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數(shù)控車床影響電極損耗的主要因素

日期：2009年12月29　來源：沈陽第一機(jī)床廠　關(guān)鍵字：數(shù)控車床
    (1)適用于難切削材料的成形加工，由于電火花加工是靠脈沖放電的電熱作用蝕除工件材料的，與工件的機(jī)械性能關(guān)系不大。因此，對傳統(tǒng)切削加工工藝難以加工的超硬材料如人造聚晶金剛石(PCD)及立方氮化硼(CBN)等是極好的補(bǔ)充加工手段。
    (2)可加工特殊的、數(shù)控車床形狀復(fù)雜的零件，由于放電蝕除材料不會產(chǎn)生大的機(jī)械切削力，機(jī)床電器因此對脆性材料如導(dǎo)電陶瓷或薄壁弱剛性的航空航天零件，以及普通切削刀具易發(fā)生干涉而難以進(jìn)行加工的精密微細(xì)異形孔、深小孔、狹長縫隙、彎曲軸線的孔、型腔等，均適宜采用電火花成形加工工藝來解決。圖5—2所示為適宜用電火花成形加32212藝的典型示例圖。
    (3)當(dāng)脈沖寬度不大(不大于8p．s)時(shí)，由于單個(gè)脈沖能量不大，放電又是浸沒在工作液中進(jìn)行的，因此，對整個(gè)工件而言，在加工過程中幾乎不受熱的影響，有利于加工熱敏感材料。采取一定工藝措施后，還可獲得鏡面加工的效果。
    (4)加工的放電脈沖參數(shù)可以任意調(diào)節(jié)，在同一臺機(jī)床上可完成粗、中、精加工過程，數(shù)控車床且易于實(shí)現(xiàn)加工過程的自動化。有些高檔數(shù)控電火花成形機(jī)床已能實(shí)現(xiàn)無人化操作。
    (5)采用電火花成形加工還有助于改進(jìn)和簡化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝，提高其使用性能。例如，航天火箭的燃?xì)鉁u輪采用常規(guī)機(jī)械加工工藝時(shí)，只能分解機(jī)床電器加工，然后鑲拼、焊接；而利用多軸聯(lián)動數(shù)控電火花成形機(jī)床可進(jìn)行渦輪整體加工，從而大大簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了零件重量，提高了渦輪的性能。
    國內(nèi)電火花加工沖模的電極材料一般選用鑄鐵和鋼，大多采用成形磨削方法制作電極。為了簡化電極的制作，可采用模具鋼制作沖模加工用電極，進(jìn)行“鋼打鋼”電火花加工沖模，事后將電極下端的放電部位切去，就可作沖頭使用。而型腔模具加工用的工具電極大多采用石墨及紫銅制作。由于石墨較易加工成形，密度又較小(約為1．75～1．95ks／m’)，因此在大、中型零件及模具加工方面，數(shù)控車床大多采用石墨制作電極。選購石墨時(shí)，不能使用煉鋼用的石墨電極，因?yàn)檫@種石墨灰分較多，不夠致密，純度不高。簡單的方法是用眼觀察及手摸。表面有一定光澤、無任何氣孔，手感細(xì)膩，而且手摸時(shí)手指上只有極少石墨粉附著，這種石墨質(zhì)量較好。再用膠木棒等敲打，聲音清脆且棱邊不崩口的，證明石墨的材質(zhì)致密，有一定沖擊韌性，可用作電極材料。單向加壓燒結(jié)的石墨有方向性，即與加壓方向垂直的表面較致密，耐蝕性能較均勻，適用于作工具電極的加工表面；而其余兩個(gè)方向的密度低于與加壓方向垂直的表面，也就是說，這機(jī)床電器類石墨是各向異性的。而國外生產(chǎn)的石墨(電加工專用)大多采用三個(gè)方向等強(qiáng)度加壓燒結(jié)制成，具有各向同性，均勻致密，在放電加工時(shí)電極表面不易發(fā)生脫層與剝落。因此，當(dāng)采用拼接法制作大型模具電火花加工用工具電極時(shí)，一定要選購各向同性的石墨。用各向異性的石墨拼制電極，當(dāng)加工較深的型腔時(shí)，將因各部位石墨損耗不同而直接影響到模具的成形精度，數(shù)控車床甚至無法加工出可用的模具。
由于銅鎢合金和銀鎢合金的價(jià)格高，而且機(jī)械加工性能較差，故實(shí)際生產(chǎn)中較少采用。較多使用的是純銅(俗稱紫銅)和石墨，它們的共同優(yōu)點(diǎn)是在大脈寬粗加工時(shí)，均能實(shí)現(xiàn)低損耗。
    石墨電極最大的弱點(diǎn)是加工時(shí)易發(fā)生電弧燒傷，其次，在精加工時(shí)電極損耗比紫銅大。故在大脈寬、大電流、粗加工時(shí)使用石墨電極，而精密加工時(shí)大多采用紫銅電極。
