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電火花加工中電極材料的選擇 及其對加工質(zhì)量的影響


必須采用石墨作工具電極加工鋼件時,則可將沖油壓力逐級增大,這樣不但可以提高排屑力度,而且電極
損耗比紫銅電極損耗要低,如圖2所示。
表3　精加工電極材料加工效果對照表
序號加工電極
加工參數(shù)
電流
/A
脈寬
/μs
脈間
/μs
UP
DN
加工效果
加工材料(熱處理45鋼)
綜合加工
效果比較
1紫銅3 15 5 1 /2
加工中可見火星,有少量汽泡,但無白
煙,表面顆粒細膩, Ra= 3.2μm,加工時
間5630s。
良好
2淬火Cr12鋼3 15 5 1 /2加工穩(wěn)定性差,顆粒較粗,表面有少量積炭,Ra= 3.4μm,加工時間9927s。中
3石墨3 15 5 1 /2
加工中可見火花,加工不穩(wěn)定,表面有
輕微凸點和拉弧,Ra= 3.5μm,加工時間
7173s。
差
2.3　簡單深型孔的加工
在深度較深的型孔和型腔加工中,由于加工面積小,深度長,電蝕產(chǎn)物積聚,排屑不良,故加工速度和
穩(wěn)定性往往隨著深度的增加而降低。為了提高排屑力度,往往采用強迫沖油或抽油的方法進行排氣排屑,
雖然強迫沖油或抽油可以提高加工的穩(wěn)定性,但卻增大了電極的損耗,因為強迫沖油或抽油使熔融飛濺的
電蝕產(chǎn)物顆粒迅速冷凝,并被高速流動的工作液沖到放電間隙之外,減弱了電極上的“覆蓋效應(yīng)”,同時,間
隙中的工作液由于降溫而增大了介電系數(shù),使加工過程中消電離加快,也使電極上的“覆蓋效應(yīng)”減弱,因
此電極損耗增大,為此在使用紫銅電極加工鋼時,沖油壓力一般不能超過0.005MPa,否則電極損耗將顯
著增加,甚至影響到電極端面損耗的均勻性,使其電極端面損耗成凹形面,若是抽油則形成凸形面,如圖3
所示。另外,對于細長電極裝夾時若伸出部分較長,且電極橫截面積小、沖油壓力過大,則此時電極還要遭
圖3　沖油方式對電極端部損耗的影響　　　　　　　　圖4　凹模的電火花加工
受到較大的阻力,電極夾頭、進給絲杠和螺易母易產(chǎn)生變形,而電極在受到較大的沖擊力的同時,也對放電
間隙的伺服調(diào)節(jié)影響較大,使開路、短路過程增加,造成電火花加工很不穩(wěn)定。當(dāng)采用黃銅電極加工時,電
極損耗受沖油壓力的影響則較小,因為黃銅電極鋼性強于紫銅,從而也減輕了電極端面呈現(xiàn)出凹形面的可
能性。所以從“深度效應(yīng)”和電極裝夾角度考慮,為了便于電極的裝夾、校正和維修以及維持較長時間的穩(wěn)
定加工,減少加工進給系統(tǒng)負(fù)擔(dān),應(yīng)選黃銅作為工具電極。同時在相同規(guī)準(zhǔn)下長時間加工黃銅的穩(wěn)定性也
好于紫銅,且能夠獲得較好的粗糙度,尤其在穿透加工時黃銅電極略勝一籌。雖然黃銅的電極損耗較大,
它的加工速度低于紫銅的20%～ 30%,但只要選取好電參數(shù)和非電參數(shù)指標(biāo)(沖油、抽油、抬刀頻率、平動
方式和平動量大小),就能確保深型細長型腔的加工。
2.4　沖模加工
在冷沖模電火花加工中,一般選用鑄鐵或鋼作為工具電極,這樣可以方便地采用成型磨削方法制作電
極,提高生產(chǎn)率。在傳統(tǒng)的電火花穿孔加工中,往往采用“鋼打鋼”,即用鋼凸模作為電極直接加工凹模(如
圖4所示),加工時將凹模刃口朝下形成向上的“喇叭口”,加工后將工件翻過來使“喇叭口”(此喇叭口有利
于沖模落料)向下作為凹模,電極也倒過來將損耗部分切除或用低熔點合金澆固作為凸模;配合間隙靠調(diào)
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魏引煥等:電火花加工中電極材料的選擇及其對加工質(zhì)量的影響
表2　粗加工電極材料加工效果對照表
序號加工電極
加工參數(shù)
電流
/A
脈寬
/μs
脈間
/μs
UP
DN
加工效果
加工材料(熱處理45鋼)
綜合加工
效果比較
1紫銅6 500 3 2 /3
加工中火花較大,汽泡較多,有白煙,表
面有拉弧痕跡,Ra= 8.0μm,加工時間
1248s,電極損耗較大,生產(chǎn)率低。
中
2淬火Cr12鋼6 500 3 2 /3排屑很多,白煙較大,火花較大,Ra=8.0μm,加工時間641s。良好
3石墨6 500 3 2 /3
加工中火花較大,有少量白煙,Ra= 7.
