一种电火花加工液中导电微粒的加工方法 技术领域 本发明涉及电火花加工技术领域， 具体地涉及一种电火花加工液介质中导电微 粒添加剂的加工方法。
背景技术 随着电加工技术的不断发展和完善， 利用放电加工技术来达到完美加工手段的 方法在生产领域中越来越被广发利用， 成为除普通金属切削加工外不可或缺的应用最广的 补充加工手段。由于电火花加工的特殊加工机理， 放电加工过程需要在一种电解质的液体 中进行， 通常， 这类电解质是用一种经特殊处理过的煤油来担任。 经特殊处理过的煤油具有 绝缘性强、 闪点高、 黏度合适、 无味等特点， 在放电加工过程中具有放电间隙小、 消电离速度 快、 电极损耗小等特点， 适合于一般电火花加工的需求， 但对一些更高要求放电质量的需求 来说， 仅使用普通煤油还不能满足需求， 例如， 要在放电面积大于 3000mm² 的工件上加工表 面粗糙度小于 2µm Rmax 的场合， 采用普通煤油的话， 不论加工多少时间， 都很难或则根本达 不到要求， 而且加工面积越大， 这种效应则越明显。 这种现象长期以来一直为电加工界所困 惑。在一个偶然的实验过程中发现， 在放电区域的绝缘介质中混入一些导电微颗粒能使加 工面的粗糙度在短时间内得到有效改善， 这一现象得到国外一些专家的极大兴趣并就此现 象进行了专题研究， 研究结果表明， 在工作液中添加一定量的导电物质微粒， 会有效改善放 电面的表面粗糙度， 并可以达到类似镜面的效果。 通过对该技术的应用和推广， 使大面积电 火花加工表面粗糙度得到改善， 并且使得电火花镜面加工成为可能， 为电火花加工技术的 应用提供了更为广阔的前景。
上述现象也可以从放电加工的机理上加以探讨。电火花加工采用的能量是脉冲 电， 电火花加工的各项工艺效果实际上是由脉冲电的各项参数所决定， 单个脉冲的能量是 由放电时流过电极间的电流大小及该电流的作用时间决定， 因此， 大能量的脉冲所提供的 电流一般都比较大， 而且电流持续作用的时间也比较长， 适合于去除加工余量的高速加工， 但由于脉冲能量比较大， 放电时形成的电蚀坑也就比较大， 直观的表现结果就是表面粗糙 度比较差。 在电火花实际加工过程中， 并不是一直采用大能量脉冲进行持续加工， 而是留有 一定的余量进行精度加工， 所谓精度加工包含两方面的含义， 一是尺寸精度， 其二则是表面 粗糙度， 要达到这两项需求， 要求不断减小脉冲能量进行加工， 在达到 2umRax 以下表面粗 -6 糙度的放电加工时， 需要持续时间小于 2µs 以下 （1µs=10 秒） 的脉冲能量， 放电时间极其 短暂， 能量也极其微弱。 从放电区的形成上看， 电极是一个面、 工件是一个面， 中间是绝缘介 质——煤油， 事实上加工区域的构成和电容器的构成非常相似， 而电容器有一个非常显著 的特点， 就是其两端的电压不能突变。电容器的容量越大， 这一效应持续时间越长。而电容 器的容量取决于形成该电容器的两端导体面积的大小及中间绝缘层的性质。 在中间相同电 两端导体平面面积越大， 则容量越大 ； 导体间的距离越小， 则容量也越 解质性质的情况下， 大。
电加工放电， 可以看作电极间并联寄生着一个电容器， 而这个电容器的大小则取
决于放电面积的大小， 也就是说， 放电面积越大， 所形成的并联电容也越大。由于电容量越 大， 它所需要的充、 放电时间越长， 相当于一个储能器， 当持续时间很短的脉冲电压作用在 此电容器上时， 根本不能使电容器两端在这段时间内建立起与脉冲提供的相同幅值的电 压， 这个脉冲就相当于被吃掉了一样。当然， 此时电极和工件间也不会形成放电， 只有当多 个脉冲作用过后， 才能使极间电容器储存至足够能量， 使极间介质击穿而形成放电。 由于电 容量较大， 它所持续的放电时间也会相应较长， 也就是说加工表面粗糙度较好时所需要的 短脉宽放电能量在实际放电过程中并不能有效地在电极和工件间实现。相反， 由于电容的 存在， 原本脉冲生成器生成的短脉宽脉冲电流到了实际放电区域则变成了数个脉冲横向叠 加而成的较大脉宽的脉冲能量。而大脉冲能量则不能有效形成微细结构的表面粗糙度。由 以上分析我们可以得出， 极间寄生电容的存在是使放电面不能达到好的表面粗糙度的主要 因素， 要加工出一个好的放电面必须设法去除或则减弱寄生电容对放电加工的影响。