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      浅谈石墨电极在模具加工中的应用

      作者:jcadmin 发布时间:2019-07-08 16:07:17

      浅谈石墨电极在模具加工中的应用
      近年来随着精密模具及高效模具(模具周期越来越短)的推出,人们对模具制作的要求越来越高,由于铜电极自身种种条件的限制,已越来越不能满足模具行业的发展要求。石墨作为EDM电极材料,以其高切削性、重量轻、成形快、膨胀率极小、损耗小、修整容易等优点,在模具行业已得到广泛应用,代替铜电极已成为必然。

      一、石墨电极材料特性

      1.CNC加工速度快、切削性高、修整容易

      石墨机加工速度快,为铜电极的3~5倍,精加工速度尤其突出,且其强度很高,对于超高(50~90mm)、超薄(0.2~0.5mm)的电极,加工时不易变形。而且在很多时候,产品都需要有很好的纹面效果,这就要求在做电极时尽量做成整体公电极,而整体公电极制作时存在种种隐性清角,由于石墨的易修整的特性,使得这一难题很容易得到解决,并且大大减少了电极的数量,而铜电极却无法做到。

      2.快速EDM成形、热膨胀小、损耗低

      由于石墨的导电性比铜好,所以它的放电速度比铜快,为铜的3~5倍。且其放电时能承受住较大电流,电火花粗加工时更为有利。同时,同等体积下,石墨重量为铜的1/5倍,大大减轻EDM的负荷。对于制作大型的电极、整体公电极极具优势。石墨的升华温度为4200℃,为铜的3~4倍(铜的升华温度为1100℃)。在高温下,变形极小(同等电气条件下为铜的1/3~1/5),不软化。可以高效、低耗地将放电能量传送到工件上。由于石墨在高温下强度反而增强,能有效地降低放电损耗(石墨损耗为铜的1/4),保证了加工质量。

      3.重量轻、成本低

      一套模具的制作成本中,电极的CNC机加工时间、EDM时间、电极损耗等占总体成本的绝大部分,而这些都是由电极材料本身所决定。石墨与铜相比,石墨的机加工速度和EDM速度都是铜的3~5倍。同时,磨损极小的特性与整体公石墨电极的制作,都能减少电极的数量,也就减少了电极的耗材与机加工时间。所有这些,都可大大降低模具的制作成本。

      二、石墨电极机电加工要求与特点

      1.电极的制作

      专业的石墨电极制作主要采用高速机床来加工,机床稳定性要好,三轴运动要均匀稳定不振动,而且像主轴这些回转精度也要尽可能的好。对一般的机床也可以完成电极的加工,只是编写刀路的工艺与铜电极有所不同。

      2.EDM放电加工

      石墨电极就是碳电极。因为石墨的导电性能好,所以在放电加工中能节省大量时间,这也是用石墨做电极的原因之一。

      3.石墨电极的加工特点

      工业用石墨质硬而脆, 在C N C加工时对刀具的磨损较为严重,一般建议使用硬质合金或金刚石涂层的刀具。石墨在粗加工时刀具可直接在工件上下刀,精加工时为避免崩角、碎裂的发生,常采用轻刀快走的方式加工。一般而言,石墨在切深小于0.2mm的情况下很少发生崩碎,还会获得较好的侧壁表面质量。石墨电极CNC加工时产生的灰尘比较大,可能入侵到机床的导轨丝杆和主轴等,这就要求石墨加工机床有相应的处理石墨灰尘的装置,机床密封性也要好,因为石墨有毒。

      三、加工石墨电极实例

      如图1所示的是挂机面板注射模定模芯石墨电极,其毛坯尺寸为182mm×42mm×65mm,中间小槽最大宽度为3.1mm,最大槽深为5.1mm,整体加工高度为64mm。

      这种类型电极的外形尺寸中等,形状较为复杂,在石墨电极中为较普遍的模型。整个模型采用Pro/ENGINEER的Wildfire2.0进行数控加工,不过,在加工之前先在煤油中浸泡数小时,降低其脆性。由于中间槽小且不规则,CAM的加工策略为:先粗加工整体外形,再精加工成形曲面及下端相连曲面,接着粗加工中间小槽,最后精加工中间小槽。

      图1 挂机面板注射模定模芯石墨电极
      1.整体粗加工

      使用D20(R1)涂层镶片铣刀,采用螺旋加工方式(TYPE_SPIRAL),切深(STEP_DEPTH)0.35mm,步距(SIDE_STEP)8mm,轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW)0.35mm,粗加工余量(ROUGH_STOCK_ALLOW)0.35mm,底部余量(BTTOM_STOCK_ALLOW)0.35mm,加工方式(ROUGH_OPTION)ROUGH_ONLY,安全高度(CLEAR_DIST)5mm,主轴转速(SPINDLE_SPEED)2500r/min,进给速度(CUT_FEED)800mm/min。