2μm,加工時間502s,電極損耗小,生產(chǎn)
率較高。
好
從表2的實驗結(jié)果知:在長脈沖負(fù)極加工中,選用石墨工具電極對鋼件進行加工時,蝕除速度和電極
損耗比紫銅好,且生產(chǎn)率也高,這主要取決于石墨電極材料的性能,雖然它的導(dǎo)熱性和致密性不如紫銅,但
是它的耐高溫性(熔點和汽化點)遠比紫銅好,升華溫度高,電流上升率低,從而減小了汽化量,對降低電極
損耗有利,同時也有助于減少粉末結(jié)構(gòu)熱疲勞的不良影響,加上它能夠吸附游離的碳來補償電極的損耗
(當(dāng)然負(fù)極粗加工中還要注意避免過厚的吸附炭黑膜,否則會造成“負(fù)損耗”),所以電極損耗較小,從而實
現(xiàn)了長脈沖粗加工的“高效低損耗加工”。而“紫銅打鋼”和“鋼打鋼”時,由于紫銅和鋼的材料密度都較大,
加工參數(shù)脈間值又較小,蝕除下來的金屬粒大部分沉入工作液箱底部,增大了排屑難度,造成工作液密度
增大,液體混濁,從而使加工表面容易產(chǎn)生“二次放電”,出現(xiàn)拉弧、燒傷現(xiàn)象,粗糙度增大,加工穩(wěn)定性降
低,增大了電極的損耗程度。為此,在寬脈沖負(fù)極加工時用石墨作工具電極材料加工效果往往較好,且可
降低電極的損耗。另外要注意,在選用石墨作工具電極時,為了加工出表面光潔的工件,要優(yōu)先考慮選用
粒子直徑較小的石墨材料,因為石墨電極的相對損耗值會隨石墨粒子直徑的減小而降低(如圖1所示),其
次還要考慮它的組織結(jié)構(gòu)和抗彎強度,特別是在使用拼塊方法制作電極時更應(yīng)注意,否則將引起電極的不
均勻損耗。
圖1　石墨粒子直徑與電極損耗的關(guān)系　　　　　圖2　沖油壓力對電極相對損耗的影響
2.2　精加工中電極材料的合理選取
當(dāng)在窄脈沖正極精加工時,選用紫銅作為工具電極時的加工表面質(zhì)量往往優(yōu)于石墨電極和鋼電極,盡
管紫銅電極在精加工中放電間隙較小,電極損耗大于粗加工時的電極損耗,但是可以通過減小精加工余量
或改變主軸抬刀比、增大沖油壓力來控制拉弧產(chǎn)生,從而提高加工質(zhì)量。
實驗設(shè)備:E46PM電火花成型機1臺;實驗條件:正極精加工,成型0. 1mm型腔;試驗材料:經(jīng)熱處
理45鋼,厚度均為35mm;工作液體:電火花機床專用煤油,單向脈沖電源。實驗結(jié)果見表3。
從表3實驗數(shù)據(jù)和加工效果的分析得知:精加工中石墨電極和鋼電極很難達到加工表面光亮,而它們
的生產(chǎn)率又很低,所以精加工中選取紫銅作工具電極加工效果較好,只要將沖油壓力適當(dāng)增大即可排除間
隙電蝕產(chǎn)物,從而改善型腔加工的穩(wěn)定性,提高生產(chǎn)率,達到滿意的加工效果。但是應(yīng)注意強迫沖油、抽油
在紫銅作工具電極時不能逐級增大,否則將增大電極的損耗。還過,當(dāng)受加工條件的限制,在中、精加工中
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電火花加工中電極材料的選擇
及其對加工質(zhì)量的影響
魏引煥,張曉燕
(陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院,陜西咸陽　712081)
摘　要:就電火花加工中電極材料的合理選取及其對加工效果、電極損耗和生產(chǎn)率的影響進行
了詳細的分析,提出了在實際加工中合理選取電極材料的原則,對進一步提高加工質(zhì)量具有一
定意義。
關(guān)鍵詞:電火花加工;電極材料;加工質(zhì)量
中圖分類號:TG661　　　文獻標(biāo)識碼:A
1　問題的提出
在電火花加工中,電極材料的物理性能對放電蝕除量、電極損耗、加工速度和加工精度的影響很大,在
參數(shù)選定的條件下,采用不同的電極材料與加工極性將直接影響加工質(zhì)量。
2　電火花加工中電極材料性能對加工質(zhì)量的影響
2.1　電極材料與加工極性的影響
首先分析一下常用電極材料的物理常數(shù)。
表1　常用電極材料物理性能對照表
熱學(xué)物理常數(shù)紫銅石墨鋼黃銅
熔點(Tr)/℃ 1083 3500 1527 1083
沸點(Tf)/℃ 2360 3700 2735
熱導(dǎo)率(λ)/J (cm s ℃)-1 3.852 0.49 0.335
