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电火花石墨电极的特性研究及应用 摘要：由于石墨作为电加工中的电极具有各种杰出的特性，堪称一种理想的电极材料，它在迅速发展的 电火花放电加工业中起到了不可忽视的作用。从石墨的物理性能、机械加工性能、放电加工性能等方面 进行了详细的分析，为广大电加工用户使用石墨提供尽可能多的经验和参考。 关键词：石墨物理性能机械加工性能放电加工性能 0 前言电火花放电加工中用石墨作电极，具有以下令人称道的优点：优良的热稳定性，电极不变形， 在电介液中对环境无污染，重量轻，其密度不足铜的1/4，选用细颗粒的石墨电极能加工出高品质 的工件表面等等。由于其杰出的特性，石墨堪称一种理想的电极材料，它在迅速发展的电火花放电 加工业中起到了不可忽视的作用。在今天模具生产制造的许多领域及现代加工方式中，起着基础的 作用。使用石墨的可能性还远不止此，石墨有许多被广泛认同的优点，如加工材料的高去除率和低 的自身损耗，与此同时，石墨有着优良的可加工性。对不同的加工精度，人们都能找到相适应的石 墨牌号。如果对有些人在试用石墨时不能达到预期满意的效果，那是因为人们对石墨及其特有的性能还缺乏了解所致。 1 石墨的物理性能 电火花放电加工用石墨从化学的角度来说是由碳和尽可能少的灰份所构成，这种纯度的石墨在 生理学上是惰性的，故在加工时不必拘于特别的安全规则。但有一点例外就是用于某些特别用途的 浸铜石墨，这种纯度的铜即所谓的高导电性的铜。石墨毛坯的形成大致有挤压、模压和等静压3 种 形式，分别对应不同的需求。其中等静压因为应力均布，材质一致性及密实性好而被广泛推崇。通常等静压石墨可制成长方体型或圆柱体型，也可按实际需要进行切割。品质控制对石墨生产的全过程是极为重要的，从原材料的进厂检验至全流程工艺参数的持续监控，是整个生产过程的有机组成部分。生产完成后，所得到的石墨是多孔性的，其孔的结构和气孔率视不同牌号的石墨而有着显著的不同。气孔的结构(孔径及气孔分布)决定了石墨在完成最终加工后能达到的表面质量。开口气孔率通常可用浸渍(如铜浸渍)加以改善，但闭口的单个气孔却无法有效地浸渍。如果把石墨置于绝缘液体中，它会吸收电介质，其吸收量取决于浸泡的时间，所用压力，介质粘度及石墨的材料结构。若是细颗粒，密实结构的石墨，在无压情况下，其外表面吸收的电介质是很少的，这也是为何在石墨加工时，并不能推荐此方法以减少石墨加工所带来的粉尘，改变气孔中电介质的粘度，对石墨电极在加工时的损耗以及加工材料的去除率会带来负面影响。若需要的话可在炉中加热至200左右几个小时，让石墨气孔中的电介质蒸发掉。由于惰性，即使存放若干年，石墨的材料结构和性能也不会改变。几种石墨的物理特性和显微照片(2001)对比如图1 所示，显然石墨标号越高，粒度和孔径就越小，密实程度也越好。 2 石墨的机械加工性能 石墨电极用传统的方法来进行机械加工非常容易，机械加工过程包括：锯开、研磨、车削、研 铣、火花浸蚀等。 R 8340 (EK 82)* R 8500 X R 8500 (V1466)* R 8510 R 8650 (V1364)* R 8710 体积密度g/cm3 1.72 1.75 1.77 1.83 1.84 1.88 开口气孔率% 15 14 13 10 10 10 粒度mm 15 12 10 10 7 3 孔径mm 2.0 2.0 1.5 1.5 0.8 0.6 气率102cm2/s 15 15 10 4 3 1 洛氏硬度80 HR10/100 80 HR5/100 70 HR5/100 95 HR5/100 95 HR5/100 110 HR5/100 抗折强度N/mm2 45 43 50 60 65 85 杨氏模量kN/mm2 10.5 10 10.5 11.5 12.5 14 电阻率mWm 12 15 14 13 14 13 热导率Wm 1K1 90 80 80 100 90 100 热膨胀系数(20-200C) 106/K 2.9 3.8 3.9 4.0 3.9 4.7 灰份max.