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石墨電極電火花加工性能的影響因素分析

2010年08月04日 13:08點(diǎn)擊：1170作者：上海漢霸機(jī)電有限公司來源：上海漢霸機(jī)電有限公司>>進(jìn)入該公司展臺(tái)

影響石墨電極電火花加工性能的因素很多，各因素的合理配合對電火花加工特性有重要的影響。分析了主軸性能、脈沖電源及智能控制、工作液、電參數(shù)和加工極性選擇等對石墨電極加工性能的影響，為生產(chǎn)實(shí)踐提供了理論依據(jù)。

在電火花加工中如何正確選用石墨材料，并達(dá)到*的使用效果，不僅需考慮石墨電極材料牌號，同時(shí)要考慮加工參數(shù)及其機(jī)床性能等因素。影響石墨電極電火花加工性能（加工速度、加工表面粗糙度和電極損耗）的因素主要有機(jī)械系統(tǒng)性能、脈沖電源、控制系統(tǒng)、加工面積、放電參數(shù)、工件材料、工作液、電極形狀、沖液方式等。本文根據(jù)國內(nèi)外的有關(guān)研究著重從電火花機(jī)床、放電加工參數(shù)和加工材料等方面進(jìn)行系統(tǒng)的分析和論述。

1 機(jī)床特性對石墨電極加工性能的影響

1.1 主軸性能的影響

主軸是電火花成形機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件，它控制工件與工具電極之間的放電間隙。主軸的抬刀速度、傳動(dòng)速度和搖動(dòng)方式直接影響生產(chǎn)率、表面粗糙度和加工穩(wěn)定性等工藝指標(biāo)。目前已普遍采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸。

1.1.1 抬頭排屑

主軸抬刀對于改善深槽（型腔）窄縫等微細(xì)加工的排屑，防止積碳和二次放電等現(xiàn)象有明顯影響。發(fā)展高速抬刀是必然趨勢。目前交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，抬刀速度一般可達(dá)3~5m/min^[1]。日本Sadick公司AQ35L主軸采用直線電機(jī)控制，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單，不用滾珠絲杠，沒有傳動(dòng)間隙，能實(shí)現(xiàn)高速度、高加速度移動(dòng)，滿足了EDM加工高速響應(yīng)的要求。zui大驅(qū)動(dòng)力高達(dá)3000N，快進(jìn)速度可達(dá)100m/min，zui大加速度達(dá)到1g以上，能及時(shí)排除電蝕產(chǎn)物消除集中放電、二次放電。間隙不均勻性等得到極大的抑制，特別是對加工深槽窄縫能產(chǎn)生良好的效果^[2]。例如：用端面面積為1mm×38mm、斜度1°的石墨片電極加工鋼，深度達(dá)70mm，免沖液，粗加工用時(shí)2h10min，精加工用時(shí)1h30min，總共用3h40min，提高了加工速度。瑞士

Charmilles公司的ROBOFORM 35P機(jī)床，不但提高了主軸運(yùn)動(dòng)速度，還提高了坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度，使電極交換時(shí)間節(jié)省35％。用截面20mm×20mm的電極，無沖液加工100mm深的型腔，加工時(shí)間僅為5h，表面粗糙度達(dá)到R_max10μm。Makino EDNC系列抬刀速度在小型機(jī)床上是2m/min，在大型機(jī)床上是10m/min。

1.1.2 主軸搖動(dòng)

主軸的搖動(dòng)功能可使加工表面均勻，得到高精度和高質(zhì)量的加工表面。目前已有多種搖動(dòng)方式，除了圓形和方形搖動(dòng)外，還有六角、半圓柱、半球、三維射線、三維圓弧等搖動(dòng)軌跡，遇到其他任意形狀，可根據(jù)一個(gè)完整的輪廓建立所需的搖動(dòng)方式。日本Mitsubishi EA系列電火花機(jī)床新開發(fā)的Orbit Pro搖動(dòng)功能，電極以恒定運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工，跟蹤目標(biāo)形狀，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定加工；而常規(guī)搖動(dòng)加工，沿目標(biāo)形狀一點(diǎn)一點(diǎn)連續(xù)加工，電極移動(dòng)不平滑，變速移動(dòng)，加工不穩(wěn)定，兩者對比如圖1所示。