    (1)工具電極材料對電極損耗影響極大。熔點(diǎn)、沸點(diǎn)越高，導(dǎo)熱性越好，電極損耗就越小。銀鎢合金、銅鎢合金就屬于低損耗電極材料。電極材料的選用要綜合考慮工件要求、工藝性及生產(chǎn)成本，不能盲目追求低損耗。
    (2)電參數(shù)對電極損耗影響也較大機(jī)床電器。加大脈沖寬度可降低損耗，但也存在一個(gè)最佳范圍，超過這個(gè)范圍，損耗又將加大。
在一般情況下，若脈寬不變，數(shù)控車床則隨脈沖峰值電流的增加，電極損耗加大。特別是當(dāng)放電面積很小而峰值電流又很大時(shí)，電極損耗將更加明顯。
    (3)極性。一’般說來，粗加工時(shí)應(yīng)使用負(fù)極性加工，而精加工時(shí)要改為正極性加工。但要記住特例，即當(dāng)采用“鋼打鋼”時(shí)，無論是粗、精加工，都應(yīng)采用負(fù)極性加工，才能實(shí)現(xiàn)電極低損耗加工。
    (4)黑膜對電極損耗的影響也不容忽視。當(dāng)采用煤油作為工作介質(zhì)，使用紫銅電極加工時(shí)，電極表面會出現(xiàn)一層黑膜。實(shí)踐證明，隨著脈寬的增加，黑膜厚度會逐漸增加，電極損耗逐步下降。當(dāng)脈寬大于2001xs時(shí)，黑膜厚度可達(dá)0．Olmm，此時(shí)的電極損耗均小于1％。脈沖寬度及峰值電流不同，黑膜厚度也不同。隨著黑膜厚度的增加，電極損耗也隨之降低，可見電極表面黑膜的形成有利于降低電極損耗。當(dāng)黑膜厚度超過0．01mm后，電極相對損耗可小于1％。機(jī)床電器當(dāng)脈寬和峰值電流一定時(shí)，隨脈沖停歇時(shí)間的增加，黑膜厚度將減小。因?yàn)槊}沖時(shí)間增加，消電離充分，但電極表面溫度降低，不利于黑膜的形成。而隨著脈沖停歇時(shí)間的減小，電極表面溫度升高，有利于黑膜的形成，電極損耗隨之降低，數(shù)控車床但容易引起拉弧燒傷，無法正常加工。
    對黑膜成分進(jìn)行電鏡掃描分析表明，黑膜中不但含有大量的碳元素，而且含有相當(dāng)數(shù)量的鐵元素(力11212鋼時(shí))；而當(dāng)用紫銅加工硬質(zhì)合金時(shí)，黑膜中則含有碳、鎢、鈷等元素。由此可知：黑膜的成分主要是煤油介質(zhì)高溫分解產(chǎn)生的碳元素以及工件材料的組成元素。黑膜對電極有保護(hù)作用，可減少電極的損耗，主要原因是其動態(tài)的補(bǔ)償作用，即在電火花加工過程中電極表面不斷形成黑膜，又不斷被蝕除，數(shù)控車床蝕除和補(bǔ)償(吸附及粘接)基本上達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，即可獲得電極的低損耗或零損耗。
    在一定范圍內(nèi)，電火花精加工實(shí)現(xiàn)低損耗是可能的。但越有利于形成黑膜時(shí)，也越易形成電弧放電。這就要求脈沖電源的控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)盡量完善，才不致破壞黑膜的形成，又不會產(chǎn)生電弧。
    歸納起來，即在煤油介質(zhì)中，用紫銅作工具電極并采用負(fù)極性加工時(shí)，電極表面均有黑膜形成。隨黑膜厚度的增加，電極損耗隨之降低。當(dāng)黑膜厚度達(dá)到一定值(約0．01mm)后，電極可實(shí)現(xiàn)低損耗，可見黑機(jī)床電器膜不是電極低損耗的結(jié)果。相反，由于黑膜的保護(hù)和補(bǔ)償作用，使電極損耗得以進(jìn)一步降低或無損耗，所以黑膜是降低電極損耗的重要原因之一。
    (5)當(dāng)型腔較深或加工面積較大、形狀較復(fù)雜時(shí)，電蝕生成物排出較困難；加工產(chǎn)生的大量氣體也應(yīng)及時(shí)排出，防止氣體聚集在某部位導(dǎo)致壓力增加而產(chǎn)生“放炮”現(xiàn)象，因此工具電極上大多開有沖油孔和排氣孑L，數(shù)控車床采用強(qiáng)迫沖液使加工蝕除物及氣體及時(shí)排出。實(shí)踐表明：當(dāng)沖油壓力增大時(shí)，電極損耗將隨之增大。這是由于沖油壓力增大后，對電極及工件表面的沖刷作用增強(qiáng)，電蝕產(chǎn)物中游離碳濃度下降且不易粘附到電極表面，使銅電極表面黑膜的沉積速度變緩；同時(shí)由于電極端面各部分流場不均勻，導(dǎo)致電極表面黑膜厚度不均勻，從而直接影響到加工精度，且加工表面易出現(xiàn)流場不均勻條紋。故沖油壓力及介質(zhì)流速皆不宜高，以偏低些為好，通常約為20—40kPa。

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