通过 以上对电容器容量的分析， 要减小电容的容量， 可以通过几个方面去实现 ： 1、 减小放电面积。对电容来说， 两导体的面积越小， 则其电容量越小， 这就说明了为什 么小面积放电即使在普通加工液中也能达到较好粗糙度的原因 ； 2、 极间间隙增大。因为电容的大小和极间的距离有关， 距离越大则容量越小 ； 3、 降低极间绝缘程度， 使之成为类似于一种半导体状态。由于放电面积受所需加工形 状限制， 并不能随意改变， 因此， 改善放电质量只能从极间间隙和电解质的性质加以考虑。 研究结果表明， 在普通加工液中混入一定比例的导电微粒， 可以降低加工液的绝 缘程度， 从而可以在相对较大的间距下实施放电。另外由于液体中加工微粒的均匀分布， 使得集中放电的几率大大减小， 表现在微弱的放电能量能够在整个放电区域内实施均匀放 电， 从而达到一致性非常好的加工表面。由于加入导电微粒的加工液能够在放电加工过程 中增大电极间的放电间隙和降低极间的绝缘程度， 使得寄生并联的电容效应大幅减少甚至 消失， 从而大面积电火花镜面加工成为可能。
特殊微粒混粉加工液中， 导电微粒的制取是关键技术。对混入电解质内的导电微 粒有特殊要求。
1. 化学性质稳定， 在高温高压条件下不与其他物质发生反应而变成导电性能下降 甚至绝缘的物质。
2. 质量要尽可能小， 保持在加工液中处于悬浮状态， 不至于过快下沉。 质量过大的 颗粒有可能会造成电弧放电或加工面发生缺陷。
3. 使用寿命长， 放电时不产生有害气体等物质， 具有一定大小的颗粒度以便在更 新时易被过滤器分离。
4. 粉体必须具有合适的电阻率， 使得放电通道形成合适的间距。
导电微粒的原材料一般为硅、 铝、 铬、 炭等物质。 长期以来， 粉体的制作领域一直被 国外所垄断， 国内只能通过进口渠道获取， 价格昂贵。
发明内容 本发明的目的在于提出一种电火花加工液介质中导电微粒添加剂的加工方法， 在 达到使用要求的同时， 降低成本。
本发明提出一种电火花加工液中导电微粒的加工方法， 包括如下步骤 ：
步骤 1、 选用灰分小于 0.5% 的沥青焦和石油焦为主要原料 ； 步骤 2、 对原料实施破碎， 滤出大于 600 目 （≤ 25µm） 的颗粒作骨料 ； 步骤 3、 加入粘合剂， 在 150℃左右的温度氛围下进行充分混捏， 使之均匀混合为糊状 ； 步骤 4、 待该糊状物质冷却后凝固变为固态时， 实施再次破碎， 破碎后的粒度应略大于 骨料粒度， 约 400~500 目 ； 步骤 5、 把破碎后的颗粒粉体装入不渗透且可伸缩的特殊包装袋中抽真空及密封 ； 步骤 6、 采用冷等静压方法， 在 >200MPa 工作压力的条件下， 在液体中对袋内的颗粒粉 体进行压缩 ； 步骤 7、 将压缩后的块状粉体在隔绝空气的条件下进行加热和保温处理， 然后进行降 温。作用是分解和焦化粘接剂， 排出挥发物及其他杂质， 降低灰分至 1000ppm 以下， 改善电 阻率 ； 步骤 8、 在更高的温度下进行石墨化处理， 调整制品元素的晶格结构和物理性能， 进一 步降低灰分， 形成块状制品 ； 步骤 9、 以上述块状制品为原料， 先采用机械破碎及筛网过滤法滤除小于 4 目 （直径 >5mm） 的颗粒 ； 再进一步破碎滤除小于 600 目 （直径 >0.25mm） 的颗粒 ； 步骤 10、 用 600 目以上的石墨颗粒作原料， 采用气流粉碎机进一步细化石墨颗粒度 ； 步骤 11、 收集平均颗粒度约 2500~3000 目 （5~6µm） 左右的超细石墨粉末 ； 步骤 12、 每 15 分钟提取收集的粉体样品， 使用激光粒度分析仪测量粒度分布曲线， 必 要时重复步骤 11。
其中， 所述步骤 2 中的破碎方法为机械破碎法。
其中， 所述步骤 3 中的粘合剂为煤沥青粉体， 数量约为颗粒骨料体积的 50-60%。
其中， 所述步骤 7 中最高加热温度约 1200℃左右， 在此温度下的保温时间约 15-20 小时。
其中， 所述步骤 7 中需根据所需物理性能控制升温的速度以及降温的速度。
其中， 所述步骤 7 中的热处理过程需要 300 个小时左右。
其中， 所述步骤 8 中最高温度为 2200℃。
其中， 所述步骤 8 中形成的块状制品为体积密度 1.7~1.8g/cm3 左右、 电阻率为 10 ～ 15µΩ·m， 杂质含量 <1000ppm， 原料颗粒度 <25µm 的等静压特种石墨。
