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数控车床影响电极损耗的主要因素

日期：2009年12月29　来源：沈阳第一机床厂　关键字：数控车床
    (1)适用于难切削材料的成形加工，由于电火花加工是靠脉冲放电的电热作用蚀除工件材料的，与工件的机械性能关系不大。因此，对传统切削加工工艺难以加工的超硬材料如人造聚晶金刚石(PCD)及立方氮化硼(CBN)等是极好的补充加工手段。
    (2)可加工特殊的、数控车床形状复杂的零件，由于放电蚀除材料不会产生大的机械切削力，机床电器因此对脆性材料如导电陶瓷或薄壁弱刚性的航空航天零件，以及普通切削刀具易发生干涉而难以进行加工的精密微细异形孔、深小孔、狭长缝隙、弯曲轴线的孔、型腔等，均适宜采用电火花成形加工工艺来解决。图5—2所示为适宜用电火花成形加32212艺的典型示例图。
    (3)当脉冲宽度不大(不大于8p．s)时，由于单个脉冲能量不大，放电又是浸没在工作液中进行的，因此，对整个工件而言，在加工过程中几乎不受热的影响，有利于加工热敏感材料。采取一定工艺措施后，还可获得镜面加工的效果。
    (4)加工的放电脉冲参数可以任意调节，在同一台机床上可完成粗、中、精加工过程，数控车床且易于实现加工过程的自动化。有些高档数控电火花成形机床已能实现无人化操作。
    (5)采用电火花成形加工还有助于改进和简化产品的结构设计与制造工艺，提高其使用性能。例如，航天火箭的燃气涡轮采用常规机械加工工艺时，只能分解机床电器加工，然后镶拼、焊接；而利用多轴联动数控电火花成形机床可进行涡轮整体加工，从而大大简化了结构，减轻了零件重量，提高了涡轮的性能。
    国内电火花加工冲模的电极材料一般选用铸铁和钢，大多采用成形磨削方法制作电极。为了简化电极的制作，可采用模具钢制作冲模加工用电极，进行“钢打钢”电火花加工冲模，事后将电极下端的放电部位切去，就可作冲头使用。而型腔模具加工用的工具电极大多采用石墨及紫铜制作。由于石墨较易加工成形，密度又较小(约为1．75～1．95ks／m’)，因此在大、中型零件及模具加工方面，数控车床大多采用石墨制作电极。选购石墨时，不能使用炼钢用的石墨电极，因为这种石墨灰分较多，不够致密，纯度不高。简单的方法是用眼观察及手摸。表面有一定光泽、无任何气孔，手感细腻，而且手摸时手指上只有极少石墨粉附着，这种石墨质量较好。再用胶木棒等敲打，声音清脆且棱边不崩口的，证明石墨的材质致密，有一定冲击韧性，可用作电极材料。单向加压烧结的石墨有方向性，即与加压方向垂直的表面较致密，耐蚀性能较均匀，适用于作工具电极的加工表面；而其余两个方向的密度低于与加压方向垂直的表面，也就是说，这机床电器类石墨是各向异性的。而国外生产的石墨(电加工专用)大多采用三个方向等强度加压烧结制成，具有各向同性，均匀致密，在放电加工时电极表面不易发生脱层与剥落。因此，当采用拼接法制作大型模具电火花加工用工具电极时，一定要选购各向同性的石墨。用各向异性的石墨拼制电极，当加工较深的型腔时，将因各部位石墨损耗不同而直接影响到模具的成形精度，数控车床甚至无法加工出可用的模具。
由于铜钨合金和银钨合金的价格高，而且机械加工性能较差，故实际生产中较少采用。较多使用的是纯铜(俗称紫铜)和石墨，它们的共同优点是在大脉宽粗加工时，均能实现低损耗。
    石墨电极最大的弱点是加工时易发生电弧烧伤，其次，在精加工时电极损耗比紫铜大。故在大脉宽、大电流、粗加工时使用石墨电极，而精密加工时大多采用紫铜电极。
