火花機(jī)電極材料選擇的五個(gè)關(guān)鍵因素

火花機(jī) 人員尋找的性能因素是金屬去除率、磨損、表面光潔度、可加工性和材料成本。沒(méi)有細(xì)節(jié)的大型腔通常需要一種能夠提供高金屬去除率、良好磨損并且以合理成本提供大尺寸的材料。這些性能因素可以在精細(xì)分類的等級(jí)中找到，其中粒度較大且材料經(jīng)濟(jì)。在另一個(gè)極端，具有鋒利細(xì)節(jié)的非常小的型腔通常需要 Angstrofine 等級(jí)，其中良好的表面光潔度、非常好的耐磨性和可加工性至關(guān)重要。小粒徑和高強(qiáng)度使該等級(jí)能夠保持和保持復(fù)雜的細(xì)節(jié)。材料成本將是一個(gè)微不足道的因素。

每個(gè)應(yīng)用都有不同的性能要求，在選擇等級(jí)時(shí)應(yīng)考慮這些要求。要考慮的工作因素是工件金屬、要切割的型腔的形狀、大小和數(shù)量，以及粗加工和完成工作所需的電極數(shù)量。

性能因素可能意味著成功與失敗、利潤(rùn)與損失之間的差異。這些因素與客觀比較測(cè)試程序中的圖表一起，將對(duì)給定材料的性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。

因素 1：金屬去除率 （MRR）

金屬去除率通常以每小時(shí)立方英寸 （in3/hr） 表示，但實(shí)際上也可以用 $/hr 表示。

實(shí)現(xiàn)高效的 MRR 不僅僅是正確的機(jī)器設(shè)置的問(wèn)題。它還涉及 火花機(jī) 過(guò)程中耗散的直接能量。這種能量可以通過(guò)三種方式消散：

在工件中 —MRR 受工件材料物理特性的影響。工件的熔點(diǎn)和導(dǎo)熱性很重要。例如，銅的熔點(diǎn)很低，但金屬去除率通常仍然很低。這是因?yàn)殂~是良好的熱導(dǎo)體。這意味著熱量消散得太快，因此會(huì)干擾金屬的有效去除。另一方面，工具鋼具有更高的熔點(diǎn)，但不如熱導(dǎo)體好，因此比銅具有更好的金屬去除率。在評(píng)估 火花機(jī) 性能時(shí)，考慮工件金屬的兩種特性非常重要（圖 6-1）。

圖 6-1 因?yàn)殂~是一種良好的熱導(dǎo)體，所以能量在工作金屬中耗散，因此金屬去除率非常低。工具鋼是一種不良的熱導(dǎo)體，金屬去除率要高得多。

在缺口中 — 工作間隙中電極材料的顆粒會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定，能量可能會(huì)在間隙中耗散。這將減慢金屬去除過(guò)程。

在電極中 — 機(jī)器可以平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)消耗與工件一樣多的電極。電極腐蝕不能完全消除，但可以通過(guò)選擇合適的電極材料/加工金屬組合并以最佳設(shè)置進(jìn)行加工來(lái)最大限度地減少腐蝕。

顯然，除工件外，任何位置耗散的能量都被浪費(fèi)了，最大和最可控的損失是發(fā)生在電極中的損失。

通常，當(dāng)正極性切割時(shí)，石墨電極的粒徑越大，電極切割工作金屬的速度就越快。圖 6-2 比較了一組條件下石墨的五種 火花機(jī)分類的金屬去除率。

然而，切割型腔時(shí)，速度通常不是唯一的考慮因素。隨著細(xì)節(jié)量的增加，石墨的粒徑需要減小。

圖 6-2.火花機(jī) 石墨的典型金屬去除率比較。

因素 2：耐磨性 （WR）

有四種不同類型的磨損：體積磨損、角落磨損、末端磨損和側(cè)面磨損（圖 6-3）。邊角磨損通常是最重要的，因?yàn)樗鼘Q定最終切割的精度程度。如果電極能夠在其最脆弱的點(diǎn)成功抵抗腐蝕，那么整體磨損將降至最低，電極壽命將達(dá)到最長(zhǎng)。電極材料產(chǎn)生和保持細(xì)節(jié)的能力與其耐磨性和可加工性直接相關(guān)。

如果要修整電極，邊角磨損也很重要。必須將電極修整到超出此磨損區(qū)域。

圖 6-3.電極損耗。

端部磨損 — 這是在 火花機(jī) 過(guò)程中電極長(zhǎng)度的減少。可以通過(guò)測(cè)量切割前和切割后的電極長(zhǎng)度，然后從原始長(zhǎng)度中減去切割后的長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算量。

