石墨电极的应用.doc

石墨电极的应用天道酬勤，思者先行；学无先后，达者为师！ 谭永军石墨电极的应用石墨是一种由碳元素组成的化合物,其原子结构按六边形蜂窝状结构排列,原子核外围的4个电子中的3个电子和邻近原子核的电子组成牢固稳定的共价键,多余的1个原子可沿网平面作自由运动,使其具有导电的特性.& 石墨电极使用注意事项1.防湿- 避免雨、水淋湿或潮湿,使用前须经烘干.2.防撞- 要轻拿轻放,运输时防止冲击和碰撞的损坏.3.防裂- 用螺栓紧固电极时,注意力度,防止受力爆裂.4.防折断- 石墨性脆,特别是细小窄长电极,在外力作用时都易折断.5.防尘- 机械加工时要有防尘装置,减少对人体和环境的影响.6.防烟- 放电加工易产生大量的烟幕，须有通风装置7.防积炭- 石墨放电时易积炭,放电加工时要密切留意其加工状态一，石墨与红铜电极的放电加工的比较（要求完全掌握）1.机械加工性能好：切削阻力为铜的1/4，加工效率是铜的2-3倍，2.电极抛光容易：表面处理容易、无毛剌：容易手工修整，用砂纸简单表面处理即可，极大避免电极形状和尺寸受外力造成的形状失真；3.电极消耗小：导电性好，电阻率低，为铜的1/31/5，粗加工时可以达到无损耗放电；4.放电速度快：放电速度为铜的23倍，粗加工的间隙可达0.50.8 m m，电流最大可达240；正常使用为10120A时电极损耗最小。5.重量轻：比重为1.71.9，为铜的1/5，对于大型电极可以极大减少重量，降低机床负荷和人工调装难度；6.耐高温：升华温度为3650，高温条件下电极不软化，避免薄壁工件的变形问题；7.电极变形小：热膨胀系数CTEX10-6/，仅为铜的1/4，提高放电的尺寸精度；8.电极的设计不同：石墨电极容易清角，可以将平时要由多个电极的工件设计成一个完整电极，提高模具的精确度，并减少放电时间。A.石墨的机加工速度比铜快，在正确的使用条件下比铜快2-5倍.B.无需像铜那样因为去毛刺而消耗大量工时；C.石墨的放电速度快，粗放电加工为铜的1.5-3倍D.石墨电极损耗小,能减少电极使用量E.价格稳定,受市场价格波动影响小F.耐高温,放电加工电极不变形G.热膨胀系数小，模具精度高H.重量轻，可满足大型和复杂模具的需要I.表面易加工，容易得到合适的加工表面 物理特性：A.石墨的熔点比铜高得多石墨为：3650度，铜仅为1060度B.单位面积能承受更大的电流 由于铜熔点低，其总电流量受限，而石墨总的电流量允许值却可以放得很大.因此石墨可以进行大电流放电加工.化学特性：加工液中碳原子的补偿作用减少了石墨电极的损耗二，石墨生产商介绍（基本认知）目前全球知名的石墨供应商主要有五家：东洋、西格里、东海、罗兰和步高常用的几种典型TOYO（日本东洋）石墨：普通级: -大型低损耗石墨 如: ISEM-7、ISEM-8用于压铸模、锻造模、橡胶模、塑料成型模.如汽车、摩托车塑料部件 特点是大电流加工(粗加工)速度快,损耗小,但表面光洁度较差.中等级: -精密低损耗石墨 如: ISO-63、TTK-50用于塑料成型、注塑成型(外观塑料件)模、普通精密模具.如大小家电类产品模具,骨位电极. 特点是既保证加工速度,又保证表面光洁度.高等级: -超微粒子高精度石墨 如: TTK系列石墨用于高端产品的精密模具、深窄型腔、硬质合金和高品质表面的部位.如电子产品模、IC模、纹面加工和喇叭网类电极等.特点是放电加工能得到相当高的表面光洁度和加工精度,是目前生产高端产品的必选电极材料.三、加工机床（基本认知）通常用常规的车削、铣削、磨削、钻削和线切割的方法可以满足加工简单形状的需求,但近年来对电极几何形状复杂性的要求持续增加,针对这类电极就必须采用高速加工。