其中， 所述步骤 10 中， 所述步骤 10 中， 气流工作压力为 0.8~1Mpa， 分级轮转速 1000r/min， 送料量控制在标称产量的 60-70% 左右， 视检测粒度范围调节分级轮至合适转 速； 粉体颗粒度指标 ： D90=5~6µm， D97<10µm， D98<15µm。
该粉体的制备， 填补了国内同类产品生产的空白， 打破了该产品一直采用进口品 的局限， 为用户节省了大量费用， 必将为电加工产业带来巨大经济效益。 具体实施方式
本发明提出一种电火花加工液介质中导电微粒添加剂的加工方法， 包括如下步 骤： 步骤 1、 选用灰分小于 0.5% 的沥青焦和石油焦为主要原料。
步骤 2、 对原料实施破碎， 滤出大于 600 目 （≤ 25µm） 的颗粒作骨料。破碎方法为机械破碎法， 使用了锤式机械破碎机、 振动筛网、 气流粉碎机等设备。
步骤 3、 加入粘合剂， 粘合剂为煤沥青粉体， 数量约为颗粒骨料体积的 50-60%。在 150℃左右的温度氛围下进行充分混捏， 使之均匀混合为糊状。
步骤 4、 待该糊状物质冷却后凝固变为固态时， 实施再次破碎， 破碎后的粒度大于 骨料粒度 , 约 400~500 目。
步骤 5、 把破碎后的颗粒粉体装入不渗透且可伸缩的特殊包装袋中抽真空及密封。
步骤 6、 采用冷等静压方法， 在 >200MPa 工作压力的条件下， 在液体中对袋内的颗 粒粉体进行压缩。
步骤 7、 将压缩后的块状粉体在隔绝空气的条件下进行加热和保温处理， 最高加热 温度约 1200℃左右， 在此温度下的保温时间约 15-20 小时。然后进行降温。其作用为分解 和焦化粘接剂， 排出挥发物及其他杂质， 降低灰分至 1000ppm 以下， 改善电阻率。在此过程 中， 需根据所需物理性能控制升温的速度以及降温的速度。整个热处理过程需要 300 个小 时左右。
步骤 8、 在更高的温度 （2200℃） 下进行石墨化处理， 调整制品元素的晶格结构和 物理性能， 进一步降低灰分， 形成块状制品。块状制品为体积密度 1.7~1.8g/cm3 左右、 电阻 率为 10 ～ 15µΩ·m， 杂质含量 <1000ppm， 原料颗粒度 <25µm 的等静压特种石墨。 步骤 9、 以上述块状制品为原料， 先采用机械破碎及筛网过滤法滤除小于 4 目 （直 径 >5mm） 的颗粒 ； 再进一步破碎滤除小于 600 目 （直径 >0.25mm） 的颗粒。
步骤 10、 用 600 目以上的石墨颗粒作原料， 采用气流粉碎机进一步细化石墨颗粒 度。 所需气流工作压力为 0.8~1Mpa、 送料量控制在标称产量的 60%~70% 左右、 视样品检测粒 度值调节分级轮电机至合适转速， 粉体颗粒指标 D90=5~6µm， D97<10µm。使加工出的导电颗 粒在煤油介质中具有良好的悬浮状态， 同时颗粒直径小于放电间隙。
步骤 11、 收集平均颗粒度约 2500~3000 目 （5~6µm） 左右的超细石墨粉末。
步骤 12、 每 15 分钟提取收集的粉体样品， 使用激光粒度分析仪测量粒度分布曲 线， 必要时重复步骤 11。
本发明加工出的产品的颗粒度选定为 5~8µm， 百万颗微粒的质量大约为 1.2 ～ -4 4.8×10 克， 确保微粒能在液体中较长时间处于悬浮状态。颗粒度是否符合要求， 可以采 用激光粒度分析仪进行测试， 测试时必须注意粉体混合液的浓度， 另外为防止粉体在液体 中形成抱团现象， 还必须加入适量分撒剂， 使颗粒在液体中均匀分布。 由于在实际使用过程 中还要引用搅拌技术， 因此在加工过程中微粒是一直在液体中处于均匀悬浮着的， 确保混 粉工作液的稳定性。定在 5~8µm 直径范围的颗粒在更换时可以被小于 5µm 过滤性能的过滤 器所过滤掉， 老粉体可以有效地得到分离， 从而保证了新粉体加入后的使用效果。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例， 以上实施例仅用以说明本发明 的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、 推理 或者有限的实验可以得到的技术方案， 皆应在本发明的范围之内。
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