模具加工中电火花对电极材料的合理选取

本文通过对各类电火花加工电极材料进行及其对加工效果、电极损耗和生产率的影响进行了详细的分析，提出了在实际加工中合理选取电极材料的原则，对进一步提高加工质量具有一定意义。
摘要:本文通过对各类电火花加工电极材料进行及其对加工效果、电极损耗和生产率的影响进行了详细的分析，提出了在实际加工中合理选取电极材料的原则，对进一步提高加工质量具有一定意义。
  电极材料的选取直接关系到放电加工的效果，在很大程度上，材料的选取是否恰当，决定了放电速度、加工精度以及表面粗糙度的最终情况。应根据不同类型模具的实际需求，有针对性地对材料进行选择使用。

1 电极材料的加工性能及特点
电火花加工型腔常用的电极材料主要有紫铜、石墨，特殊情况下也可采用铜钨合金与银钨合金材料。下文对这几种电极材料的加工性能及特点作介绍。

1.1 紫铜
紫铜是目前在电加工领域应用最多的电极材料。
紫铜材料塑性好，可机械加工成形、锻造成形、电铸成形及电火花线切割成形等，能制成各种复杂的电极形状，但难于磨削加工。用于电火花加工的紫铜必须是无杂质的电解铜，最好经过锻打。
紫铜加工稳定性好，在电火花加工过程中，物理性能稳定，能比较容易获得稳定的加工状态，不容易产生电弧等不良现象，在较困难的条件下也能稳定加工。精加工中采用低损规准可获得轮廓清晰的型腔，因组织结构致密，加工表面光洁度高，配合一定的工艺手段和电源后，表面加工粗糙度可达Ra0.025μm的镜面超光加工。但因本身材料熔点低（1083℃），不宜承受较大的电流密度，一般不能超过30A电流的加工，否则会使电极表面严重受损、龟裂，影响加工效果。紫铜热膨胀系数较大，在加工深窄筋位部分，较大电流下产生的局部高温很容易使电极发生变形。紫铜电极通常采用低损耗的加工条件，由于低损耗加工的平均电流较小，其生产率不高，故常对工件进行预加工。
紫铜电极可适合较高精度模具的电火花加工，像加工中、小型型腔，花纹图案，细微部位等均非常合适。

1.2 石墨
石墨也是模具制造中常用的电极材料。近年来，由于国内外石墨生产企业大力推广EDM用的石墨，石墨的优越性逐渐被大家所认识和接受，越来越多地把它当作电极材料使用。石墨的机械加工性能优良，其切削阻力小，容易磨削，很容易制造成形，无加工毛刺。密度小，只有铜的1/5，电极制作和准备作业容易。) 石墨电极的制作有专门的石墨CNC高速加工机，CNC加工速度快，对于超高（50㎜-90㎜）、超薄（0.2㎜-0.5㎜）的电极，加工时不易变形；做成整体电极时，存在种种隐性清角，由于石墨易修整的特性，使这一难题很容易得到解决；对石墨的切削加工中，刀具很容易磨损，一般建议用硬质合金或金刚石涂层的刀具，在粗加工时刀具可直接在工件上下刀，精加工易发生崩角、碎裂的现象，常采用轻刀快走的方式加工，切削深度可小于0.2㎜；石墨电极CNC加工时产生的灰尘比较大，粉尘有毒性，这就要求机床应有相应的处理装置，机床密封性要好；在加工前将石墨在煤油中浸泡一段时间也是防止加工崩角、减少粉尘的方法。随着石墨材料制作工艺的不断完善，高新技术的发展，多种石墨材料可满足不同的加工需求。石墨电极材料选择的依据有很多种，但主要有以下四个标准直接决定着材料的使用性能：
（1）材料的平均颗粒直径。材料的平均颗粒直径直接影响到材料放电的状况。平均颗粒越小，材料的放电越均匀，放电状况越稳定，表面质量越好，损耗情况越小。对于精度要求不高的模具，可使用颗粒较粗的材料，对于精度要求较高的模具，推荐使用平均颗粒在4μm以下的材料。
（2）材料的抗折强度。材料的抗折强度是材料强度的直接体现，显示材料内部结构的紧密程度。强度高的材料，其放电的耐损耗性能相对较好，对于精度要求高的电极，尽可能选择强度较好的材料。
（3）材料的肖氏硬度。在特种石墨行业中，通用的硬度检验标准是肖氏硬度测量。据测试，石墨的硬度比金属材料还要高，由于其较高的硬度，在切削时，刀具的损耗比切削金属还要大些，与此同时，硬度高的石墨材料在放电损耗方面的控制比较优秀。4 L1 I. p+ I* R- ^* h1 r. q
（4）材料的固有电阻率。根据材料的特性统计，如果材料的平均颗粒相同，电阻率较大的放电速度会比电阻率小的慢。对于同等平均颗粒的材料，其强度和硬度也会相应略低于电阻率高的材料。即放电的速度、损耗会有所不同。因此根据实际应用的需要选择材料非常重要。" l8 ?7 }+ {5 E( O' r  }
　　综上所述，石墨电极特别适用于加工蚀除量较大的型腔，在大面积加工情况下能实现低损耗、高速粗加工，像在大型塑料模具、锻模、压铸模等模具的电火花加工中可发挥其独特的加工优势。石墨材料的电极因其重量轻，常用于大型电极的制造，热变形小，是用于加工精度要求高的深窄缝条的首选材料。

