石墨电极电火花加工性能的影响因素分析.doc

石墨电极电火花加工性能的影响因素分析影响石墨电极电火花加工性能的因素很多，各因素的合理配合对电火花加工特性有重要的影响。分析了主轴性能、脉冲电源及智能控制、工作液、电参数和加工极性选择等对石墨电极加工性能的影响，为生产实践提供了理论依据。在电火花加工中如何正确选用石墨材料，并达到最佳的使用效果，不仅需考虑石墨电极材料牌号，同时要考虑加工参数及其机床性能等因素。影响石墨电极电火花加工性能（加工速度、加工表面粗糙度和电极损耗）的因素主要有机械系统性能、脉冲电源、控制系统、加工面积、放电参数、工件材料、工作液、电极形状、冲液方式等。本文根据国内外的有关研究着重从电火花机床、放电加工参数和加工材料等方面进行系统的分析和论述。1 机床特性对石墨电极加工性能的影响1.1 主轴性能的影响主轴是电火花成形机的一个关键部件，它控制工件与工具电极之间的放电间隙。主轴的抬刀速度、传动速度和摇动方式直接影响生产率、表面粗糙度和加工稳定性等工艺指标。目前已普遍采用步进电动机、直流电动机或交流伺服电动机驱动主轴。1.1.1 抬头排屑主轴抬刀对于改善深槽（型腔）窄缝等微细加工的排屑，防止积碳和二次放电等现象有明显影响。发展高速抬刀是必然趋势。目前交流伺服电机驱动，抬刀速度一般可达35m/min1。日本Sadick公司AQ35L主轴采用直线电机控制，传动机构简单，不用滚珠丝杠，没有传动间隙，能实现高速度、高加速度移动，满足了EDM加工高速响应的要求。最大驱动力高达3000N，快进速度可达100m/min，最大加速度达到1g以上，能及时排除电蚀产物消除集中放电、二次放电。间隙不均匀性等得到极大的抑制，特别是对加工深槽窄缝能产生良好的效果2。例如：用端面面积为1mm38mm、斜度1的石墨片电极加工钢，深度达70mm，免冲液，粗加工用时2h10min，精加工用时1h30min，总共用3h40min，提高了加工速度。瑞士Charmilles公司的ROBOFORM 35P机床，不但提高了主轴运动速度，还提高了坐标轴的运动速度，使电极交换时间节省35。用截面20mm20mm的电极，无冲液加工100mm深的型腔，加工时间仅为5h，表面粗糙度达到Rmax10m。Makino EDNC系列抬刀速度在小型机床上是2m/min，在大型机床上是10m/min。1.1.2 主轴摇动主轴的摇动功能可使加工表面均匀，得到高精度和高质量的加工表面。目前已有多种摇动方式，除了圆形和方形摇动外，还有六角、半圆柱、半球、三维射线、三维圆弧等摇动轨迹，遇到其他任意形状，可根据一个完整的轮廓建立所需的摇动方式。日本Mitsubishi EA系列电火花机床新开发的Orbit Pro摇动功能，电极以恒定运动进行加工，跟踪目标形状，实现高稳定加工；而常规摇动加工，沿目标形状一点一点连续加工，电极移动不平滑，变速移动，加工不稳定，两者对比如图1所示。1.2 脉冲电源及智能化控制的影响脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工速度、电极损耗等都有很大的影响。模糊控制（FC、FLC）电源是利用CNC系统对间隙量、间隙电压、瞬时放电状况等参数进行检测，通过专家系统进行比较判别，对电参数与伺服系统进行控制的一种脉冲电源。它一般可提高加工速度2030，降低了电极损耗，在深槽、筋、多型腔、大面积的加工中效果尤为明显3。FP脉冲电源是为控制加工屑而设计的脉冲电源，可防止短路时加工屑的集中，它通过对加工电流的控制，改善加工表面的质量，并且能够显著地降低电极损耗4。Mitsubishi最新型的电火花加工机床采用全新FP电源，它有PS电路何-SC电路。PS电路提供一个稳定的超短脉冲讯号，放电脉冲的最佳控制防止了短路现象，实现稳定的无光泽表面精加工，排除了精加工表面的波纹和凹陷现象。-SC电路大幅度降低了小面积精加工（表面粗糙度为Rmax410m）的电极损耗。Makino EDNC系列电火花加工机床采用P-脉冲2，加工稳定，尤其适合使用石墨电极加工，可消除不规则放电现象，实现HQSF（High Quality Surface Finishing）（图2）。采用人工智能（IES）自动控制放电过程，通过专家系统实现旋转补偿、检测等多种功能。高灵敏度放电伺服技术可进行无冲液放电，由于在无冲液放电时，电火花间隙变化不大，可实现稳定可靠的精加工。并且可以10m/min（EDGE2型）的速度进行主轴快速跳跃，排除气体和残渣，能在无冲液的状况下加工深窄腔5。1.3 工作液的影响根据实际生产经验，使用石墨电极进行电火花加工时，宜采用专用的合成型火花油或混粉工作液。