电火花加工中的石墨材料应用解惑

HEATS · 发表于 2010-9-12 10:09:11

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　　电火花加工领域中的众多使用者在应用石墨电极材料时仍然存在诸多疑虑。一方面由于长期使用传统铜材使得使用者具有心理上对其具有习惯性和依赖性，另一方面则是由于他们对铣床或电火花加工的实际应用经验不足。

　　在上个世纪60年代，铜作为电极材料被广泛使用，使用率约占90%，石墨仅占10%左右。但是今天，这种状况已经发生了变化，在欧洲，超过90%的电极材料是石墨。铜，这种曾经占统治地位的电极材料，和石墨电极相比它的优势几乎消失殆尽。是什么导致了这个戏剧性的变化？近几年的EDM工业可以证明：这种变化归功于石墨电极的诸多优势。

　　本文将解释电火花加工过程中使用石墨材料可能会遇到的一些问题，我们希望通过本文可以解除您对石墨材料的疑惑。

　　1石墨材料有危险？

　　电火花加工所用的石墨是人工合成产品而非天然石墨，合成石墨必须经过一个漫长的高科技生产流程而制造成形，没有辐射！。根据产品的规格不同，生成流程一般为四到七个月不等。在生产过程中，石墨要在高达3000摄氏度的高温下进行加工。如此高的温度使绝大部分的杂质都挥发了，从而使石墨的纯净度高达99.99%(100ppm)。这就意味着，一百万件产品中只有一百件存在杂质，而这些杂质又被分解为各种元素，很难被觅到踪迹。一些特殊应用所需要的石墨纯净度甚至可以小于5ppm。由此，在产品制造和模具制造中很少有完全采用纯天然原料生产的情况。

　　对于操作铣床的员工来说，在粉尘环境下工作确实是一种危险。如果这种极小粉尘被吸入肺内，会对呼吸道造成伤害，因此，机器的密闭性就非常重要。如今用来进行石墨加工的高速铣床都配有密封装置与粉尘收集器，这些都是机床的标准配置，只要维护得当，根本不用担心粉尘给人带来的伤害。

　　2加工时肋片会断裂？

　　据有关测试，发现如果用不正确或不合理的切削方法、切削参数以及不适于石墨加工的刀具，经常会造成肋片断裂。

　　从加工工艺的角度来说，石墨无法与铜相比较，因为它完全采用了不同的加工工艺。比如，每刀的进给量越大，刀具磨损则越小。另外，与金属材料加工截然相反的是，在石墨加工中，随着切削速度的提高，刀具的磨损反而明显减小。

　　这种情况下，我们主要使用钻石或金刚石涂层的刀具。在使用的同时，人们也需要注意许多与金属材料加工截然不同的规则。通常情况下，企业在引进诸如软件、机器控制系统以及自动化系统等每一项新工艺的时候，一般都会对员工进行培训。但唯有将铜加工方法转换成石墨加工的时候，企业很少为他们提供培训的机会。因此，很多用石墨代替铜材料进行电火花加工的厂家，这种早期尝试从开始时便已夭折。

　　3花更多时间学习应用？

　　通常对新事物的接受都需要时间。对于如何看待较新的石墨材料这个话题人们必须换一种方法去思考，并有可能还需要重新设计加工过程中的一些流程工艺来配合。但更为重要的一点是，采取这些措施却可以给我们带来巨大的成本节省空间，同时也能大大缩短模具制作周期——采用石墨电极的电火花加工效率是铜的2-3倍，而切削效率更是铜的3-5倍。

　　从全球市场来看，如果有人在今天仍然能够继续以20年前的欧洲生产方式运作，且在与亚洲和东欧的竞争中成功获得一席之地的话，那他的产品一定非常具有独到之处。否则，再不改善旧的生产工艺的情况下必然会为他人所赶超。石墨正是这样一种能够使得人们想要快速降低成本的愿望成为可能的极佳的电极材料。

　　许多用户采用了石墨材料之后将电极的数量减少了一大半。这会产生什么样的结果呢？

　　⑴电极装夹所需的电极夹具大大减少。

　　⑵需要安装的电极数目减少。

　　⑶只需要进行少量的零位设定。

　　⑷电极的测量工作量大大减少。

　　⑸用来制作电极的材料数量大大减少。

　　⑹切削周期显著缩短，相应的也减少了电极损耗。使用铜电极时，一个型腔要多只电极，如果换成石墨的话，则可以将以前的多个电极结合为一个电极。这样，电极所能通过的电流加大，既提高了加工效率，也减少了电极损耗。

　　⑺切削速度明显高于铜材料

　　4铜材料比石墨材料更省钱？

　　这种笼统的说法没有事实根据，这是因为人们往往忽略了二者计量方式不同的这一事实。铜材是以公斤为计量单位，而石墨材料通常以体积进行计算。在换算的过程中，人们还应该考虑电极材料各种密度的情况。由于近期国际市场上铜的价格已经急剧上涨到每公斤60元左右(2005年初铜价仅为每公斤30元上下)，石墨材料本身的价格已相对低于铜材，并且铜是不可再生资源，价格只会越来越贵。如果，现在有人要买1立方分米(约9公斤)的铜，那么他就得付约540元。以这样的价格，人们却已能获得比较高质量的石墨产品，普通牌号的石墨售价甚至更为低廉。在成本优化的计算中石墨和铜材的价格固然是一个要素，但效率和产品质量更为重要，前文中所提到的石墨材料所具有的特性以及在应用中能够发挥的作用才是关键，具体情况在后文中还会提到。