1.2 脈沖電源及智能化控制的影響

脈沖電源對電火花加工的生產(chǎn)率、表面質(zhì)量、加工速度、電極損耗等都有很大的影響。模糊控制（FC、FLC）電源是利用CNC系統(tǒng)對間隙量、間隙電壓、瞬時(shí)放電狀況等參數(shù)進(jìn)行檢測，通過專家系統(tǒng)進(jìn)行比較判別，對電參數(shù)與伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制的一種脈沖電源。它一般可提高加工速度20％~30％，降低了電極損耗，在深槽、筋、多型腔、大面積的加工中效果尤為明顯^[3]。FP脈沖電源是為控制加工屑而設(shè)計(jì)的脈沖電源，可防止短路時(shí)加工屑的集中，它通過對加工電流的控制，改善加工表面的質(zhì)量，并且能夠顯著地降低電極損耗^[4]。Mitsubishi型的電火花加工機(jī)床采用全新FPⅡ電源，它有PS電路何α-SC電路。PS電路提供一個(gè)穩(wěn)定的超短脈沖訊號，放電脈沖的*控制防止了短路現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的無光澤表面精加工，排除了精加工表面的波紋和凹陷現(xiàn)象。α-SC電路大幅度降低了小面積精加工（表面粗糙度為R_max4~10μm）的電極損耗。

Makino EDNC系列電火花加工機(jī)床采用P-脈沖2，加工穩(wěn)定，尤其適合使用石墨電極加工，可消除不規(guī)則放電現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)HQSF（High Quality Surface Finishing）（圖2）。采用人工智能（IES）自動(dòng)控制放電過程，通過專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償、檢測等多種功能。高靈敏度放電伺服技術(shù)可進(jìn)行無沖液放電，由于在無沖液放電時(shí)，電火花間隙變化不大，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的精加工。并且可以10m/min（EDGE2型）的速度進(jìn)行主軸快速跳躍，排除氣體和殘?jiān)茉跓o沖液的狀況下加工深窄腔^[5]。

1.3 工作液的影響

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，使用石墨電極進(jìn)行電火花加工時(shí)，宜采用的合成型火花油或混粉工作液。重要品牌有：美國Hirschmann Engineering公司生產(chǎn)的Ionoplus牌工作液，意大利Common Weahh Oil公司生產(chǎn)的EDM244，以及ESSO，F(xiàn)USHS，BP，CASTROL工作液等。高質(zhì)量的工作液可降低石墨電極損耗，獲得良好的加工表面精度。混粉工作液通過添加硅、鋁、鎢、鉻、鈦等導(dǎo)電粉末，可改變工作液性能，提高精加工的穩(wěn)定性，用于大面積精加工時(shí)，可減少拋光工時(shí)或無需拋光。日本石油公司生產(chǎn)的ED混粉工作液，適合大面積的塑料模具、大型石墨電極及筋條加工，能實(shí)現(xiàn)均勻、穩(wěn)定的放電。實(shí)施鏡面電火花成形加工時(shí)，可使精加工時(shí)間縮短20％~30％。日本Makino采用μSC添加劑的工作液，可過濾，可粗、精加工共用一套工作液系統(tǒng)，在加工時(shí)分散放電，可提高表面質(zhì)量，有利于控制間隙，提高加工速度。如圖3所示μSC工作液與普通工作液相比可獲得穩(wěn)定的精度和較低的表面粗糙度值，特別是電極尺寸較大時(shí)，效果更明顯^[5]。

2 電參數(shù)對石墨電極放電加工性能的影響

2.1 脈沖寬度的影響

脈沖寬度決定脈沖能量。使用不同的工件材料、加工極性、電極材料時(shí)脈沖寬度對放電加工特性的影響也不同。如圖4、圖5所示，脈沖寬度越大，電極損耗越小。采用負(fù)極性加工工具鋼時(shí)，當(dāng)脈沖寬度為250μs時(shí)，電極出現(xiàn)負(fù)損耗，采用正極性加工電極損耗較大。加工銅合金時(shí)不論采用正極性或負(fù)極性加工電極損耗都比較大。隨著脈沖寬度的增大，蝕除金屬材料就越多，產(chǎn)生的蝕坑越深越寬，加工速度提高，工件的表面粗糙度較大。因此粗加工時(shí)，脈沖寬度可以選擇大一些，減小電極損耗，提高加工速度。不同的石墨電極牌號脈沖寬度對電極損耗的影響也不同，石墨顆粒越小，相同脈沖寬度條件下電極損耗越小。

