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石墨和铜

选择石墨还是铜?

    当您决定使用哪种电极材料时,石墨和铜一直都是争论的焦点。许多人认为应该优先选择石墨,而有人却坚定拥护铜。同一个地区的答案往往是相同的。在北美,对电极材料的喜好已经从最初的铜转换成了优质的石墨。对于欧洲和亚洲来说,尽管有人仍然偏好铜,但石墨用户正在不断地増加。毫无疑问,如 图1所示,石墨已经成为美国地区主要的电极材料,95%以上的电极是由石墨制成的。在过去的十年里,欧洲的石墨用户也在稳定地増加,石墨和铜的比例已经达到75%/25%。亚洲紧随其后,石墨和铜的比例大概是45%/55% ,石墨用户呈稳定上升的趋势。如今全球市场上约有70%的人正在使用石墨电极,也许我们讨论的问题不再是应该使用哪种电极材料,而是导致这种全球性改变的原因是什么?为了准确地回答这个问题,我们首先应该弄清楚两种材料的区别。



每种电极材料应该考虑的因素

材料的多样性:

    石墨具有广泛的材料特性,能够满足电火花加工时对电极材料的各种要求。对于加工要求不高的电极来说,大尺寸,公差要求低或EDM要求不高的这些电极都可以采用大颗粒,低强度和价格实惠的石墨。然而,对于那些加工要求很高的电极来说,就需要使用优质的石墨材料。另一方面,市场上铜的种类不多, 因此只能最低限度地满足EDM加工时对材料特性的需求,从而限制了材料的优化性能。 

电极成本

    每当提到材料成本时,通常认为铜的价格比石墨价格便宜很多。如果仅仅考虑材料成本而忽略电极加工成本时可能如此。另外,将市场上的铜价格与石墨价格相比较后也会得出这样的结论。但由于石墨材料有着广泛的型号,某些等级的EDM石墨可能比铜更加经济。即使石墨的价格高于铜,其加工成本往往抵消了铜电极节省下来的材料费用。例如,有一款简单的顶部和底部底纹加工的电极,使用铜材料的报价是4.68美元/立方英寸,而使用较高等级的石墨材料的报价是6.80美元/立方英寸,材料成本差异为45%。然而,一旦算上电极的加工成本时,情况发生了变化, 石墨电极的总成本比铜电极节省20%。

    显然,铜的加工成本导致电极的总成本大幅度地増加。由于铜是一种非常柔韧的材料,通常具有“粘性”,采用现代化的加工工艺时,往往需要修改进料和加工速度等参数来完成加工,最终导致加工时间的延长和成本的増加。碲铜很容易加工,但可能影响电火花加工的性能表现。与之相比,石墨不具有“粘性”,加工起来更容易,速度更快。


电极加工的要求 

    与石墨相比,铜无法有效地处理电流密度。因此, 单个铜电极的加工要求应该是差不多的。在较高的电流密度下,石墨常常表现出色,尤其是复杂的几何形状的 电极。因此,我们能够为同一个石墨电极设计非常复杂的加工要求,由此大大减少一次加工所需要的电极数量。 

 
EDM性能

    金属切削率(MRR)-电极材料的导热性决定了EDM切 割和金属去除的能力。在一次放电时,峰值电流仅在电极 和工件发生碰撞的间隙产生放电。这时,电极发射出的电 子与工作液的分子进行撞击。结果,工作液蒸发,同时形成一个能量通道产生电火花。对于铜电极来说,仅在其金属熔解后的间隙才会形成碳,释放电子。这就是为何铜电极的脉宽要远远大于石墨电极。 


图1:某次加工所需的电极数量    


    另一方面,石墨电极能在较低的温度下发射电子, 且形成能量通道所需的时间也相当少。因此,石墨放电速度更快,最终产生较高的金属切削率。

电极损耗-每个EDM操作员都会担心电极损耗,因为 损耗太大会导致电极数量和修模次数的増加。在相同的 切割深度下,石墨的参数设置比铜要激进的多,其最终的电极损耗能够低于1%。这意味着,在粗加工时,强 电细长脉宽实际上能保护石墨电极,而对铜电极造成腐蚀。反之,在精工阶段,弱电流和短脉宽会加速石墨电极的损耗。然而,由于电极损耗与材料的切削量有关,在精工阶段,石墨电极的损耗率仍然是最低的

表面光洁度-毫无疑问,铜电极的表面光洁度是很好的。 在如今成熟的电火花成型加工技术下,铜和石墨之间 的表面光洁度差异已经大大缩小。在加工相同的表面光洁度时,细颗粒的石墨电极比铜电极的加工时间要快得多,且损耗也小很多。选择了正确的石墨材料和石墨参数,石墨能够在不添加混粉的情况下达到接近镜面光洁度的触,以及在添加混粉时进行镜面加工。 如图2所示,在同一工件上进行EDM加工测试,测量 尺寸为260“X510",右边两块的加工深度为100”,,表 面光洁度要求VDI8。也许铜能够达到更好的表面光洁度, 但这样的加工要求已经是最低,且需要在放电后对电 极进行手工抛光处理。

