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電火花加工中的石墨材料應用解惑
日期: 2009-02-16
電火花加工領域中的眾多使用者在應用石墨電極材料時仍然存在諸多疑慮。一方面由於長期使用傳統銅材使得使用者具有心理上對其具有習慣性和依賴性,另一方面則是由於他們對銑床或電火花加工的實際應用經驗不足。
 
在上個世紀60年代,銅作為電極材料被廣泛使用,使用率約占90%,石墨僅占10%左右。但是今天,這種狀況已經發生了變化,在歐洲,超過90%的電極材料是石墨。銅,這種曾經占統治地位的電極材料,和石墨電極相比它的優勢幾乎消失殆盡。是什麼導致了這個戲劇性的變化?近幾年的EDM工業可以證明:這種變化歸功於石墨電極的諸多優勢。
 
本文將解釋電火花加工過程中使用石墨材料可能會遇到的一些問題,我們希望通過本文可以解除您對石墨材料的疑惑。
 
1 石墨材料有危險?
 
電火花加工所用的石墨是人工合成產品而非天然石墨,合成石墨必須經過一個漫長的高科技生產流程而製造成形,沒有輻射!。根據產品的規格不同,生成流程一般為四到七個月不等。在生產過程中,石墨要在高達3000攝氏度的高溫下進行加工。如此高的溫度使絕大部分的雜質都揮發了,從而使石墨的純淨度高達99.99%(100ppm)。這就意味著,一百萬件產品中只有一百件存在雜質,而這些雜質又被分解為各種元素,很難被覓到蹤跡。一些特殊應用所需要的石墨純淨度甚至可以小於5ppm。由此,在產品製造和模具製造中很少有完全採用純天然原料生產的情況。
 
對於操作銑床的員工來說,在粉塵環境下工作確實是一種危險。如果這種極小粉塵被吸入肺內,會對呼吸道造成傷害,因此,機器的密閉性就非常重要。如今用來進行石墨加工的高速銑床都配有密封裝置與粉塵收集器,這些都是機床的標準配置,只要維護得當,根本不用擔心粉塵給人帶來的傷害。
 
2 加工時肋片會斷裂?
 
據有關測試,發現如果用不正確或不合理的切削方法、切削參數以及不適於石墨加工的刀具,經常會造成肋片斷裂。
 
從加工工藝的角度來說,石墨無法與銅相比較,因為它完全採用了不同的加工工藝。比如,每刀的進給量越大,刀具磨損則越小。另外,與金屬材料加工截然相反的是,在石墨加工中,隨著切削速度的提高,刀具的磨損反而明顯減小。
 
這種情況下,我們主要使用鑽石或金剛石塗層的刀具。在使用的同時,人們也需要注意許多與金屬材料加工截然不同的規則。通常情況下,企業在引進諸如軟體、機器控制系統以及自動化系統等每一項新工藝的時候,一般都會對員工進行培訓。但唯有將銅加工方法轉換成石墨加工的時候,企業很少為他們提供培訓的機會。因此,很多用石墨代替銅材料進行電火花加工的廠家,這種早期嘗試從開始時便已夭折。
 
3 花更多時間學習應用?
 
通常對新事物的接受都需要時間。對於如何看待較新的石墨材料這個話題人們必須換一種方法去思考,並有可能還需要重新設計加工過程中的一些流程工藝來配合。但更為重要的一點是,採取這些措施卻可以給我們帶來巨大的成本節省空間,同時也能大大縮短模具製作週期——採用石墨電極的電火花加工效率是銅的2-3倍,而切削效率更是銅的3-5倍。
 
從全球市場來看,如果有人在今天仍然能夠繼續以20年前的歐洲生產方式運作,且在與亞洲和東歐的競爭中成功獲得一席之地的話,那他的產品一定非常具有獨到之處。否則,再不改善舊的生產工藝的情況下必然會為他人所趕超。石墨正是這樣一種能夠使得人們想要快速降低成本的願望成為可能的極佳的電極材料。
 
許多用戶採用了石墨材料之後將電極的數量減少了一大半。這會產生什麼樣的結果呢?
 
?電極裝夾所需的電極夾具大大減少。
 
?需要安裝的電極數目減少。
 
?只需要進行少量的零位設定。
 
?電極的測量工作量大大減少。
 
?用來製作電極的材料數量大大減少。
 
?切削週期顯著縮短,相應的也減少了電極損耗。使用銅電極時,一個型腔要多隻電極,如果換成石墨的話,則可以將以前的多個電極結合為一個電極。這樣,電極所能通過的電流加大,既提高了加工效率,也減少了電極損耗。
 
?切削速度明顯高於銅材料
 
4 銅材料比石墨材料更省錢?
 
這種籠統的說法沒有事實根據,這是因為人們往往忽略了二者計量方式不同的這一事實。銅材是以公斤為計量單位,而石墨材料通常以體積進行計算。在換算的過程中,人們還應該考慮電極材料各種密度的情況。由於近期國際市場上銅的價格已經急劇上漲到每公斤60元左右(2005年初銅價僅為每公斤30元上下),石墨材料本身的價格已相對低於銅材,並且銅是不可再生資源,價格只會越來越貴。如果,現在有人要買1立方分米(約9公斤)的銅,那麼他就得付約540元。以這樣的價格,人們卻已能獲得比較高品質的石墨產品,普通牌號的石墨售價甚至更為低廉。在成本優化的計算中石墨和銅材的價格固然是一個要素,但效率和產品品質更為重要,前文中所提到的石墨材料所具有的特性以及在應用中能夠發揮的作用才是關鍵,具體情況在後文中還會提到。
 
5 儲存或運輸中石墨易發生肋片斷裂?
 