1.3 铜钨合金与银钨合金
铜钨合金与银钨合金类电极材料在通常加工中很少采用，只有在高精密模具及一些特殊场合的电火花加工中才常被采用。
铜钨合金与银钨合金类电极材料它的强度和硬度高，密度大，熔点将近3400℃，由于含钨量高，可以有效地抵御电火花加工时的损耗，能保证极低的电极损耗，在极困难的加工条件下也能实现稳定的加工，能加工出高品位的表面。其电极制造采用机械加工较容易成形。缺点是其价格昂贵，材料来源困难。 

　　加工电子接插件类高精度模具时，对细微部分的形状（如深长直壁孔、复杂小型腔）要求很严格，这就要求加工中电极的损耗必须极小，选用铜钨合金与银钨合金类材料来制造工具电极是加工技术的基本要求。铜钨合金与银钨合金类电极也适合用来加工普通电极难以加工的金属工件，铜钨电极针对钨钢，高碳钢，耐高温超硬合金金属，因普通电极损耗大，速度慢，铜钨电极是首选材料，注射模具中铍铜镶件的电火花加工也非常适合采用铜钨合金。银钨电极是电极中的极品，一般加工设备及刀具很难加工出高光洁度的电极，用此电极修普通电极能达到最佳光洁度，从而使模具达到非常高的精度。

2 电极材料选择的综合考虑  

　　如何能够应用有限的资源提高产值？如何在同等情况下节省时间、费用与能源？选择电极材料时，应综合考虑各方面的因素，对各种电极材料作出对比，合理选择电极材料。
 2.1 电极材料必须具备的特点
在电火花加工的过程中，电极用来传输电脉冲，蚀除工件材料。电极材料必须具有导电性能良好、损耗小、加工成形容易、加工稳定、效率高、材料来源丰富、价格更便宜等特点。表3-1为各种电极材料的特点。

2.2 电极材料的选择原则)

　　合理选择电极材料，可以从下列方面进行考虑：电极是否容易加工成形；电极的放电加工性能如何；加工精度、表面质量如何；电极材料的成本是否合理；电极的重量如何。在很多情况下，选择不同的电极材料各有其优劣之处，这就要求抓住加工的关键要素。如果进行高精度加工，那就要抛弃电极材料成本的考虑，如果要求进行高速加工，那就要将加工精度要求放低。很多企业在选择电极材料上，根本就不作考虑，大小电极一律习惯选用紫铜，这种做法在通常加工中不会发现其弊端，但在极限加工中就明显存在问题，影响加工效果，在精细加工中就往往会埋怨机床损耗太大，需要采用很多个电极进行加工，大型电极也选用紫铜，致使加工所耗时间很多。

  2.3 电极材料选择的优化方案即使是同一工件的加工，不同加工部位的精度要求都是不一样的。选择电极材料在保证加工精度的前提下，应以大幅提高加工效率为目的。高精度部位的加工可选用铜作为粗加工电极材料，选用铜钨合金作为精加工材料；较高精度部位的加工粗精加工均可选用铜材料；一般加工可用石墨作为粗加工材料，精加工选用铜材料或者石墨也可以；精度要求不高的情况下，粗精加工均选用石墨。这里的优化方案还是强调、充分利用了石墨电极加工速度快的特点。