2.2 峰值電流的影響

電極材料為POCO的EDM-3石墨，工件材料為工具鋼，采用正極性加工，脈沖寬度為40μs，峰值電流分別為50A和2，測得的加工速度、電極損耗和表面粗糙度如表1所示。由表1可看出。峰值電流變小，加工速度下降，而表面粗糙度減小。石墨電極與銅電極相比，因有*的耐熱性，可加大電流值，提高生產(chǎn)效率。粗加工時(shí)，可以用較大電流（幾百安培）。但是在一定加工面積條件下，有一個(gè)極限，超過這個(gè)極限，會(huì)造成加工不穩(wěn)定，電極和工件會(huì)產(chǎn)生拉弧燒傷，生產(chǎn)率反而降低。微細(xì)電極承受不住過強(qiáng)的電流，容易受損。石墨電極正極性加工時(shí)，電流密度通常設(shè)為10~12A/cm²；負(fù)極性加工時(shí)，電流密度通常設(shè)為6~8A/cm^{2[ 6~7]}。

2.3 電極與工件的邊側(cè)間距關(guān)系

電火花加工時(shí)放電間隙在不斷變化，間隙的大小影響著加工精度，對復(fù)雜形狀的加工表面影響尤其嚴(yán)重。如使用東洋炭素ISO-63材料，表面粗糙度達(dá)到R_α10μm時(shí)，放電面積不同，邊側(cè)間距也不同。放電面積越大，相應(yīng)的邊側(cè)間距也應(yīng)變大；相同的加工面積粗加工的邊側(cè)間距大于精加工的邊側(cè)間距。隨著加工深度的增加，邊側(cè)間距有時(shí)也要相應(yīng)的增加，如圖6所示，以保持良好的排屑。

2.4 工件材料對加工極性選擇的影響

對不同的工件材料應(yīng)選擇不同的加工極性，因?yàn)榧庸O性直接影響加工效果（電極損耗、加工速度和表面粗糙度）。以銅合金MS-46（Cu、Ni、Al、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為68％、14％、10％、6％）為例，粗加工時(shí)，主要考慮電極損耗和加工速度，采用大脈沖寬度，如圖4a、4b所示，正、負(fù)極性加工電極損耗相差不大，但正極性加工速度快，因此應(yīng)選擇正極性加工。精加工時(shí)，主要考慮電極損耗和加工表面質(zhì)量，如圖4a、4c所示，當(dāng)縮短脈沖寬度，負(fù)極性加工的電極損耗明顯比正極性加工小的多，并且表面粗糙度也小，因此精加工時(shí)應(yīng)選擇負(fù)極性加工。如圖5所示，加工工具鋼時(shí)，粗加工和銅合金一樣，要采用正極性加工，而精加工時(shí)，采用正、負(fù)極性加工電極損耗相差不大，表面粗糙度也基本相同，故精加工時(shí)兩者皆可。

表2 鈦合金放電加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果

加工極性	加工深度 /mm	電極損耗 / ％	加工速度 /（mm3/min）	單邊間隙 /mm
正極性	3.0	72.86	1.440	0.10
負(fù)極性	3.0	6.50	49.195	0.19

采用石墨電極，在脈沖寬度為100μs，脈沖間隔480μs，峰值電流90A的條件下，改變加工極性，對鈦合金進(jìn)行放電加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2^[8]所示，采用負(fù)極性加工時(shí)，其各項(xiàng)工藝指標(biāo)均比正極性加工好，因此對于鈦合金應(yīng)選用負(fù)極性加工。同樣，對不銹鋼、鋁合金等的放電加工特性均受加工極性的影響，加工極性選擇如表3所示。

表3 加工極性選擇

工件材料	粗加工	精加工
工具鋼	＋	±
不銹鋼	＋	±
鋁合金	－	±
鈦合金	－	－
銅合金	＋	－

3 結(jié)束語

影響石墨電極電火花加工性能的因素很多，本文對主要影響因素進(jìn)行了分析和總結(jié)，在生產(chǎn)實(shí)際中有一定的指導(dǎo)意義。

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