這一說法肯定是正確的,但這種現象就一定是一種不足嗎?如果肋片電極在運輸過程中由於不當處理而發生斷裂,人們會立即發現這一情況並且馬上知曉電極發生了損傷。而如果用的是銅材,肋片在受到不當處理後則會彎曲。人們是否能夠馬上發現這一缺陷這一點非常值得懷疑。如果沒有及時發現而人們又繼續用這根電極進行放電加工的話,型腔或工件的損壞就不可避免了。
 
如果一根石墨電極發生肋片斷裂,那麼人們可以根據具體情況決定是否重新銑一根新的電極。在電極價格較高時也可以接上(粘上)一段石墨,然後將這一段重新銑削,並利用斷裂的一段重新製造成一根單電極。
6 加工表面品質能達到銅材所達到標準?
 
幾年前,人們還可能認為用石墨加工的零件表面品質只能達到VDI18。但是,現在情況已經表明,石墨材料加工的工件表面品質可以達到VDI12或者更高的等級。當然,這一標準並不是針對所有石墨材料,或是採用傳統的EDM機床的情況,比如粗制石墨或者常規石墨也無法達到這一標準。要獲得這樣的表面品質,各種生產條件必須與石墨材料達到最佳的契合狀態。在這種情況下,電極的尺寸、工藝以及石墨種類的選擇都是關鍵因素,將起到決定性的作用。不過,重要點在於,採用石墨材料可以達到很細的表面品質。
 
許多EDM設備的製造商和石墨材料的生產商都已經做了很多努力。現今,他們能夠為客戶提供石墨加工特定的加工設備和加工參數。而且,石墨生產商們也憑藉著他們更為細化的石墨品牌來滿足客戶的需求。
 
然而,最重要的因素還在於人們必須有針對地選擇設備生產商和石墨製造商。小題大做的情況經常會出現,比如有些客戶為了進行樣品加工會選出最複雜的部件,然後去設備生產商那媔i行測試加工。事實上這類部件在客戶產品的種類中最多占1%。如果設備和工藝都以此為標準的話,那麼毫無疑問會出現一個問題:99%的其他常規加工該怎麼辦?
 
因此,通常選用的設備應以滿足95%的產品種類為宜。其餘的產品種類可以委託其他擅長特種加工的企業代做,或是選用一根多次使用的電極。對於這種情況,我們也可以採取延長放電時間,或者在必要情況下應用銅電極的方法。
 
7 石墨可採用與銅材一樣的下偏差?
 
理論上,這個回答是肯定的。但是,我們並不建議採用。由於銅具有的特定熱性能所以通常可以選擇下偏差。石墨能夠承受更高的能量,因此宜採用更大的下偏差。相對損耗也因此明顯減弱。由於人們能夠用石墨銑削出極小的肋片,相應的,選用較大下偏差的可能也得以實現。
 
8 石墨進行追加工損耗加大?
 
這可能是個問題。但是,客戶也經常會提到,經過放電後,這個“安全尺寸”仍然能夠滿足客戶的要求。通常,石墨材料發生損耗增加的現象往往發生在加工小電極的情況下;並且人們還會習慣性地在追加工之後,直接對材料進行修補作業。事實上這種做法是錯誤的。放電加工後,還要經過一道拋光工序,而這道工序一般不需要花費很長時間。
 
需要注意的還有這樣一個問題:如果零件總是存在0.01至0.02毫米的餘量,我們是否可以在編程時加入電極補償量,這樣就可以一次加工到位,而不需要追加工。
 
9 線切割加工石墨比銅材慢?
 
這個觀點在是正確的,因為石墨的熔點比銅高的多,所以它更難被加工。但是要注意的是,大多數相關行業——如石墨生產商、設備生產商和生產線製造商早就開始解決這個問題。人們可以利用最新的設備(如鐳射加工,高壓水刀)加工出合格的產品。如果一定使用線切割加工,我們原則上建議客戶採用細顆粒的石墨產品,並且大幅度地降低沖水壓力,特別是對於薄筋電極。與粗顆粒產品或常規產品相比,細顆粒的石墨產品線上切割時能夠提供更高的工藝安全性和進給速度。
 
但從實際情況來看,現在究竟還有多少石墨電極需要通過線切割機床加工呢?許多電極都可以使用高速銑床的第4-5軸來加工。如果實在沒有其他的辦法,那麼人們也可以採用銅電極,前文說過,即使在模具工業很發達的歐洲,石墨的使用率也不是100%,任何一種事物都有優缺點。
 
10 結論
 
除了上述各項優點外,石墨還具備下列優勢:
 
?加工性能好(以遵循操作規則為前提)。
 
?熱穩定性高(不會發生熱變形)。
 
?重量輕(針對加工設備)
 
?不用去毛刺(對於自動化系統這點必不可少)。
 
?延展係數低(溫差變化小)。
 
?能夠針對各種加工情況提供最佳的選擇(粗顆粒和細顆粒石墨)
 
?市場上還能提供即可使用的電極(即,石墨產品已經經過加工,可以立即應用於電火花加工)。
 
同許多新型科技的發展一樣,使用石墨材料是一個不斷學習和優化的過程。關鍵在於,要給相關的員工提供參與培訓的機會,以便發揮他們的潛能。 面對激烈的國際競爭,企業只有不斷優化流程與創新工藝才能獲得生存。如今,石墨產品已經具備了相應的大環境。市場上不僅已經出現了用於粗顆粒、細顆粒的具備良好品質的石墨產品以及與石墨產品完美匹配的新切削設備,除此之外,石墨用的專業銑削刀具也同樣唾手可得。
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