末端磨損 = 起始長(zhǎng)度 – 最終長(zhǎng)度

末端磨損率 — 末端磨損率（工作/磨損）可以表示為電極原始可用長(zhǎng)度的百分比。工件中加工切口的深度除以測(cè)得的端部磨損。將此數(shù)字除以 100 將得出最終磨損的百分比。

邊角磨損 — 電磁場(chǎng)往往集中在電極邊角（圖 6 /1），使邊角受到更大的磨損。角度越尖銳，該區(qū)域產(chǎn)生的火花就越多，熱量積聚也就越多。這會(huì)導(dǎo)致電極角落區(qū)域的加速磨損。鈍角的磨損程度低于銳角。通過(guò)選擇具有高強(qiáng)度和高密度的小粒徑電極材料，可以最大限度地減少拐角磨損。

圖 6-4.電磁場(chǎng)往往集中在角落。

邊角磨損是通過(guò)首先獲得明顯的邊角磨損讀數(shù)來(lái)確定的。這是通過(guò)在光學(xué)比較器上測(cè)量電極來(lái)完成的。明顯的拐角磨損是在 90° 角處損失的長(zhǎng)度。

然后，通過(guò)將端部磨損量添加到明顯的邊角磨損中來(lái)獲得真正的邊角磨損。

邊角磨損 = 表觀邊角磨損 + 端面磨損

拐角磨損率 — 然后，可以通過(guò)將切割深度除以真實(shí)拐角磨損來(lái)計(jì)算拐角磨損率。

體積磨損 — 這是指電極整個(gè)切割表面的綜合磨損與從工件金屬中去除的金屬量。體積磨損可以通過(guò)重量或工作金屬和電極通用的任何其他測(cè)量單位來(lái)計(jì)算。將在切割前后進(jìn)行測(cè)量。該磨損率由以下公式計(jì)算：

側(cè)面磨損 — 這是沿電極側(cè)壁的磨損。

非軌道電極

側(cè)面磨損是由從切割間隙沖出的顆粒引起的。當(dāng)這些顆粒被電介質(zhì)攜帶時(shí)，它們可以機(jī)械地磨損電極的側(cè)面。如果該區(qū)域有過(guò)多的顆粒運(yùn)動(dòng)，火花偶爾會(huì)跳過(guò)側(cè)面間隙，從而在電極側(cè)面和工件之間產(chǎn)生切割。間隙橋接可能是由沖洗條件差、大顆粒或過(guò)多顆粒引起的。

側(cè)面磨損會(huì)導(dǎo)致切口在電極穿過(guò)工件時(shí)逐漸變細(xì)。錐度的量是通過(guò)測(cè)量切口的底部并從切口頂部減去它來(lái)確定的。

軌道電極

環(huán)繞電極會(huì)導(dǎo)致使用電極的整個(gè)表面，而不是末端。當(dāng)電極向側(cè)面移動(dòng)時(shí)，它會(huì)切割側(cè)壁。由于切削過(guò)程中涉及的電極面積較大，因此可以增加加工電流以提高金屬去除率。電極軌道大大降低了工件的側(cè)壁錐度（圖 6-5）。

圖 6-5.在軌和非在軌電極側(cè)磨損的比較。非軌道電極在末端和拐角處磨損更多，而腔側(cè)壁逐漸變細(xì)。軌道電極沿側(cè)面和末端均勻磨損，在腔體中產(chǎn)生更直的側(cè)壁。

通常，小顆粒、高強(qiáng)度的石墨比大顆粒的石墨磨損得慢（圖 6-6）。在一些加工金屬中，使用各種類別的電極材料，使用每種材料的最佳設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)磨損條件（小于 1% 的末端磨損）。

圖 6-6.不同石墨分類的典型端部磨損。

無(wú)磨損

無(wú)磨損 火花機(jī)加工 被認(rèn)為是 1% 或更少的電極磨損。石墨電極無(wú)磨損條件所需的參數(shù)是正極性和長(zhǎng)導(dǎo)通時(shí)間。為了保持穩(wěn)定的加工條件，應(yīng)盡可能縮短關(guān)閉時(shí)間。

在無(wú)磨損情況下，電極將呈現(xiàn)銀色涂層，這是工作金屬電鍍電極的效果。過(guò)多的電鍍作用會(huì)導(dǎo)致電極生長(zhǎng)。電極末端可能會(huì)形成結(jié)節(jié)并扭曲電極的形狀（圖 6-7）。