　　5储存或运输中石墨易发生肋片断裂？

　　这一说法肯定是正确的，但这种现象就一定是一种不足吗？如果肋片电极在运输过程中由于不当处理而发生断裂，人们会立即发现这一情况并且马上知晓电极发生了损伤。而如果用的是铜材，肋片在受到不当处理后则会弯曲。人们是否能够马上发现这一缺陷这一点非常值得怀疑。如果没有及时发现而人们又继续用这根电极进行放电加工的话，型腔或工件的损坏就不可避免了。

　　如果一根石墨电极发生肋片断裂，那么人们可以根据具体情况决定是否重新铣一根新的电极。在电极价格较高时也可以接上(粘上)一段石墨，然后将这一段重新铣削，并利用断裂的一段重新制造成一根单电极。6加工表面质量能达到铜材所达到标准？

　　几年前，人们还可能认为用石墨加工的零件表面质量只能达到VDI18。但是，现在情况已经表明，石墨材料加工的工件表面质量可以达到VDI12或者更高的等级。当然，这一标准并不是针对所有石墨材料，或是采用传统的EDM机床的情况，比如粗制石墨或者常规石墨也无法达到这一标准。要获得这样的表面质量，各种生产条件必须与石墨材料达到最佳的契合状态。在这种情况下，电极的尺寸、工艺以及石墨种类的选择都是关键因素，将起到决定性的作用。不过，重要点在于，采用石墨材料可以达到很细的表面质量。

　　许多EDM设备的制造商和石墨材料的生产商都已经做了很多努力。现今，他们能够为客户提供石墨加工特定的加工设备和加工参数。而且，石墨生产商们也凭借着他们更为细化的石墨品牌来满足客户的需求。

　　然而，最重要的因素还在于人们必须有针对地选择设备生产商和石墨制造商。小题大做的情况经常会出现，比如有些客户为了进行样品加工会选出最复杂的部件，然后去设备生产商那里进行测试加工。事实上这类部件在客户产品的种类中最多占1%。如果设备和工艺都以此为标准的话，那么毫无疑问会出现一个问题：99%的其他常规加工该怎么办？

　　因此，通常选用的设备应以满足95%的产品种类为宜。其余的产品种类可以委托其他擅长特种加工的企业代做，或是选用一根多次使用的电极。对于这种情况，我们也可以采取延长放电时间，或者在必要情况下应用铜电极的方法。

　　7石墨可采用与铜材一样的下偏差？

　　理论上，这个回答是肯定的。但是，我们并不建议采用。由于铜具有的特定热性能所以通常可以选择下偏差。石墨能够承受更高的能量，因此宜采用更大的下偏差。相对损耗也因此明显减弱。由于人们能够用石墨铣削出极小的肋片，相应的，选用较大下偏差的可能也得以实现。

　　8石墨进行追加工损耗加大？

　　这可能是个问题。但是，客户也经常会提到，经过放电后，这个“安全尺寸”仍然能够满足客户的要求。通常，石墨材料发生损耗增加的现象往往发生在加工小电极的情况下；并且人们还会习惯性地在追加工之后，直接对材料进行修补作业。事实上这种做法是错误的。放电加工后，还要经过一道抛光工序，而这道工序一般不需要花费很长时间。

　　需要注意的还有这样一个问题：如果零件总是存在0.01至0.02毫米的余量，我们是否可以在编程时加入电极补偿量，这样就可以一次加工到位，而不需要追加工。

　　9线切割加工石墨比铜材慢？

　　这个观点在是正确的，因为石墨的熔点比铜高的多，所以它更难被加工。但是要注意的是，大多数相关行业——如石墨生产商、设备生产商和生产线制造商早就开始解决这个问题。人们可以利用最新的设备(如激光加工，高压水刀)加工出合格的产品。如果一定使用线切割加工，我们原则上建议客户采用细颗粒的石墨产品，并且大幅度地降低冲水压力，特别是对于薄筋电极。与粗颗粒产品或常规产品相比，细颗粒的石墨产品在线切割时能够提供更高的工艺安全性和进给速度。

　　但从实际情况来看，现在究竟还有多少石墨电极需要通过线切割机床加工呢？许多电极都可以使用高速铣床的第4-5轴来加工。如果实在没有其他的办法，那么人们也可以采用铜电极，前文说过，即使在模具工业很发达的欧洲，石墨的使用率也不是100%，任何一种事物都有优缺点。

　　10结论

　　除了上述各项优点外，石墨还具备下列优势：

　　⑴加工性能好(以遵循操作规则为前提)。

　　⑵热稳定性高(不会发生热变形)。

　　⑶重量轻(针对加工设备)

　　⑷不用去毛刺(对于自动化系统这点必不可少)。

　　⑸延展系数低(温差变化小)。

　　⑹能够针对各种加工情况提供最佳的选择(粗颗粒和细颗粒石墨)

　　⑺市场上还能提供即可使用的电极(即，石墨产品已经经过加工，可以立即应用于电火花加工)。

　　同许多新型科技的发展一样，使用石墨材料是一个不断学习和优化的过程。关键在于，要给相关的员工提供参与培训的机会，以便发挥他们的潜能。面对激烈的国际竞争，企业只有不断优化流程与创新工艺才能获得生存。如今，石墨产品已经具备了相应的大环境。市场上不仅已经出现了用于粗颗粒、细颗粒的具备良好品质的石墨产品以及与石墨产品完美匹配的新切削设备，除此之外，石墨用的专业铣削刀具也同样唾手可得。% e' f7 _8 h% X0 L

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