電極的效率是銅電極的2~3倍。石墨電極容易清角，可以將平時要由多個電極完成的工件設(shè)計成一個整體電極來加工。石墨材料獨(dú)特的顆粒組織結(jié)構(gòu)，使得電極銑削成型后不會產(chǎn)生毛刺，對于復(fù)雜造型不便于去除毛刺的情況直接滿足使用要求，省去了人工對電極進(jìn)行拋光的工序，避免了拋光導(dǎo)致的形狀改變、尺寸誤差等。需要注意的是，由于石墨是粉塵堆積物，銑削石墨時會產(chǎn)生大量的粉塵，因此銑削機(jī)床必須要有密封與吸塵裝置。如果需要使用電火花線切割加工石墨電極，其加工性能就不如銅材料了，切割速度相比銅慢約40%。
（7）電極安裝與使用
石墨材料的可粘結(jié)性好，可以使用導(dǎo)電膠將石墨與夾具粘結(jié)的方法銑削電極、放電加工，可省去在電極材料上加工螺絲孔的工序，節(jié)省了工作時間。石墨材料比較脆，特別是細(xì)小窄長電極，在使用中受到外力作用時容易折斷，但可以馬上知曉電極發(fā)生了損傷。如果是銅電極則只會彎曲不會折斷，這種狀況在使用過程中非常危險且難以發(fā)現(xiàn)，很容易導(dǎo)致工件報廢。
（8）價格
近幾年銅材料價格不斷上漲，而各大石墨制造商不斷改進(jìn)制作石墨的工藝使其更具性價比優(yōu)勢。相同體積下，通用性石墨電極材料的與銅電極材料的價格相當(dāng)，而精細(xì)石墨的價格會比銅電極要高一些。
綜上所述，在石墨電極的8項(xiàng)電火花加工特性中，其優(yōu)勢明顯：銑削電極與放電加工的效率均顯著優(yōu)于銅電極，大電極重量小，尺寸穩(wěn)定性良好，薄片電極不容易發(fā)生變形，表面紋理優(yōu)于銅，價格也更低廉。石墨材料的不足之處是不太適合VDI12（Ra0.4 μm）以下的精細(xì)表面放電加工，使用電火花線切割制作電極的效率較低。
但從實(shí)際角度來看，影響石墨材料在國內(nèi)不能有效推廣的一個重要原因是銑削電極需要有專門的石墨加工機(jī)，這就對模具企業(yè)的加工設(shè)備提出了新的要求，一些小型企業(yè)可能不具備這個條件。總體而言，石墨電極特性的優(yōu)勢涵蓋了電火花加工的絕大多數(shù)加工場合，值得推廣應(yīng)用，長期效益可觀，其精細(xì)表面加工的不足之可以通過使用銅電極來彌補(bǔ)。
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