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电极材料在机加工及放电加工中的效果
作者:Jerry Mercer
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电火花EDM/线切割展厅
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介绍

无可比拟的电火花加工技术具有的优势是当今全球竞争环境下确保成功的手段。今天,工厂在提高生产效率,生产出高品质模具以及按时满足客户不断提高的要求的同时,必须找到一个降低制造成本的办法。时常地,需要通过更新设备来满足当前的技术能力。本文中将考察自适控制功能的使用,以及介绍电极材料在此功能下达到的效果,并描述用两种不同等级的材料对同一个肋位进行加工测试的结果。

什么是自适控制

开模技术已经发生了很大的变化,最重要的进步之一就是自适控制功能或是模糊逻辑功能的发展和不断改进避免了臆测,使得机床能控制金属腐蚀的全过程。

历史上,EDM操作员需要在EDM应用中积极地监控并具有一定的技术来修正EDM切割中的并病。现在的劳动力市场中已经很难找到这样的人才,付出的代价也更高。由此改进EDM CNC控制能力变得越来越重要。以今天火花机自适控制功能的水平,机床能够不间断地监控火花间隙,搜寻故障隐患。一旦发现,机床会自动调整加工条件解除隐患。使操作人员集中精力在其他工作上。可惜,这常常会使操作人员想当然地以为火花机的自适控制功能可以为加工应用提供最有效的办法。因此,常常使用低价质廉的电极材料。终究,火花机可以自行解决加工中的所有并病,能够直接完成任务,是这样吗?虽然在某些实例中是这样的,但是事实上电极材料会影响机床全优化EDM加工和提供整个加工中最经济可行办法的能力。换句话说,EDM机床的自适控制功能只是在它必须处理的情况下才能优化加工。

自适控制的作用只是能读懂EDM放电的条件,并将这些条件转换成数字信号进入到机床的控制器。控制器再转换这些信号,判断EDM切割的效率并作出相应调整。自适控制技术监测的加工条件之一是间隙杂质。如果间隙间存在过多的杂质,可能会引起积碳及性能降低。那样的话,控制器必须马上作出调整,以避免工件过度放电或影响表面精度。这一般涉及到间隙电压的调整,调大OFFTIME,修改跳跃功能,或将这些结合起来一起调整。

虽然这样可以解决问题,但是没能真正地优化EDM性能。使用低端的电极材料常常需要机床控制器不断地做出调整,因此降低了EDM切割的速度。一句老话“没有付出就没有收获”在这里很适用。举例说:当控制器在EDM切割中增加了OFFTIME来避免间隙中过多的杂质,电极材料相应的工作循环就有所降低,EDM切割速度变慢。

花一美元来节约一毛钱

宝马公司的生产总监Frank-Peter Amdt曾说过:“任何人在困难时期在错误的地方省钱会让他的竞争力长期面临风险。”

为了计算EDM应用的真实成本,工厂老板不可以只考虑电极材料和加工的成本,而是应该考虑EDM加工时间和最后需要抛光的成本。更换到低端的电极材料只是节省了一些电极成本,但长期来看可能花费更多,并且降低了竞争优势。

记住Amdt先生的话,我们用一种更便宜和更低端的电极材料通过EDM机床的自适控制功能来评估电极的效果。我们使用了微细和超细等级的材料设置程序来加工一个肋位电极,加工深度为1.5'',表面光洁度要求达到VDI27。

两种电极材料的价格成本看起来相差较大,为什么带有自适控制功能的EDM机床在加工中要使用更加昂贵的材料?从表格1中看到,使用更加经济的微细材料并没有实现预期的成本效率。这种材料没有达到表面光洁度要求,需要花更长的时间来完成最后的加工深度。抛光型腔的额外成本和延长的放电时间实际上没有为加工省钱。如果材料成本是考虑的全部因素时,使用低端材料才是合理的。然而,我们可以看见当考虑到EDM加工过程的全部因素时,仅仅省下电极材料的成本会带来更高的总成本。在这种情况下,从材料成本上省下每一分钱,制造总成本上就会多花一元钱。

