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火花机对石墨电极加工性能有什么影响


火花机对石墨电极加工性能有什么影响
1.1 主轴性能的影响
主轴是火花机的一个关键部件,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3~5m/min。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。例如:用端面面积为1mm×38mm、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20mm×20mm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Rmax10μm。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。
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20%~30%,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。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。Mitsubishi最新型的电火花加工机床采用全新FPⅡ电源,它有PS电路何α-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。α-SC电路大幅度降低了小面积精加工(表面粗糙度为Rmax4~10μm)的电极损耗。
(a)常规摇动加工 (b)新开发摇动加工
摇动加工对比
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)。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。
工件尺寸100mm×100mm,粗加工4h
HQSF精加工2h,表面粗糙度Rmax3μm
采用石墨电极加工扬声器格栅用模具
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20%~30%。日本Makino采用μSC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。
加工面积与工件表面粗糙度的对比
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。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250μs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。
(a)加工极性对电极损耗的影响
(b)加工极性对 加工速度的影响
(c)加工极性对表面粗糙度的影响
加工极性对铜合金电加工特性的影响
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40μs,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。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10~12A/cm2;负极性加工时,电流密度通常设为6~8A/cm2。
(a)加工极性对电极损耗的影响
(b)加工极性对加工速度的影响
(c)加工极性对表面粗糙度的影响
加工极性对工具钢电加工特性的影响
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Rα10μm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。
1——放电面积80mm2粗加工 2——放电面积20mm2粗加工
3——放电面积80mm2精加工 4——放电面积20mm2精加工
工件材料:工具钢S55C 峰值电流:25A
脉冲宽度:50μs 脉冲间隔:50μs
电极与工件边侧间距的关系
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。
采用石墨电极,在脉冲宽度为100μs,脉冲间隔480μs,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,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。

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