圖 6-7。過(guò)度的電鍍作用導(dǎo)致該電極形成結(jié)節(jié)。

無(wú)磨損設(shè)置不會(huì)產(chǎn)生最快的金屬去除率。盡管可以使用五種分類中的任何一種的石墨獲得無(wú)磨損條件，但并非所有電極/工作金屬組合都可以置于無(wú)磨損狀態(tài)。圖 6-8 顯示了每種石墨達(dá)到無(wú)磨損條件所需的大致最小導(dǎo)通時(shí)間。

圖 6-8.不同石墨分類的無(wú)磨損比較。

因素 3：表面光潔度

火花機(jī)加工表面光潔度可以通過(guò)多種因素的組合來(lái)控制，例如導(dǎo)通時(shí)間、峰值電流、電極材料和工件材料。

隨著電極在加工周期中的進(jìn)行，它會(huì)產(chǎn)生其擁有的任何形狀或形式的反向圖像。電極表面的缺陷也會(huì)在工件表面重現(xiàn)。這包括磨損引起的顆粒損失或高溫引起的材料損失。如果電極有凹坑，它會(huì)出現(xiàn)在工件上。最終的表面光潔度將是電極表面的鏡像。

較短的導(dǎo)通時(shí)間和低峰值電流設(shè)置可產(chǎn)生最佳光潔度，因?yàn)檫@些條件會(huì)在工作金屬中產(chǎn)生較小的凹坑。在滿足這些條件之前，任何電極材料都不會(huì)產(chǎn)生良好的表面光潔度。

具有高強(qiáng)度和小顆粒的 Angstrofine 和 Ultrafine 石墨是精加工電極的最佳選擇（圖 6-9）。

圖 6-9.不同類型石墨的典型表面處理。

CNC 效果

使用軌道電極可以獲得更精細(xì)的表面光潔度。當(dāng)電極通過(guò)其軌道模式移出時(shí)，可以對(duì)機(jī)器進(jìn)行編程以不斷減小安培數(shù)。這可以產(chǎn)生非常精細(xì)的飾面和較小的重鑄層。

測(cè)量表面光潔度

美國(guó)測(cè)量光潔度的標(biāo)準(zhǔn)是 Ra（算術(shù)平均值），可以用微英寸或微米表示。歐洲標(biāo)準(zhǔn)是 VDI。RMS（均方根）已經(jīng)過(guò)時(shí)，但仍可在一些出版物中找到。下表比較了這三種測(cè)量表面光潔度的方法。

因素 4：火花機(jī)可加工性

大多數(shù)石墨很容易加工。硬度值高的材料會(huì)導(dǎo)致加工問(wèn)題。制造時(shí)間受材料的粒度和強(qiáng)度以及所需的電極細(xì)節(jié)的影響。

在石墨中可能獲得的最大細(xì)節(jié)受材料強(qiáng)度、顆粒和孔徑的限制。如果嘗試加工的細(xì)節(jié)超出材料所能處理的細(xì)節(jié)，可能會(huì)浪費(fèi)加工時(shí)間。由此產(chǎn)生的高廢品率是由于碎屑和斷裂造成的。

高強(qiáng)度、小顆粒材料可以更好地加工出最小半徑和緊密公差，并且所得電極將更長(zhǎng)時(shí)間地保持該細(xì)節(jié)。埃斯特羅芬和超細(xì)類石墨可實(shí)現(xiàn) 0.020 英寸厚、1.0 英寸高超過(guò) 1.0 英寸的葉片，帶有直徑為 0.005 英寸的齊平孔。在超細(xì)和細(xì)分類中，很容易用石墨加工粗加工或細(xì)節(jié)較少的大型電極（圖 6-10）。

因素 5：材料成本

應(yīng)權(quán)衡火花機(jī)電極制造、磨損和修整成本，以確定最佳電極材料和機(jī)器設(shè)置。實(shí)際材料成本僅占 火花機(jī)加工總作業(yè)成本的一小部分。

許多作為 火花機(jī)電極材料出售的常見(jiàn)石墨對(duì)于粗加工光潔度和細(xì)節(jié)并不重要的型腔來(lái)說(shuō)非常具有成本效益。但是，當(dāng)應(yīng)用于錯(cuò)誤的工作時(shí)，它們確實(shí)會(huì)變得非常昂貴。每種應(yīng)用都有不同的性能要求，在選擇電極材料時(shí)應(yīng)考慮這些要求。要考慮的工作因素是工作金屬、要切割的型腔的形狀、大小和數(shù)量，以及粗加工和完成工作所需的電極數(shù)量。

所選的火花機(jī)電極材料會(huì)影響制造時(shí)間、切割時(shí)間、人工和電極磨損。這就是為什么了解石墨等級(jí)的特性和特性以及它們與待加工加工金屬的性能至關(guān)重要的原因。這些因素可以決定盈虧、成功和失敗。

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