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模具电加工创新革命:石墨火花机加工在模具制造中的应用

2020-09-24

1.引言

       在20世纪,铜作为电极材料在电火花加工中被广泛使用。那时只有在制作大型电极且模具加工要求不高或粗加工时,石墨材料才会成为备选考虑。一些早期接触过石墨电极的技术人员曾有普遍印象:石墨材料脏、易掉渣、表面效果不好、加工效率不高等等。

  随着尖端技术的发展,石墨材料的制造工艺得到改善,能够满足多种火花加工需求的石墨材料层出不穷,市场上出现了石墨高速铣床,数字火花加工机的石墨放电性能也全面提高。今天,在制造技术领先的欧洲,90%以上的模具企业的电极材料采用石墨。航空航天、汽车、家电、电子等模具广泛使用石墨作为电极材料,这种明显的变化是因为石墨电极具有高效率、高质量的加工等诸多优点。但是在中国,目前大部分模具企业都以铜为主要电极材料。根据石墨材料的特点,综合分析石墨火花机加工的优点和缺点,正确选择石墨材料、电极制作及放电加工的要点,并提供实际应用实例。

  石墨材料的电火花加工特性

  2.1放电处理速度

  石墨是非金属材料,熔点非常高,达到3 650,铜的熔点为1083,因此石墨电极可以承受更大的电流设定条件。放电面积和电极大小的比例越大,石墨材料高效粗加工的优越性就越突出。石墨的导热系数是铜的三分之一,放电过程中产生的热量对去除金属材料更有效,因此在中间整理时处理效率比铜电极高。加工经验表明,在正确的使用条件下,石墨电极的放电处理速度比整个铜电极快1.5~2倍。

  2.2电极损耗

  石墨电极具有经受高电流条件的特性,在适当的粗加工设定条件下,含碳的钢工件在加工时产生的腐蚀物和工作液是高温下产生的分解物的碳粒子。在极性效应的作用下,一些腐蚀物、碳粒子附着在电极表面,形成保护层,使石墨电极在粗加工中几乎不会丢失。甚至是“0”。电火花加工的主要电极损耗来自粗加工。精加工设定条件虽然减幅高,但零件预约处理余量不多,加工腐蚀量少,整体损失量也少。总的来说,石墨电极在高电流粗加工中的损耗比铜电极少,在精加工中的损耗可能比铜电极稍大,两个电极的损耗相似。

  2.3表面质量

  石墨材料的粒子直径直接影响火花加工的表面粗糙度,直径越小,表面粗糙度值越低。几年前使用粒子直径5 m石墨材料时,火花加工的最佳表面只有VDI18(Ra0.8 m),目前石墨材料的粒子直径已经可以达到3 m以内,火花加工的最佳表面可以稳定达到VDI12(Ra0.4 m)或更细的等级,但石墨电极无法进行镜面火花加工铜材料电阻率低,组织结构紧密,火花整理容易获得稳定的加工状态,在困难条件下也能稳定加工,表面粗糙度可小于Ra0.1 m,可进行反射火花加工。如果放电加工追求非常精细的表面,可以看出铜材料作为电极更合适。这是铜电极比石墨电极的主要优点。但是铜电极在高电流设定条件下,电极表面容易粗糙或出现裂纹。石墨材料没有这种问题。表面粗糙度要求为VDI26(Ra2.0 m),且石墨和铜组织结构不同,因此石墨电极表面放电的腐蚀点比铜电极有规律,因此,加工VDI20以上的表面粗糙度时,用石墨电极加工的工件的表面颗粒度更明显。这种花纹面效果优于铜电极的放电表面效果。2.4加工精度

  石墨材料的热膨胀系数较小,铜材料的热膨胀系数是石墨材料的4倍,因此放电加工中铜电极比石墨电极不容易变形,从而获得更稳定可靠的加工精度。特别是加工深窄筋部位时,局部高温与石墨电极不同,容易弯曲铜电极。对于心境较大的铜电极,加工设置时需要补偿特定热膨胀值来修改尺寸,但不需要石墨电极。

  2.5电极重量

  石墨材料比铜密度低,相同体积的石墨电极重量仅为铜电极的五分之一。能看到的体积大的电极使用石墨材料非常合适。大大减轻火花加工机械主轴的负载,电极重量大,不会造成夹紧不便或加工中的偏转位移等问题。可见在大型模具加工中使用石墨电极是有意义的。

