模具放電加工，銅電極與石家莊石墨電極哪種更好
作者：admin 發(fā)布日期：2017/3/26 關(guān)注次數(shù)：
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銅作為電極材料在模具工廠的電火花加工中被廣泛使用。很多人認(rèn)為只有在制作大型電極且模具加工要求不高或粗加工時(shí)，石墨材料才會(huì)成為備選考慮。
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。但在中國(guó)，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(shì)與不足。
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，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(shí)，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(shí)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(huì)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。總體而言，石墨電極在大電流的粗加工中損耗會(huì)少于銅電極，在精加工中損耗可能會(huì)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(jí)。
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(shì)。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(duì)于表面粗糙度要求為VDI26（Ra2.0 μm）左右的型腔加工，使用1個(gè)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(huì)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(shí)，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(shí)，局部高溫容易使銅電極發(fā)生彎曲變形，而石墨電極不會(huì)這樣；對(duì)于深徑比大的銅電極，在加工設(shè)定時(shí)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
（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(shí)要由多個(gè)電極完成的工件設(shè)計(jì)成一個(gè)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(huì)產(chǎn)生毛刺，對(duì)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(duì)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(shí)會(huì)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(shí)間。石墨材料比較脆，特別是細(xì)小窄長(zhǎng)電極，在使用中受到外力作用時(shí)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(huì)彎曲不會(huì)折斷，這種狀況在使用過程中非常危險(xiǎn)且難以發(fā)現(xiàn)，很容易導(dǎo)致工件報(bào)廢。
銅材料是不可再生資源，價(jià)格趨勢(shì)會(huì)越來越貴，而石墨材料的價(jià)格趨于穩(wěn)定。近幾年銅材料價(jià)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(jià)比優(yōu)勢(shì)。
目前全球知名的石墨供應(yīng)商中不同供應(yīng)商有多種不同牌號(hào)的石墨可供選擇。通常根據(jù)石墨材料的平均顆粒直徑來分類，顆粒直徑≤φ4 μm的定義為細(xì)石墨，顆粒在φ5~φ10 μm定義為中石墨，顆粒在10 μm以上定義為粗石墨。顆粒直徑越小材料的價(jià)格越貴，可以根據(jù)電火花加工要求與成本選擇合適的石墨材料。
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(shì)明顯：
銑削電極與放電加工的效率均顯著優(yōu)于銅電極，生產(chǎn)效率高；
大電極非常適合；
尺寸穩(wěn)定性良好，薄片電極不容易發(fā)生變形；
石墨材料的不足之處：
銑削電極需要有專門的石墨加工機(jī)
不太適合VDI12（Ra0.4 μm）以下的精細(xì)表面放電加工；
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。但在中國(guó)，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(shì)與不足。
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，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(shí)，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(shí)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(huì)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。總體而言，石墨電極在大電流的粗加工中損耗會(huì)少于銅電極，在精加工中損耗可能會(huì)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(jí)。
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(shì)。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(duì)于表面粗糙度要求為VDI26（Ra2.0 μm）左右的型腔加工，使用1個(gè)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(huì)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(shí)，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(shí)，局部高溫容易使銅電極發(fā)生彎曲變形，而石墨電極不會(huì)這樣；對(duì)于深徑比大的銅電極，在加工設(shè)定時(shí)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?jī)H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(huì)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(shí)要由多個(gè)電極完成的工件設(shè)計(jì)成一個(gè)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(huì)產(chǎn)生毛刺，對(duì)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(duì)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(shí)會(huì)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(shí)間。石墨材料比較脆，特別是細(xì)小窄長(zhǎng)電極，在使用中受到外力作用時(shí)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(huì)彎曲不會(huì)折斷，這種狀況在使用過程中非常危險(xiǎn)且難以發(fā)現(xiàn)，很容易導(dǎo)致工件報(bào)廢。
銅材料是不可再生資源，價(jià)格趨勢(shì)會(huì)越來越貴，而石墨材料的價(jià)格趨于穩(wěn)定。近幾年銅材料價(jià)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(jià)比優(yōu)勢(shì)。
目前全球知名的石墨供應(yīng)商中不同供應(yīng)商有多種不同牌號(hào)的石墨可供選擇。通常根據(jù)石墨材料的平均顆粒直徑來分類，顆粒直徑≤φ4 μm的定義為細(xì)石墨，顆粒在φ5~φ10 μm定義為中石墨，顆粒在10 μm以上定義為粗石墨。顆粒直徑越小材料的價(jià)格越貴，可以根據(jù)電火花加工要求與成本選擇合適的石墨材料。
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(shì)明顯：
銑削電極與放電加工的效率均顯著優(yōu)于銅電極，生產(chǎn)效率高；
大電極非常適合；
尺寸穩(wěn)定性良好，薄片電極不容易發(fā)生變形；
石墨材料的不足之處：
銑削電極需要有專門的石墨加工機(jī)
不太適合VDI12（Ra0.4 μm）以下的精細(xì)表面放電加工；
石墨電極材料的優(yōu)越性將逐漸被國(guó)內(nèi)模具制造行業(yè)認(rèn)識(shí)和接受。正確選用石墨電極材料，并配合改進(jìn)相關(guān)工藝環(huán)節(jié)，將為模具制造企業(yè)帶來高效率、低成本效益。
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