发布时间：2010-05-04 01:01:36
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石墨电极电火花加工性能的影响因素分析
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影响石墨电极电火花加工性能的因素很多，各因素的合理配合对电火花加工特性有重要的影响。分析了主轴性能、脉冲电源及智能控制、工作液、电参数和加工极性选择等对石墨电极加工性能的影响，为生产实践提供了理论依据。
在电火花加工中如何正确选用石墨材料，并达到最佳的使用效果，不仅需考虑石墨电极材料牌号，同时要考虑加工参数及其机床性能等因素。影响石墨电极电火花加工性能（加工速度、加工表面粗糙度和电极损耗）的因素主要有机械系统性能、脉冲电源、控制系统、加工面积、放电参数、工件材料、工作液、电极形状、冲液方式等。本文根据国内外的有关研究着重从电火花机床、放电加工参数和加工材料等方面进行系统的分析和论述。
1 机床特性对石墨电极加工性能的影响
1.1 主轴性能的影响
主轴是电火花成形机的一个关键部件，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[1]。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[2]。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，两者对比如图1所示。
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[3]。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[4]。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。
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）（图2）。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[5]。
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。如图3所示μSC工作液与普通工作液相比可获得稳定的精度和较低的表面粗糙度值，特别是电极尺寸较大时，效果更明显[5]。
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。如图4、图5所示，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。
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如表1所示。由表1可看出。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[ 6~7]。
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。
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。
表2 钛合金放电加工实验结果
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，结果如表2[8]所示，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，加工极性选择如表3所示。
表3 加工极性选择
3 结束语
影响石墨电极电火花加工性能的因素很多，本文对主要影响因素进行了分析和总结，在生产实际中有一定的指导意义。
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