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，當兩電極接近時，其間介質被擊穿后，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?；鸹ㄍǖ辣仨氃诰S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。利用火花放電時產生的腐蝕現象對材料進行尺寸加工的方法，叫電火花加工。電火花加工是在較低的電壓范圍內，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工藝。隨著工業(yè)生產的發(fā)展和科學技術的進步，具有高熔點、高硬度、高強度、高脆性，高粘性和高純度等性能的新材料不斷出現。具有各種復雜結構與特殊工藝要求的工件越來越多，這就使得傳統的機械加工方法不能加工或難于加工。因此，人們除了進一步發(fā)展和完善機械加工法之外，還努力尋求新的加工方法。電火花加工法能夠適應生產發(fā)展的需要，并在應用中顯示出很多優(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械加工方法難于加工或無法加工的特殊材料和復雜形狀的工件。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，放電時產生的熱量傳導擴散范圍小，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.可以改革工件結構，簡化加工工藝，提高工件使用壽命，降低工人勞動強度?；谏鲜鎏攸c，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，直接加工型面復雜的零件等）。
三、電火花加工機床的組成及作用：
從上面所談的情況可以看到，要實現電火花加工過程，機床必須具備三個要素，即：脈沖電源，機械部分和自動控制系統，工作液過濾與循環(huán)系統。（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.機械部分和自動控制系統其作用是維持工具電極和工件之間有一適當的放電間隙，并在線調整。3.工作液凈化與循環(huán)系統工作液的作用是使能量集中，強化加工過程，帶走放電時所產生的熱量和電蝕產物。工作液系統包括工作液的儲存冷卻、循環(huán)及其調節(jié)與保護、過濾以及利用工作液強迫循環(huán)系統。上述三要素，有時也稱為電火花加工機床的三大件，它們組成了電火花加工機床這一統一體，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，既可以滿足脈沖電壓不斷擊穿介質，產生火花放電，又可以適應在火花通道熄滅后介質消電離以及排出蝕除產物的要求。若兩電極距離過大，則脈沖電壓不能擊穿介質、不能產生火花放電，若兩電極短路，則在兩電極間沒有脈沖能量消耗，也不可能實現電腐蝕加工。2.兩電極之間必須充入介質。在進行材料電火花尺寸加工時，兩極間為液體介質（專用工作液或工業(yè)煤油）；在進行材料電火花表面強化時，兩極間為氣體介質。3.輸送到兩電極間的脈沖能量密度應足夠大。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，使放電時產生的熱能來不及在被加工材料內部擴散，從而把能量作用局限在很小范圍內，保持火花放電的冷極特性。5.脈沖放電需重復多次進行，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脈沖放電集中發(fā)生在某一區(qū)域，則在另一段時間內，脈沖放電應轉移到另一區(qū)域。只有如此，才能避免積炭現象，進而避免發(fā)生電弧和局部燒傷。6.脈沖放電后的電蝕產物能及時排放至放電間隙之外，使重復性放電順利進行。在電火花加工的生產實際中，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物排離的固有特性；蝕除物以外的其余放電產物（如介質的汽化物）亦可以促進上述過程；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：
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，這種現象叫做極性效應。如果兩電極材料不同，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解出負極性的游離碳微粒，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。利用覆蓋效應可以降低電極損耗。注意負極性加工才有利做覆蓋效應。
七、加工速度：
對于電火花成形機來說加工速度是指在單位時間內，工件被蝕除的體積或重量。一般用體積表示。若在時間T內，工件被蝕除的體積為V，則加工速度Vw為：Vw=V/t（mm3/min）對于線切割機來說，加工速度是指在單位時間內，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，是衡量電加工機床工藝性能的重要指標。一般情況下，生產廠給出的是最大加工電流，在最佳加工狀態(tài)下所能達到的最高加工速度。因此，在實際加工時，由于被加工件尺寸與形狀的千變萬化，加工條件，排屑條件等與理想狀態(tài)相差甚遠，即使在粗加工時，加工速度也往往大大低于機床的最大加工速度指標。
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，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量的影響不大，故一般不加以討論。但快走絲機床使用鉬作為電極絲，是重復放電，所以絲的損耗影響到電極絲的使用壽命，在實際加工中應予適當考慮。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床加工中的一大難點，需要機床操作工不斷的經驗總結。電極材料的選取直接關系到放電的效果，在很大程度上，材料的選取是否恰當，決定了放電速度，加工精度以及表面粗糙度的最終情況。應根據不同類型模具加工的實際需求，有針對性地進行材料的選用。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，很少進行考慮，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不會發(fā)現其弊端，但在極限加工就可以發(fā)現明顯的問題，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床損耗太大，需要采用很多個電極進行加工，大型電極也選用紫銅，導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鍵要素。如果進行高精度加工，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重受損、龜裂，影響加工效果。熱膨脹系數較大，在加工深窄筋位部分，較大電流下產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，其生產率并不高,表現為加工速度很慢。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械強度，熱膨脹系數小，非常適合對窄縫進行高精度加工。因其重量輕，常用于大型電極的制造。導電性能好，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，對細微部分的形狀（如深長直壁孔、復雜小型腔）要求很嚴格，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，機床使用者不能簡單的埋怨機床有問題，而應面對當前技術現實，客觀分析問題所在，找出解決問題的現實出路。
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，電加工表面比機加工表面亮度低。國家標準規(guī)定：加工表面粗糙度用Ra（輪廓的平均算術偏差）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，接觸剛度，疲勞強度和抗腐蝕性等。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大量。對電火花成形加工放電間隙的定量認識是確定加工方案的基礎。其中包括工具電極形狀，尺寸設計，加工工藝步驟設計，加工規(guī)準的切換以及相應工藝措施的設計。
十一、兩電極蝕除量之間的矛盾：
本篇中，已經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，既體現了速度高，又體現了損耗小，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。為了實現小能量加工，必須大大壓縮脈沖放電時間。為達到脈沖放電電流與脈沖放電時間參數組合合理，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。為了實現整體電極的多通道加工，人們設想了各種方法，并進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行補償，或在不影響精度要求時予以忽略。