電火花加工中電極材料的選擇 及其對加工質量的影響

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
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,電蝕產物積聚,排屑不良,故加工速度和
穩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”,同時,間
隙中的工作液由于降溫而增大了介電系數,使加工過程中消電離加快,也使電極上的“覆蓋效應”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
間隙的伺服調節影響較大,使開路、短路過程增加,造成電火花加工很不穩定。當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出凹形面的可
能性。所以從“深度效應”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
定加工,減少加工進給系統負擔,應選黃銅作為工具電極。同時在相同規準下長時間加工黃銅的穩定性也
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和非電參數指標(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,提高生產率。在傳統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
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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
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
率較高。
好
從表2的實驗結果知:在長脈沖負極加工中,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,且生產率也高,這主要取決于石墨電極材料的性能,雖然它的導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構熱疲勞的不良影響,加上它能夠吸附游離的碳來補償電極的損耗
(當然負極粗加工中還要注意避免過厚的吸附炭黑膜,否則會造成“負損耗”),所以電極損耗較小,從而實
現了長脈沖粗加工的“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生“二次放電”,出現拉弧、燒傷現象,粗糙度增大,加工穩定性降
低,增大了電極的損耗程度。為此,在寬脈沖負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構和抗彎強度,特別是在使用拼塊方法制作電極時更應注意,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量往往優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生,從而提高加工質量。
實驗設備: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。實驗結果見表3。
從表3實驗數據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增大即可排除間
隙電蝕產物,從而改善型腔加工的穩定性,提高生產率,達到滿意的加工效果。但是應注意強迫沖油、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
及其對加工質量的影響
魏引煥,張曉燕
(陜西科技大學機電工程學院,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量具有一
定意義。
關鍵詞:電火花加工;電極材料;加工質量
中圖分類號:TG661　　　文獻標識碼: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量。
2　電火花加工中電極材料性能對加工質量的影響
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。
表1　常用電極材料物理性能對照表
熱學物理常數紫銅石墨鋼黃銅
熔點(Tr)/℃ 1083 3500 1527 1083
沸點(Tf)/℃ 2360 3700 2735
熱導率(λ)/J (cm s ℃)-1 3.852 0.49 0.335
體積質量(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,這是因為它的熱導率和傳溫系數都很大,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
一組實驗數據來詳細說明電極材料性能對加工效果的影響。
實驗設備:E46PM電火花成型機1臺,加工條件:負極粗加工,成型0.5mm型腔,試驗材料:經熱處理
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:機構學及機械傳動
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量的影響
節脈沖參數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
中而形成不穩定的二次放電,使加工過程很不穩定。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,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量,提高生產率的一個重要因素,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,工具電極難以實現標準化,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遵循以下原則:
(1)在分析工件的特點和技術要求(表面粗糙度、尺寸、公差精度)等工藝技術指標的基礎上,要根據
工件材料和技術要求來選取電極材料。
(2)首先考慮選擇導熱性能好、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如
純度、粘度、結構致密性、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
以及加工參數都是完全不同的,因此,隨著模具制造工業的快速發展,在人工合理調節加工參數的基礎上,
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、生產率)、電極(規格
及種類)、加工電參數在內的工藝數據庫,以滿足現代生產的需要。
4　結束語
在電火花加工中,電極材料的合理選取是確保加工質量的重要保證。因此,對電火花加工電極材料性
能的認識和研究,是從事電火花加工的工程技術人員必須高度重視的一個問題。