體積質(zhì)量(ρ)/g cm-3 8.9 2.2 7.9 8.4～ 8.85
熱容量(C)/J (g ℃ -1) 0.3936 1.675 0.695
傳溫系數(shù)α=λCρ1.1 0.133 0.061
汽化潛熱(qq)/J g-1 3592.274 46054.8 6647.012
熔化潛熱(qr)/ J g-1 180.032 209.34
從表1中可以看出:紫銅的耐蝕性比較高,這是因為它的熱導(dǎo)率和傳溫系數(shù)都很大,所以常常用作中
小型腔模具零件加工時的電極材料,而且它的電極損耗較小;石墨耐蝕性高,這是由于它的熔點、沸點溫度
很高,并且石墨的熱容量又很大,在寬脈沖粗加工時能吸附游離的碳來補償電極的損耗,為此相對損耗較
低。所以,在電參數(shù)選定的條件下,采用不同的電極材料與加工極性,加工速度和加工效果均不同,下面從
一組實驗數(shù)據(jù)來詳細說明電極材料性能對加工效果的影響。
實驗設(shè)備:E46PM電火花成型機1臺,加工條件:負(fù)極粗加工,成型0.5mm型腔,試驗材料:經(jīng)熱處理
45鋼,板厚度均為35mm,工作液體:電火花機床專用煤油,單向脈沖電源。實驗結(jié)果見表2。
*收稿日期:2005 -04 -03
作者簡介:魏引煥(1964 -),男,陜西省眉縣人,副教授,碩士,研究方向:機構(gòu)學(xué)及機械傳動
第5期魏引煥等:電火花加工中電極材料的選擇及其對加工質(zhì)量的影響
節(jié)脈沖參數(shù)控制火花放電間隙來保證。這樣,電火花加工后的凹模就可以不經(jīng)任何修正而直接與凸模配
合,雖然這種方法可以獲得均勻的配合間隙,電極在制造過程中也較方便,鉗工工作量少,工件可以在淬火
后加工,避免了熱處理變形問題,但是由于工具電極和工件都是磁性材料,電極間容易產(chǎn)生磁性,盡管加工
中采用的是脈沖電源能夠降低電極間磁性,然而電蝕下來的金屬屑仍容易被吸附在電極放電間隙的磁場
中而形成不穩(wěn)定的二次放電,使加工過程很不穩(wěn)定。所以在“鋼打鋼”加工時,要避免選用同一種型號的鋼
材以降低極間的磁性,電極材料的選取最好選用高碳鋼,如T8A、T10A,并在使用前進行退磁處理,被加
工的鋼材經(jīng)熱處理后也需進行除銹和退磁,沖油方式最好選擇下沖油,以增強工作液循環(huán),減小二次放電
機率。
3　電極材料選取的原則
在電火花加工中,合理選擇好電極材料是確保加工質(zhì)量,提高生產(chǎn)率的一個重要因素,必須予以高度
重視。同時,由于工具電極在使用過程中加工的型腔各異,工具電極難以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,無論在尺寸或形狀
上差異都很大,所以,我們在選取工具電極材料時應(yīng)遵循以下原則:
(1)在分析工件的特點和技術(shù)要求(表面粗糙度、尺寸、公差精度)等工藝技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,要根據(jù)
工件材料和技術(shù)要求來選取電極材料。
(2)首先考慮選擇導(dǎo)熱性能好、熔點高的材料作電極材料。
(3)兼顧電極成型制作容易、加工性能好且原料來源豐富、市場價格適中等因素,以獲得良好的電火
花加工效果。
雖然在電火花加工中所用的電極材料主要是紫銅和石墨,但是由于高性能的電極本身的一些性質(zhì)如
純度、粘度、結(jié)構(gòu)致密性、均勻性以及理化性等,使之在對待不同加工對象、不同加工要求時,所選用的電極
以及加工參數(shù)都是完全不同的,因此,隨著模具制造工業(yè)的快速發(fā)展,在人工合理調(diào)節(jié)加工參數(shù)的基礎(chǔ)上,
目前迫切需要通過實驗建立包括加工對象(模具材料)、加工要求(工件精度、粗糙度、生產(chǎn)率)、電極(規(guī)格
及種類)、加工電參數(shù)在內(nèi)的工藝數(shù)據(jù)庫,以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。
4　結(jié)束語
在電火花加工中,電極材料的合理選取是確保加工質(zhì)量的重要保證。因此,對電火花加工電極材料性
能的認(rèn)識和研究,是從事電火花加工的工程技術(shù)人員必須高度重視的一個問題。