      使用屏幕演示(Screen Play)功能,加工刀具轨迹如图2所示。

      图2 粗加工整体外形
      同时,对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(GougeCheck)。铣刀没有进入中间槽的内部,整个电极外形被铣出,符合工艺的要求。按完成序列(DoneS w q)退出。程序计算的时间为50s,加工时间为2.1h。

      2. 精加工一

      精加工选用D16(R8)球头铣刀,采用曲面铣削(SurfaceMilling)的加工方式,步距(SIDE_STEP)0.2mm,轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW)-0.25mm,切削角度(CUT_ANGLE)45°,加工类型(SCAN_TYPE)TYPE_3,安全高度(CLEAR_DIST)5mm,主轴转速(SPINDLE_SPEED)2500r/min,进给速度(CUT_FEED)650mm/min。使用屏幕演示(Screen Play)功能,加工刀具轨迹如图3所示。同时,对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(Gouge Check)。铣刀没有进入中间槽的内部,槽外部被定义的加工成型曲面的负余量(火花间隙即摇动量)都被去除了,符合工艺的要求。按完成序列(Done Swq)退出。程序计算的时间为130s,加工时间为1.5h。

      图3 精加工成型曲面
      3. 精加工二

      使用D20(R1)涂层镶片铣刀,加工类型(SCAN_TYPE)TYPE_2,切深(STEP_DEPTH)0.35mm,步距(SIDE_STEP)8mm,轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW)-0.25mm,粗加工余量(ROUGH_STOCK_ALLOW)0.35mm,底部余量(BTTOM_STOCK_ALLOW)0mm,加工方式(ROUGH_OPTION)PROF_ONLY,安全高度(CLEAR_DIST)5mm,主轴转速(SPINDLE_SPEED)2500r/min,进给速度(CUT_FEED)800mm/min。使用屏幕演示(Screen Play)功能,加工刀具轨迹如图4所示。同时,对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(Gouge Check)。铣刀进行侧面加工,电极侧部被铣到位,符合工艺的要求。按完成序列(Done Swq)退出。程序计算的时间为45s,加工时间为2h。

      图4 精加工侧面
      4. 粗加工中间小槽

      使用D2(R0.4)涂层牛鼻铣刀, 采用螺旋加工方式(TYPE_SPIRAL),切深(STEP_DEPTH)0.25mm,步距( SIDE_STEP)0.8mm,轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW)-0.25mm,粗加工余量(ROUGH_STOCK_ALLOW)-0.25mm,底部余量(BTTOM_STOCK_ALLOW)- 0 . 3 5 m m,加工方式(ROUGH_OPTION)ROUGH_ONLY,安全高度(CLEAR_DIST)5mm,主轴转速(SPINDLE_SPEED)3500r/min,进给速度(CUT_FEED)450mm/min。

      使用屏幕演示(Screen Play)功能,加工刀具轨迹如图5所示。

      同时,对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(GougeCheck)。铣刀进入中间槽的内部,槽的外形被铣出,符合工艺的要求。按完成序列(Done Swq)退出。程序计算的时间为30s,加工时间为1h。

      图5 粗加工中间小槽
      5. 精加工三

      精加工选用D1(R0.5)球头铣刀,采用曲面铣削(SurfaceMilling)的加工方式,步距(SIDE_STEP)0.2mm,轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW)-0.25mm,切削角度(CUT_ANGLE)45°,加工类型(SCAN_TYPE)TYPE_3,安全高度(CLEAR_DIST)5mm,主轴转速(SPINDLE_SPEED)3500r/min,进给速度(CUT_FEED)400mm/min。使用屏幕演示(Screen Play)功能,加工刀具轨迹如图6所示。同时,对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(Gouge Check)。铣刀进入中间槽的内部,槽内部被定义的加工成形曲面的负余量(火花间隙即摇动量)都被去除了,符合工艺的要求。按完成序列(DoneS wq)退出。程序计算的时间为60s,加工时间为0.5h。

      图6 精加工中间小槽
      四、编辑加工作业指导书

      数控加工作业指导书如图7所示。

      图7 加工作业指导书范例
      五、结束语

      针对未来模具行业的发展趋势,谁能在最短的时间里完成模具的制作,谁就赢得了客户,赢得了市场。由于石墨电极(与铜相比)有电极消耗少、放电加工速度快、机械加工性能好、重量轻、热膨胀系数小等优越性,已经被大家逐步认识并接受。拥有了石墨电极就拥有了模具的明天!

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