石墨电极在机械加工时会产生大量的粉尘，为了避免石墨颗粒吸入机床主轴和丝杠，需要专门的防尘设计。目前解决方案主要有两种：专门的石墨加工机；或经过改装的CNC带专门的吸尘设备，也可采用火花油做冷却液来加工。四、典型石墨电极加工实例（基本认知）1.超大型电极材料：ISO-63尺寸：800600mm，如果用铜电极进行EDM加工是很困难的。2.喇叭网电极材料：TTK-4尺寸：970100mm，电视机喇叭网模具表面火花纹要求高，用TOYO石墨做电极损耗小、加工出来的表面细腻均匀，棱角清晰。3.手机模电极材料：TTK-4应用于特定表面火花纹要求的手机，具有模具量产寿命长，表面花纹CH22。4.汽车模电极材料：ISEM-7尺寸：750150190mm，放电速度快，损耗少，成本低。5.骨位电极材料：ISEM-7尺寸：45035050mm，众多筋条，一次成型，一次放电，放电时间缩短到原来的40%。6.大型组合电极材料：ISO-63尺寸：550550150m m，众多筋条，一次成型，一次放电，放电时间缩短到原来的55%，并节省大量材料。 石墨电极对放电条件的要求1，对脉冲电流(IP)的要求：（要求很好掌握）脉冲电流的特点是:数值越大,放电加工速度越快,放电间隙越大,表面粗糙度越粗,电极损耗越小.1). 脉冲电流受放电面积的影响, 即电流密度的影响. 石墨电极脉冲电流的选用原则以平均电流为标准 石墨电极大型时，电流密度通常设为1012A/cm2； 石墨电极时，电流密度通常设为68A/cm2.2). 脉冲电流受电极减寸量（火花位）大小的影响 若大面积用小火花位或小面积用大火花位都不适合石墨电极的正常放电加工. 电流的选用须由电极面积的大小来确定,这是最合理选用方法. 石墨电极的平均电流达到10A120A时,电极损耗最小.随电流的增大电极损耗也增大.2， 对脉冲宽度(ON TIME、放电脉宽)的要求：（要求很好掌握） 脉宽的特点:数值越大,放电时间越长,加工速度越快,电极损耗越小,放电间隙越大,表面粗糙度越粗.加工稳定性越差. 石墨电极的脉宽取值范围为01000 us. 脉冲宽度较大时，加工速度随着脉宽的增大，加工不稳定，加工时间增加，加工速度减慢 ,并使工件表面烧蚀;其取值一般不超过420 us.当脉宽在100300us时石墨电极损耗最小. 脉宽的选用要根据电流大小以及放电加工要求来确定,若放电面积较大或用作粗加工时,为提高加工速度,脉宽取大些;细小的面积或精加工时,考虑到表面粗糙度, 则脉宽取小些. 工件材料不同,加工极性不同,脉宽对加工效果的影响也不同. 不同的生产厂家、不同等级、不同批号的石墨材料,脉宽的影响也不同. 相同脉宽,石墨颗粒越小,电极损耗越小.3， 对脉冲间隔 (OFF TIME 放电休止)的要求：（要求很好掌握） 脉冲间隔的作用是让放电自动辙消,消除电离, 让加工液介质清除杂物,并为下一次放电作准备. 脉冲间隔的特点:只影响放电加工速度和加工稳定性,而对其它影响较小.当其值越大,加工稳定性越好,加工速度相对较慢，但放电稳定却比不稳定要快；. 脉冲间隔的取值范围要比脉宽宽得多, 可在02500 us之间.脉冲间隔为100us时达到最小值，脉冲间隔再增加电极损耗反而增大. 石墨电极放电加工中常取脉冲间隔(OFF)=脉宽(ON),并视加工的稳定情况进行调整到脉宽的1/32/3. 当脉冲间隔合适时，随着脉冲间隔的增加，极间介质的消电离比较充分，有利于形成覆盖层（在电加工过程中蚀除产物和介质分解的含炭物附着在电极表面），因而电极损耗减小，但当脉冲间隔大于100us时，电极和工件表面冷却的时间过长，下一个脉冲就需要更多的能量形成放电通道，并且不利于覆盖层的形成，电极损耗反而增加。