% 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 * 以前的牌号 R8340 R8500X R8500 R8510 R8650 R8710 作者： fxbdt 2007-4-25 12:45 回复此发言 2电火花石墨电极的特性研究及应用 图1 几种石墨的物理特性和显微照片对比 研铣法是电极加工最常使用的方法。所使用的机械加工机床是一般传统的CNC 铣床和仿形铣 床，正如用于钢件加工的机床一样。若能使用高转速高成本效益的石墨电极专用加工机床则更佳。 应该说，同手工研铣石墨(一种非常规的加工方式)不同，用计算机辅助设计三维成型的直接用高速 铣床加工石墨电极己扮演着越来越重要的角色。加工石墨时铣床的转速是由计算机控制的而非材料本身。但走行速度也可按电极的几何形状进行调整，通常为10 mmin，同加工铝或塑料相类似。 图2 是切削刀具的几何参数，在图2 中，我们特别标出影响石墨切削的刀具的角度和表面。决定刀具寿命的因素是使用期间在斜面上所造成的磨损宽度VB，平均磨损宽度达到0.2 mm 的时候，此刀具视同被磨损报废。刀具的前角大小也影响其寿命。前角0 的刀具会比前角15 的刀具高出多达50的寿命，切削的稳定性也较佳。但是斜角越大，加工表面越佳；使用15 斜角的刀具能达到最佳的加工表面。 图2 影响石墨加工的刀具参数 使用者可选择许多不同的刀具材料，最常用于石墨机械加工的刀具材料包括：高速钢、硬质合金、金属陶瓷多晶钻石刀具等，见图3。值得注意的是多晶钻石的寿命最长。在某些情况下，当然金属陶瓷、高速钢和硬质合金也能符合成本效益。 高速研铣定义在速度500 mmin 以上，高速研铣有下列优点：电极生产时间大幅减少；可轻易制作复杂形体的电极；电极表面品质极佳。尽管切削速度的增加会减少刀具的寿命，却能使铣刀切削量更高。一般而言，加工速度愈快电极表面愈佳。由图4 可看出，若每一齿的进刀率增加，而刀具的寿命也只能增加一点点而己，但值得注意的是切削量的增加。我们特别推荐粗加工要以高进刀率来进行，至于精加工，因要达到表面精细的效果，才使用低进刀速率。 材质：R8500 每齿进刀率：0.04mm 图4 不同进刀率下的刀具寿命 切削深度：2.0mm 切削速度：1000m/min 与超过寿命后的切削量 图3 不同材质的刀具寿命的比较 要加工出优良的模具表面不仅要注意切削条件，也要选择适当的电极材质加以配合，一般而言使用愈细粒度的石墨能达到愈佳的效果。石墨电极加工时，我们建议采用如下的数据来加工： 切削参数粗加工精加工 切削速度vc/(m/min) 5001000 1000 每齿进给量fz /mm 0.10.5 0.1 刀具前角g /() 0 1015 石墨最适合用来加工薄且深长的薄条，以高速铣床来制作甚至可做出0.1mm 的薄条。 铣床加工时，建议使用图5 的第二种方式加工，因第二种方式加工可顺利把粉尘清除。 Vf Vf 第一种方式1 第二种方式2 图5 石墨铣削的两种方式 成型研铣技术是专为制造石墨电极而开发的，用塑料或钢材制造的研铣刀具其加工起始点是一模型。