重要品牌有：美国Hirschmann Engineering公司生产的Ionoplus牌工作液，意大利Common Weahh Oil公司生产的EDM244，以及ESSO，FUSHS，BP，CASTROL工作液等。高质量的工作液可降低石墨电极损耗，获得良好的加工表面精度。混粉工作液通过添加硅、铝、钨、铬、钛等导电粉末，可改变工作液性能，提高精加工的稳定性，用于大面积精加工时，可减少抛光工时或无需抛光。日本石油公司生产的ED混粉工作液，适合大面积的塑料模具、大型石墨电极及筋条加工，能实现均匀、稳定的放电。实施镜面电火花成形加工时，可使精加工时间缩短2030。日本Makino采用SC添加剂的工作液，可过滤，可粗、精加工共用一套工作液系统，在加工时分散放电，可提高表面质量，有利于控制间隙，提高加工速度。如图3所示SC工作液与普通工作液相比可获得稳定的精度和较低的表面粗糙度值，特别是电极尺寸较大时，效果更明显5。2 电参数对石墨电极放电加工性能的影响2.1 脉冲宽度的影响脉冲宽度决定脉冲能量。使用不同的工件材料、加工极性、电极材料时脉冲宽度对放电加工特性的影响也不同。如图4、图5所示，脉冲宽度越大，电极损耗越小。采用负极性加工工具钢时，当脉冲宽度为250s时，电极出现负损耗，采用正极性加工电极损耗较大。加工铜合金时不论采用正极性或负极性加工电极损耗都比较大。随着脉冲宽度的增大，蚀除金属材料就越多，产生的蚀坑越深越宽，加工速度提高，工件的表面粗糙度较大。因此粗加工时，脉冲宽度可以选择大一些，减小电极损耗，提高加工速度。不同的石墨电极牌号脉冲宽度对电极损耗的影响也不同，石墨颗粒越小，相同脉冲宽度条件下电极损耗越小。2.2 峰值电流的影响电极材料为POCO的EDM-3石墨，工件材料为工具钢，采用正极性加工，脉冲宽度为40s，峰值电流分别为50A和25A，测得的加工速度、电极损耗和表面粗糙度如表1所示。由表1可看出。峰值电流变小，加工速度下降，而表面粗糙度减小。石墨电极与铜电极相比，因有极好的耐热性，可加大电流值，提高生产效率。粗加工时，可以用较大 电流（几百安培）。但是在一定加工面积条件下，有一个极限，超过这个极限，会造成加工不稳定，电极和工件会产生拉弧烧伤，生产率反而降低。微细电极承受不住过强的电流，容易受损。石墨电极正极性加工时，电流密度通常设为1012A/cm2；负极性加工时，电流密度通常设为68A/cm2 67。2.3 电极与工件的边侧间距关系电火花加工时放电间隙在不断变化，间隙的大小影响着加工精度，对复杂形状的加工表面影响尤其严重。如使用东洋炭素ISO-63材料，表面粗糙度达到R10m时，放电面积不同，边侧间距也不同。放电面积越大，相应的边侧间距也应变大；相同的加工面积粗 加工的边侧间距大于精加工的边侧间距。随着加工深度的增加，边侧间距有时也要相应的增加，如图6所示，以保持良好的排屑。2.4 工件材料对加工极性选择的影响对不同的工件材料应选择不同的加工极性，因为加工极性直接影响加工效果（电极损耗、加工速度和表面粗糙度）。以铜合金MS-46（Cu、Ni、Al、Zn的质量分数分别为68、14、10、6）为例，粗加工时，主要考虑电极损耗和加工速度，采用大脉冲宽度，如图4a、4b所示，正、负极性加工电极损耗相差不大，但正极性加工速度快，因此应选择正极性加工。精加工时，主要考虑电极损耗和加工表面质量，如图4a、4c所示，当缩短脉冲宽度，负极性加工的电极损耗明显比正极性加工小的多，并且表面粗糙度也小，因此精加工时应选择负极性加工。如图5所示，加工工具钢时，粗加工和铜合金一样，要采用正极性加工，而精加工时，采用正、负极性加工电极损耗相差不大，表面粗糙度也基本相同，故精加工时两者皆可。表2 钛合金放电加工实验结果加工极性加工深度/mm电极损耗/ 加工速度/（mm3/min）单边间隙/mm正极性3.072.861.4400.10负极性3.06.5049.1950.19采用石墨电极，在脉冲宽度为100s，脉冲间隔480s，峰值电流90A的条件下，改变加工极性，对钛合金进行放电加工实验，结果如表28所示，采用负极性加工时，其各项工艺指标均比正极性加工好，因此对于钛合金应选用负极性加工。同样，对不锈钢、铝合金等的放电加工特性均受加工极性的影响，加工极性选择如表3所示。表3 加工极性选择工件材料粗加工精加工工具钢不锈钢铝合金钛合金铜合金3 结束语影响石墨电极电火花加工性能的因素很多，本文对主要影响因素进行了分析和总结，在生产实际中有一定的指导意义。高效率石墨火花机数控电火花机 得高精度的实惠!高效率石墨火花机数控电火花机在精密微细,石墨放电,汽车模具,家电模具,深型腔等加工方面独具行业高效率领先优势! 在镙牙薄片，齿轮盲孔，蜗杆骨位, 深型腔，接插件，硬质合金等方面具有行业绝对优势水平。而本高精度数控火