若脉冲间隔过小，电极和工件之间的消电离不充分，可能在电极表面和工件表面产生烧蚀现象。 休止时间一般只影响放电加工速度,而对电极损耗和加工表面粗糙度的影响不明显. 4 对间隙电压(SV)的要求：（要求很好掌握）间隙电压的特点:值越大,加工稳定性越好,放电加工速度越快.放电间隙大小, 对电极损耗和表面粗糙度影响不大： 不同的火花机台,所设定的间隙电压的档级也不同,一般分为:4060V档,90120V档, 150190V档,200250V档. 石墨电极的大电流加工要使用较大的间隙电压,可达200250V. 而精加工中则用较小间隙电压(4060V). 使用不档位的间隙电压,其加工电流也不同.5 对加工极性的要求：（要求很好掌握）在电火花加工中，脉冲电源极性决定了电流的方向，不同的电极极性直接影响电加工效果（电极损耗、加工速度和表面粗糙度）. 在正极性加工时，石墨电极作为正极，随着电流的流过，温度上升，放出的热电子就增多.因此，工件被蚀除的部分就多，此时加工速度快. 加工模具钢时，石墨电极在负极性加工时与正极性加工比较：电极损耗大，加工速度慢，表面质量好。在较长脉宽时，如脉冲宽度为200us时，正极性加工的电极损耗几乎达到零，有时还会出现逆损耗，但表面粗糙度值增大，石墨电极粗加工时，用较长脉宽，如果着重考虑电极损耗，应采用正极性加工（即石墨电极设为正极，工件设为负极），电极损耗小；如果首先考虑工件的加工速度，也采用正极性加工（即工件设为负极，石墨电极设为正极），加工速度快。 红铜电极在精加工或微精加工时，用较短脉宽应采用负极性加工，有利于获得较好的表面质量，但电极损耗较大： 不同的工件材料，石墨电极极性的选择也不同.一般工具钢、不锈钢、铜合金、铝合金、钨钢采用正极性加工,而钛合金多采用负极性加工6 加工速度的调整：（要求很好掌握）放电加工时，工具和工件同时受到不同程度的电蚀，单位时间内工件的电蚀去除量称之为加工速度，即生产率. 在电火花加工过程中，影响加工速度的因素很多，主要有加工极性、电参数、工件材料以及工作液等.提高加工速度常在在粗加工中优先考虑,通常是放电能量越大,加工速度越快,所以: .依靠较大的电流才能确保石墨电极的高速加工； .要保证足够的火花位才能使用较大的加工电流； .增加脉宽虽然也能提高加工速度,但在石墨电极放电加工中,过大的脉宽会使加工不稳定反而影响加工速度,且容易发生积炭的现象； .用较短的放电休止可以提高加工速度,但要注意加工稳定性； .用较大极间电压或高压电流对提高加工速度有利； .不同的电极材料、不同的工件材和不同的火花机台要选用不同的放电参数。7 表面粗糙度的调整 ：（要求很好掌握）表面粗糙度由脉冲宽度、峰值电流、电极材料和工件材料共同决定的.电火花加工的表面和机械加工的表面不同，它是由无方向性的无数小坑和硬凸边所组成，电火花加工表面粗糙度通常用微观轮廓平面度的平均算术偏差Ra表示。表面粗糙度受石墨颗粒直径大小的影响, 颗粒越大其得到的表面粗糙度就越粗.通常选用细粒径的石墨来提高表面光洁度；脉宽越大,单位时间内放电时间越长,放电蚀痕越深,其加工表面也越粗.石墨电极以较小的脉宽来完成放电过程,则形成较浅的蚀痕而利于抛光.铜电极为了损耗小用较长的脉宽来完成放电,其形成的蚀痕较深、表面硬度也大,从而导致抛光困难；峰值电流越大,加工表面粗糙度, 其没有脉宽影响大,所以石墨电极的“大电流、小脉宽”原则也是降低加工表面粗糙度的特点.主轴摇动加工方式也是降低表面粗糙度和获得均匀纹面的有效手段。8 电极损耗的调整：（要求很好掌握）放电加工时，单位时间内电极的蚀除量称之为损耗速度。在实际生产中，通常采用相对损耗作为衡量工具电极耐损耗的指标.