  2.6电极制作的困难

  石墨材料的加工性能优异,切削阻力仅为铜的1/4,在正确的加工条件下铣削石墨电极是铜电极的2~3倍。石墨电极容易清除角度,平时需要用多个电极完成的工件可以设计成一个完整的电极来加工。石墨材料独特的粒子组织结构,电极铣削成型后不会发生毛刺,对复杂造型的毛刺去除不容易,可以直接满足使用要求,消除手动研磨电极的工艺,避免抛光引起的形状变化、尺寸误差等。石墨是灰尘沉积物,所以铣削石墨时会产生很多灰尘,所以铣床必须有密封和真空装置。如果需要用电火花线切割加工石墨电极,其加工性能不如铜材料,切割速度比铜慢约40%。

  2.7石墨火花机加工公司介绍电极的安装和使用

  石墨材料的粘合性好,可以使用挑战粘合剂将石墨用夹具粘合在一起的方法铣削电极和放电加工,省去在电极材料上加工螺纹孔的工艺,节省工作时间。石墨材料比较脆,特别是小而窄的电极在使用中受到外力作用时容易断裂,但可以立即看出电极受损。如果是铜电极,它只会弯曲,不会断裂。这种情况在使用过程中非常危险,难以发现,工件容易报废。

  2.8价格

  铜材料是不可再生资源,价格趋势越来越贵,石墨材料价格趋于稳定。近年来,铜材料价格不断上涨,各大石墨制造商不断改善制造石墨的工艺,具有性价比优势。目前,各向同性石墨材料的价格低于铜材料,在相同体积下,通用性石墨电极材料的价格比铜电极材料的价格低30%,相当于以普通铜材料的价格获得高质量的微细石墨材料。综上所述,石墨电极的8种电火花加工特性中,优点是铣削电极和放电加工效率均优于铜电极,大电极重量小,尺寸稳定性好,薄片电极不易变形,表面纹理优于铜,价格低廉。石墨材料的缺点是不适合VDI12(Ra0.4 m以下的微表面放电加工,使用火花线切割制作电极效率低。但是从实际角度来看,石墨材料在国内不能有效推广的一个重要原因是铣削电极需要特殊的石墨加工机。这对模具企业的加工设备提出了新的要求,部分中小企业可能不具备这个条件。总的来说,石墨电极特性的优势涵盖了电火花加工的绝大多数加工场所,值得广泛应用,长期可见,精密表面加工的不足可以用铜电极弥补。

  电火花加工用石墨电极材料的选择

  对于石墨材料,主要由以下四个指标直接决定材料的使用性能:

  (1)材料的平均粒子直径。材料的平均粒子直径直接影响材料放电状态。石墨材料的平均粒子越小,材料放电越均匀,放电状态越稳定,表面质量越好,损失情况越小。平均粒子越大,粗加工中去除率越好,但由于光洁度表面效果不好,电极损失较大。

  (2)材料的抗折强度。材料的折叠强度是材料强度的直接表现,显示了材料内部结构的坚固性。强度高的材料放电抗损失性能相对较好,精度高的电极可以选择强度好的材料。

  (3)材料的肖尔硬度。石墨的硬度高于金属材料,切削时刀具的损失大于切削金属。与此同时,硬度高的石墨材料在放电损失方面控制较好。

  (4)材料的固有电阻率。固有电阻率较大的石墨材料,放电速度小于电阻率。固有电阻率越高,电极损耗越小,但固有电阻率越高,放电稳定性就会受到影响。

  目前世界著名石墨供应商中,不同供应商可以选择不同等级的石墨。通常根据石墨材料的平均粒子直径分类。粒子直径 4  m被定义为微石墨,粒子被定义为5 ~  10 m到中间石墨,粒子被定义为10 m以上的粗石墨。粒子直径越小,材料的价格越贵,根据火花加工要求和成本,可以选择合适的石墨材料。

  石墨电极的制备

  模具制造的石墨电极主要用铣削加工方法制作。从加工工艺的角度来看,石墨和铜是两种不同的材料,因此要掌握不同的切削特性。使用加工铜电极的工艺加工石墨电极会导致薄片经常断裂等问题。这需要适当的切削刀具和切削参数。加工石墨电极比铜电极的刀具磨损大,考虑经济性,选择硬质合金刀具最经济,选择金刚石涂层刀具(称为石墨刀)比较贵,但金刚石涂层刀具寿命长,加工精度高,整体经济效益好。刀具的前角大小也会影响使用寿命。前角为0的刀具的使用寿命比前角为15的刀具高50%,切削的稳定性也很好。但是,坡度越大,加工表面越好,使用15平方角的刀具可以获得最佳加工表面。加工时,刀路速度可根据电极形状(通常为10米/min)进行调整,类似于铝或塑料加工。粗加工时,刀具可以直接在工件上上下刀,精加工时常用崩溃角度、易碎、轻刀快速行进的方式。石墨电极在切削加工中产生大量灰尘,为了防止石墨粒子被机器主轴和螺杆吸入,目前的解决方案主要有两种,一种是使用专用石墨加工机,另一种是改造普通加工中心,放置专用真空吸尘器。市面上专业黑膏速铣床铣削效率高,容易制造复杂电极,电极精度高,表面质量好。