    (1)工具电极材料对电极损耗影响极大。熔点、沸点越高，导热性越好，电极损耗就越小。银钨合金、铜钨合金就属于低损耗电极材料。电极材料的选用要综合考虑工件要求、工艺性及生产成本，不能盲目追求低损耗。
    (2)电参数对电极损耗影响也较大机床电器。加大脉冲宽度可降低损耗，但也存在一个最佳范围，超过这个范围，损耗又将加大。
在一般情况下，若脉宽不变，数控车床则随脉冲峰值电流的增加，电极损耗加大。特别是当放电面积很小而峰值电流又很大时，电极损耗将更加明显。
    (3)极性。一’般说来，粗加工时应使用负极性加工，而精加工时要改为正极性加工。但要记住特例，即当采用“钢打钢”时，无论是粗、精加工，都应采用负极性加工，才能实现电极低损耗加工。
    (4)黑膜对电极损耗的影响也不容忽视。当采用煤油作为工作介质，使用紫铜电极加工时，电极表面会出现一层黑膜。实践证明，随着脉宽的增加，黑膜厚度会逐渐增加，电极损耗逐步下降。当脉宽大于2001xs时，黑膜厚度可达0．Olmm，此时的电极损耗均小于1％。脉冲宽度及峰值电流不同，黑膜厚度也不同。随着黑膜厚度的增加，电极损耗也随之降低，可见电极表面黑膜的形成有利于降低电极损耗。当黑膜厚度超过0．01mm后，电极相对损耗可小于1％。机床电器当脉宽和峰值电流一定时，随脉冲停歇时间的增加，黑膜厚度将减小。因为脉冲时间增加，消电离充分，但电极表面温度降低，不利于黑膜的形成。而随着脉冲停歇时间的减小，电极表面温度升高，有利于黑膜的形成，电极损耗随之降低，数控车床但容易引起拉弧烧伤，无法正常加工。
    对黑膜成分进行电镜扫描分析表明，黑膜中不但含有大量的碳元素，而且含有相当数量的铁元素(力11212钢时)；而当用紫铜加工硬质合金时，黑膜中则含有碳、钨、钴等元素。由此可知：黑膜的成分主要是煤油介质高温分解产生的碳元素以及工件材料的组成元素。黑膜对电极有保护作用，可减少电极的损耗，主要原因是其动态的补偿作用，即在电火花加工过程中电极表面不断形成黑膜，又不断被蚀除，数控车床蚀除和补偿(吸附及粘接)基本上达到动态平衡时，即可获得电极的低损耗或零损耗。
    在一定范围内，电火花精加工实现低损耗是可能的。但越有利于形成黑膜时，也越易形成电弧放电。这就要求脉冲电源的控制系统应当尽量完善，才不致破坏黑膜的形成，又不会产生电弧。
    归纳起来，即在煤油介质中，用紫铜作工具电极并采用负极性加工时，电极表面均有黑膜形成。随黑膜厚度的增加，电极损耗随之降低。当黑膜厚度达到一定值(约0．01mm)后，电极可实现低损耗，可见黑机床电器膜不是电极低损耗的结果。相反，由于黑膜的保护和补偿作用，使电极损耗得以进一步降低或无损耗，所以黑膜是降低电极损耗的重要原因之一。
    (5)当型腔较深或加工面积较大、形状较复杂时，电蚀生成物排出较困难；加工产生的大量气体也应及时排出，防止气体聚集在某部位导致压力增加而产生“放炮”现象，因此工具电极上大多开有冲油孔和排气孑L，数控车床采用强迫冲液使加工蚀除物及气体及时排出。实践表明：当冲油压力增大时，电极损耗将随之增大。这是由于冲油压力增大后，对电极及工件表面的冲刷作用增强，电蚀产物中游离碳浓度下降且不易粘附到电极表面，使铜电极表面黑膜的沉积速度变缓；同时由于电极端面各部分流场不均匀，导致电极表面黑膜厚度不均匀，从而直接影响到加工精度，且加工表面易出现流场不均匀条纹。故冲油压力及介质流速皆不宜高，以偏低些为好，通常约为20—40kPa。

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