在电火花加工中存在4种损耗：整体损耗、角损耗、端面损耗和侧面损耗。由于角部损耗决定最后加工的精度，所以它的损耗率最重要，特别是电极精修时应重视角损耗。石墨电极放电加工时,电流越大,电极损耗越小,正常情况下,脉宽越大,电极损耗越小.但在石墨电极放电加工中过大的脉宽会导致石墨电极出现毛刺的负损现象,所以石墨电极的最大脉宽一般不超过420s,且随着放电面积的越小,其脉宽值也越小；合理配合脉宽,也可减少电极损耗,当IP=10A120A、ON=100s300s时,是石墨电极放电加工无损耗条件。 9. 放电参数的常规调整方法: (普通机台)加工类型铜石墨电流密度(A/cm)大面积加工1012常规加工5768脉宽(s)与峰值电流的配合(倍数)粗加工15251015精加工515210休止与脉宽的配合(比率)粗加工1:2101:12精加工1:251:1/21非放电参数对石墨电极的影响1 电极减寸量的影响：特点:值越大,所允许的放电能量越大,其加工速度越快.表面粗糙度越大,电极损耗越小。 通常情况石墨电极粗加工的电极减寸量要留得大些,精加工的要留得小些,若粗加工电极减寸量过大或精工电极减寸量过小, 都会造成粗加工时留给精加工的余量过多, 导致精加工电极的损耗,势必影响精加工的精度； 电极减寸量要根据电极面积的大小和火花机台承受能力来确定. 石墨电极放电加工的电极减寸量取值要比铜电极大,通常是粗加工电极减寸量在铜电极的基础上增加3040%.精加工电极减寸量取粗加工电极减寸量的1/2.2 加工液的影响：加工液的作用是：形成火花击穿的放电通道，并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态，对放电通道产生压缩作用；帮助抛出和排除电蚀物；冷却电极和工件等。 在所有放电加工中，充足的冲洗是很重要的。在使用石墨电极时，磨损颗粒可能会因重量特别轻而悬浮在放电液中，造成加工不稳定.所以要特别注意冲洗和过滤。 加工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. 加工液的质量和干净程度,也是影响石墨电极损耗的关键因素,由于加工液中也存在着大量的碳原子,其在高温放电的作用下,加工液中的碳原子被分离出来,并转移粘附在石墨电极的表面而形成一层保护膜,从而补偿了石墨电极的损耗,这也是石墨电极为什么比铜电极损耗少的原因之一.3 火花机台的影响：同使用铜电极加工一样，电火花机床本身（主轴性能、脉冲电源及智能控制、冲洗方式和加工液）对石墨电极的加工性能有重要的影响，它直接影响加工表面粗糙度、电极损耗和加工精度. 对于目前市场上的火花机台,归纳为两大类: 一类是高精密数控火花机,主轴性能、脉冲电源都是电脑智能控制,并拥有比较完善的石墨电极放电参数,所以能达到高效率(加工速度比铜快23倍)、低损耗(电极损耗率可在1%以下)、光洁度高(光洁度可达到Ra0.1um)的加工效果.如: MAKINO(牧野) 、MITSUBISHI(三菱) 、SODICK(沙迪克) 、CHARMILLES(夏米尔) 另一类是普通火花机, 此类机台种类繁多,且其主轴的性能、脉冲电源智能控制和电参数的设定各有差异,其特点是石墨电极放电参数不完善,必须人为设定其参数才能确保石墨电极正常放电. 目前所有火花机台生产商都在改进工艺,目的是使火花机台既能用铜电极加工,也能用石墨电极加工,这是石墨电极应用发展趋向.放电加工常见问题及处理1 开始加工放电不稳定 产生原因: 石墨电极电加工开始阶段，由于工件接触面积小,或存有切削屑、毛刺，导致集中放电；并且由于放电能量大（峰值电流高，脉冲宽度宽），而脉冲间隔过窄，喷流压力太大，导致开始加工时放电不稳