  如果需要使用电火花线切割制作石墨电极,建议使用粒子直径较小的微石墨材料。石墨材料的电火花线切割性能不好,颗粒直径越小,切割效率就越高,可以避免频繁的单丝、表面条纹等异常问题。

  石墨电极电火花机加工参数

  石墨和铜材料火花加工参数的选择有很大的差异。火花加工参数主要包括电流、脉宽、脉冲间隔、极性。以下是合理使用这些主要参数的依据。

  石墨电极的电流密度一般为10~12 A/cm2,远远大于铜电极,因此在该面积允许的电流大小范围内,电流选择越大,石墨放电处理速度越快,电极损失越小,但表面粗糙度越粗糙。

  脉宽选择越大,电极损耗越小。但是,如果脉冲宽度较大,加工稳定性就会下降,处理速度会减慢,表面也会变得粗糙。粗加工时,为了保证电极的低损耗,一般使用较大的脉宽,能够在100 ~ 300US处有效地进行石墨电极的低损耗加工。收尾时,为了获得精确的表面和稳定的放电效果,建议使用较小的脉冲宽度。普通石墨电极比铜电极加工时选择的脉冲宽度减少了约40%

  脉冲间隙主要影响放电加工速度和加工稳定性,值越大,加工稳定性越好,表面均匀性提高,但加工速度下降。加工稳定时,使用小脉冲间隙可提高处理效率,但放电状态不稳定时,脉冲间隙选择较大可提高处理效率。石墨电极放电加工中,通常将脉冲间距和脉宽设置为133601,而铜电极加工中,脉冲间距和脉宽设置为133603。石墨加工稳定时,可以将脉宽的脉冲间隔调整为233603。脉冲间隔小时,有助于在电极表面形成覆盖层,有助于减少电极损耗。

  石墨电极电火花加工的极性选择与铜电极基本相同。根据火花加工的极性效果,加工模具钢时通常使用双极加工,即电极连接电源的阳极,工件连接电源的阴极。如果使用较大的电流和脉冲宽度选择阳极加工,可以达到非常低的电极损耗效果,如果极性选择错误,电极损耗可能会非常大。只有在表面要求小于VDI18(Ra0.8m)的微加工和使用非常小的脉冲宽度的情况下,才能使用阴极加工获得更好的表面质量,但电极损失很大。目前,数控电火花机床配有石墨放电加工参数。电气参数的使用是智能的,可以通过机床的专家系统自动生成。通常,在编程时,您可以选择材料对、应用类型、表面粗糙度值,输入加工面积、加工深度、电极尺寸缩放等,以配置机床的优化加工参数。机械拥有石墨电极放电加工的丰富加工参数库,材料类型可选择石墨、中石墨、细石墨,应用类型可细分为标准、深槽、尖点、大面积、大腔、细粒等,还提供低损耗、标准、高效等多种加工优先选项。

  石墨电极加工应用实例

  手机模具零件的材料S136钢材,加工形状包括形状复杂的强化材料。使用石墨电极,精加工电极使用TTK-4石墨,电极数为2个,粗电极尺寸倍率单方面为0.08毫米,精加工电极尺寸倍率单方面为0.08毫米。粗加工时间3H,精加工时间53分钟,表面粗糙度VDI18(Ra  0.8m)。加工说明:利用石墨的特性,制作不同形状,将不同高度的大量薄强化材料组合在一个电极上进行放电加工,可以减少电极原材料、夹具的投入成本,减少电极的夹紧次数和位置工作量,放电时间比使用铜电极加工减少40%。

  7.结束语

  新型石墨电极材料值得大力推广,其优越性将逐渐被国内模具制造业认识和接受。正确选择石墨电极材料,改善相关工艺流程,可以为模具制造企业提供高效、高质量、低成本的效率。

       感谢大家耐心看完,如果想要更多关于石墨火花机的相关知识,欢迎联系我们!


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