在一定条件下，使用这种方法能既快又省地制造出结构复杂的电极。塑料研铣刀具是由人造树脂和刚玉混合制造的阳模铸造而成。为保持其形状，研铣刀具被固定在一块板上，固化之后，其工作面须锐化。制作钢制研铣刀具时，应先制作一基础电极，然后用此电极去腐蚀钢制研铣刀具，直至其工作面的粗糙度达到要求为止。钢制研铣刀具的特点是使用寿命长。若要同时加工几个特定的电极或电极需被安装若干次，此时用成型研铣的方法加工就显得尤为经济。从节省时间的角度讲，成型研铣的加工方法可同仿形铣相媲美。 如图6 就是一个用石墨电极成型研铣后的曲轴模。 对于石墨加工过程中产生的飞扬的粉尘，无论是从环保还是人身健康方面来说都是必须解决的问题。此处可采用相对简单的方式达到有效吸尘的目的。例如可用高效吸尘器，水喷洒湿加工或水罩式加工的方式解决加工石墨时所产生的粉尘。 图6 石墨电极成型研铣后的曲轴模在干式机加工时，粉尘可直接对着加工的电极抽出，如图7 所示，由于有隔板的阻挡，粉尘不 3电火花石墨电极的特性研究及应用 会四处扩散。有效的吸尘装置应至少能产生300 mm 水柱的真空度或18 ms 的气流速度。在湿法加工中，粉尘被完全包围在加工源的位置。一种有趣的解决办法是在铣加工时用一种“水 罩去尘装置”，见图8。铣床上环行的喷嘴喷出水幕罩住整个加工区，但操作者仍能看清里面。这套粉尘控制系统是可移动的，它能连接到不同的设备上。加工下来的屑料可用另外的桶进行收集。 图7 干式加工中的吸尘装置图8 湿法加工中的水罩去尘装置 和所有的导电材料一样，石墨也可用放电切割来加工，粗粒度石墨切割较费力，密度高粒度细 比较容易线切割。石墨线切割速度比铜慢约40，电极的高度可根据较低的消耗率降低。 石墨可被粘结。用氰基丙烯酸盐类强粘结剂可将较小横截面的石墨粘结起来。这种低粘度粘结剂在粘结面形成的薄膜不会对电极的导电产生阻碍。因此也可用电极的粘结面作为工作面，而不需连接额外的电极。对于大截面电极的粘结，可选用两种树脂混合而成的粘结剂，它们较氰基丙烯酸盐类粘结剂具有更长的放电加工时间。由于有绝缘效应，故水平粘结的电极要有电桥，如可用石墨鞘钉产生电桥。 石墨的放电加工性能 使用石墨时，最大的材料去除率和最小的电极消耗率会因不同的电频率而有不同的结果，所以在放电加工时，决定是要以高材料去除率或低电极消耗来进行加工是很重要的。材料的去除率、电极消耗率、脉冲持续时间和安培数的关系，表示在图9、图10 中。精加工的作业中，为求精确，应使用电极消耗最少的系数，也应使用所想要的表面精细相关脉动系数。石墨的表现无法只凭物理及机械特性来决定。所使用的原料、生产过程与材料的结构等，都会影响去除率、电极消耗及表面精度。总的说来，生产石墨电极的粉料粒度越细，其电极损耗越小，工件表面加工质量越好，但同时加工材料的去除率也随之降低。 因此，在计划阶段选择最合适电极尤为重要，应考虑以下因素：凹槽的数目与深度；电极的制作时间与成本；电极的形体；加工机的系统；希望达到的表面粗糙度；希望达到的精确度。 图9 石墨的电腐蚀特性图10 铜的电腐蚀特性 另外，在所有电火花加工中，充足的冲洗是很重要的。在使用石墨电极时，要记住磨损颗粒可能会因重量特别轻而悬浮在放电液中，所以必须特别注意冲洗和过滤。放电液的流动率是影响有效冲洗的重要因素，而不是冲洗压力。液体加压冲洗法是最常使用的方法，因为去除的颗粒必须沿着电极表面放电，精确度将取决于 侧面的腐蚀，见图11。吸力冲洗法是较受推崇的方法，会使表面粗糙度与精度更佳，但必须