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加工测试案例

常常,购买火花机的前提是实现最佳的性能,而不管使用的是何种电极材料。以下的测试是用两种不同等级的材料编程完成同一个肋位加工。每次加工中,都使用两个电极,一个做粗加工,另一个做精加工来实现VDI27的表面光洁度和深度1.5''。这次测试的目的是检验电极材料在加工中能否实现令人满意的结果并且确定附加的成本。所用电极材料的差异与颗粒尺寸和微观结构密切相关。一种材料是超细等级材料,另一种是颗粒较大的微细等级材料。在此实验中,肋位电极测量出的尺寸0.040''x 1.00'',1度倾斜基本达到电极的细节要求。

两种等级的电极材料都达到了加工的深度,表面光洁度似乎也差不多。然而,在放大镜下,我们发现微细等级材料没有达到要求的光洁度,因此,放电后还需要对型腔进行抛光处理。

此型腔测量出的光洁度平均为VDI 31,展现出了图形1中所示的粗糙的纹理。另一方面,用超细等级材料加工出来的型腔达到的光洁度平均为VDI 27,如图2所示。

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您也许很惊讶为何在一台火花机及同一程序下加工两种材料电极最后出现的表面光洁度有差异。问题主要在于电极材料的微观结构。型腔的表面光洁度是加工程序中EDM参数和电极材料结构的反映。由于电极材料的颗粒尺寸和相应的气孔变大,型腔的光洁度变得粗糙。火花机的控制器识别出了程序设置的表面光洁度要求,确定EDM参数来实现这个要求。但它没有考虑到与表面光洁度有关的电极材料的结构。

即使EDM参数相容,随着电极材料结构的变化表面光洁度也会受到影响。正如图3所展示的超细等级材料与微细等级材料之间的结构变化较大,型腔的表面光洁度也不同。

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在这点上,会产生对型腔进行抛光处理的额外费用,如图1所示从VDI 31-要求的VDI 27.如果要求加工达到EDM纹路效果,需要对模具进行二次加工,例如,酸蚀,将表面光洁度降到要求的数值,因为任何的抛光都会消除纹路,潜在造成模具报废。

正如之前提到的,型腔放电加工的成本同样应该考虑。通常来说,颗粒大的电极材料会产生更大的金属切削率,减少EDM加工时间。可惜,结果也往往不是这样。

这种情况下,微细等级的颗粒较大的电极材料会比超细等级材料更多地用到EDM机床的自适控制功能来补偿间隙条件。

较大颗粒的材料常常会造成冲油和排渣的困难,或是电极损耗增大造成火花间隙间杂质过多的问题。不论发生哪种情况,机床的自适控制功能会不断地修改程序来保持间隙清洁。

表格1提供的成本比较体现出了较大颗粒的微细等级材料的放电时间比超细等级略长。使用超细等级材料所用的放电时间缩短了23分钟。在这种情况下,造成的差异不仅是23分钟,而是放电时间几乎缩短了15%的事实。由于这个测试只是进行了很短的时间,放电加工时间15%的改善在实际的加工中会更多。单是这些节省就大大超过了电极材料多出的成本。

结论

如图所示,使用低端的电极材料影响了机床解决问题的能力,常常导致EDM成本的增加。

火花机的自适控制功能保证了大多数加工参数的满足。今天的技术使得机床更加适应在极端条件下工作,加工出最精细和最小公差的模具。机床监控间隙的能力可以对极其精细的电极使用更恰当的电流密度,实现以十亿分之秒来解决问题的反应速度,不用担心EDM应用失败。

但是自适控制功能不会判定电极材料的结构,而是对材料结构的间隙条件作出反应。使用低端材料会使机床的自适控制功能过度波动。

自适控制功能是EDM加工中所产生问题的安全因子。通常,在放电加工过程中使用高端材料就不需要启动自适控制功能来解决问题。这使得放电更有效模具更完整。使用低端材料会导致过度补偿,机床的控制系统也许开始的时候起到作用,但最终会导致失败。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (6/13/2013)
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