图2:照片显示了正确的石墨电极材料和加工参数能够达到的精细表面光洁度

决定实际成本

    那么,怎样才算是"最完美的电极材料"呢?在EDM 应用中不存在最完美的材料,但是,如果您考虑了我们这里 所讨论的几个因素,也许会更好地理解为何石墨正在成为全 球范围内的首选材料。我们还有必要进行成本核算,来决定电 极材料在整个EDM应用中的实际成本影响。通过放电测试对比测试结果,能够识别石墨电极和铜电极的货币影响,决定实际成本。

加工案例


    这些测试的参数就是通过使用两个电极(一个粗工和一个精工),在相同的加工条件下进行深度的放电加工,然后决定是否需要増加额外的电极来完成整个加工。对于这些测试来说,电极的加工要求不高,为方便起见往往选用一种标准肋条。每个肋条的尺寸为厚度0.04“,宽度1",锥度1度。由于时间的原因,最终的表面光洁度定为VDI20。将两块测试板夹在一起,在中心线上对肋位进行放电。这样有利于区分两块板,以及测量各自的结果。
    

    电极材料采用美国步高石墨POCO极细石墨EDM-3以及"无 氧"C110铜电极。
    

    为了排除无用的数据点,这些测试分别在三台不同品牌的火花机上进行。这样做的目的是使EDM 性能标准化,并从三个测试的结果中选取平均数据作为最全面的结果。

准备电极

    电极可以通过采购原材料再按照行业标准加工而成。加工流程由每家公司自行决定。由于材料等级都 有明确指定,石墨电极或铜电极都是无法取代的。因 此,在决定这些测试的价格比和性能比的时候,选用每个等级最便宜的电极便能达到最经济的成本基础。

EDM程序

    每个加工测试采用的EDM程序都是按照每台火花机 的标准化工艺设计而成。对于石墨来说,采用的是"高 端石墨VS钢"的技术而对于金属电极,采用的是"铜vs 钢"的技术。另外,在EDM实际应用中,需要根据每次加工测试的自身特点进行相应调整。由于电极上无法加 工冲孔,可以采用4-5psi压力的外部冲洗。


数据收集

    为了发现不同类型的电极对EDM加工的影响,需要收集每次测试的数据。这包括电极成本,EDM加工时间,粗工和精工电极的端面损耗,以及最终达到的 表面光洁度。


    电极成本 – 电极成本包括材料和加工的成本,是一个总的成本。

    EDM加工时间-测试的加工时间直接来自于每台火花 机的记录。需要对每一阶段的放电时间进行记录,然 后计算出从开始到结束时的总时间。由于不同机器的 加工时间大相面,需要考虑使用总体拥有赫模式 来得出全部三次测试的平均值。

    电极损耗-所有电极都需酿测试前后测量得出电蚀的损耗。测量时采用一种高度测量仪,算出粗工和精工到 一定深度后发生的端面损耗。

图3:粗工电极-上图石墨,下图铜


图4:精工电极-左边是石墨,右边是铜

    表面光洁度-表面光洁度是通过一个便携式测量仪对每次放电后的电极进行测量得出的数值。需要对每个型腔的6个位置进行测量,首先是型腔的顶端,中间和底部, 然后将工件旋转90度,再测量左边,中间和右边三个位置。最后取平均值得出整个放电加工达到的表面光洁度。 

图5:型腔内的表面光洁度-上图是石墨,下图是铜



成本模式



    在决定一个生产流程的货币效应时,总体拥有成本模式是非常有用的。一般来说,人们只考虑EDM加工的材料成本,然而,在总成本模式下还需要考虑EDM加工成本,加工后必要的抛光成本以及其他一切所需的成本。

    如图表2所示,将每种电极的各项费用按照EDM工序的几个重要方面进分配,然后计算得出整个EDM加工的结果“实际总成本”。即使増加了一个额外的石墨电极以及略高的抛光费用,在不増加产量的情况下,两种材料的生产总成本呈现出了明显的差异。与EDM-3石墨电极相关的成本总计为211美元, 而C110铜电极的成本总计为466.95美元,高出 121%。在増加产量的情况下,由于生产率的提高,石墨电极的成本变成了负数。最后,EDM-3的实际总成本减少到68.9美元,而C110铜电极的总成本仍然维持在466.95美元。C110的生产成本比EDM-3高 578%。

    当然,确定的是在此行业中我们不卖模具,我们卖的是时间,时间就是金钱。很多时候,人们往往在成本模式中只考虑一个因素,并根据这一个因素做出决策。为了确定哪种才是最适合的电极材料,石墨或铜,必须综合多方因素考虑。


图表2:总体拥有成本模式下每种材料的实际总成本




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