放电加工电极及方法

专利名称：放电加工电极及方法
技术领域：
本发明涉及精加工(finishing)、抛光及纹理加工(texturing)方法。更具体地说，本发明涉及放电加工电极及方法。
背景技术：
如在本领域为人熟知的，放电加工(EDM)允许通过电火花的能量，将金属从工件上去除，该电火花在一个工具及工件的一个表面之间产生电弧，该工具及工件均浸于一种介电流体中。快速电脉冲被传递给工具，从而在工具及工件之间进出电火花。每个电火花产生的热量将少量的金属从工件上熔化掉。当金属被这样去除后，在火花隙间循环流动的介电流体将金属冷却并冲刷掉。所得到的表面光洁度反比于放电频率，而最终的粗糙高度(heightof final rugosities)反比于每秒内放电的次数(周期数)。
介电流体不仅可以绝缘以防过早放电，而且可以冷却工件的加工区域并冲走金属及非金属EDM火花碎屑。
一般地，工件材料的磨损速度是工具材料的磨损速度的10到100倍，这取决于工件及工具材料各自的熔点，所以，熔点越低，磨损率越高。用于EDM的工具通常是由石墨制成的电极，虽然也用黄铜、铜、或铜钨合金制成的电极。石墨电极的升华温度为3300℃，具有最高的耐磨性。由于电极磨损，为了实现单个工件的精确切割，通常需要使用几个电极。
可以证明，使用石墨电极的EDM在硬质工具钢的铸模和压模模腔上以高精度进行复杂形状的加工是有优势的。由于EDM去除速度慢，通常首先使用传统的加工技术，如铣削和车削，将大部分材料去除，而使用EDM或手工进行精加工及抛光。
各种各样的方法都被用来制作石墨EDM电极，例如高速铣削、车削、快速原型(rapid prototyping)。然而，当前制作电极的方法通常耗时而且昂贵。
此外，精加工通常涉及大量的手工劳动，根据所需的纹理或光洁度(由工件的一个给定部分或一部分的给定一段所需的光泽度来表示，并由最终的应用来确定)，这些手工劳动会占金属加工总成本的5-40％。例如，表面光洁度也许要求粗糙程度为0.8μm RMS(或30微英寸RMS，RMS代表“均方根”几何精度)或者0.02μm RMS(或1微英寸RMS)的镜面光洁度。由于传统的加工方法产生的表面光洁度最好时也只是在0.8-3.2μm RMS(或30-100微英寸RMS)的范围内，所以大多数情况下需要更进一步的精加工。
近来，在模具工业中，快速成型技术，如立体光刻(stereolythography)、选择性激光烧结等已经应用到刀具加工中。即使从制造的灵活性以及前置时间方面考虑，这些工艺有明显的优势，然而就算在最好的情况下，其表面光洁度仍然较差，被限制在12μm RMS(500微英寸RMS)左右。
所以，在本技术领域中需要改进的EDM电极及方法。

发明内容
因此，本发明的目的是提供减轻了先前工艺中的缺点的EDM电极及方法。
更具体地说，根据本发明，提供了一种EDM电极，该电极包含一种碳质固体材料以及一种基体(matrix)材料，其中，碳质固体材料中的碳黑重量含量为35％或以下。
此外，提供了一种制作EDM电极的方法，该方法包含提供一种碳质材料；以及选择一种基体材料；其中提供石墨及碳黑包括在提供的石墨和碳黑中，碳黑的重量百分比为35％或以下。
此外，还提供了对工件进行精加工的一种EDM方法，该方法包含提供该工件的复制件；提供一个通用电极；把该复制件作为模具，将通用电极成型为一个匹配电极；并使用匹配电极对工件进行EDM。
此外，提供了在一个工件上进行精加工的一种EDM方法，该方法包含提供该工件的复制件；在该工件的复制件中成型一个可塑电极。
而且，提供了再加工一个用于对一个工件进行放电加工(EDM)的可塑电极的方法，其通过在该工件的一个复制件内形成该可塑电极来实现，该方法包含在该可塑电极的聚合物基体的熔点温度附近预热该复制件；将与该复制件几何形状大致相同的单件材料放入到预加热过的复制件中；使用一个密封的盖子封闭复制件；挤压该密封复制件内的材料；在该复制件内使电极成型；冷却该复制件并且使得该电极固化；其中，在该复制件内使电极成型包含在该复制件内部形成一个等静压力并且保持该等静压力以使得在整个聚合物复合材料内部各处温度均匀分布，从而得到一个重新成型的电极。
另外，还提供了精加工一个已铣削金属腔的一种EDM方法，该方法包含在用作模具的已铣削金属腔内，将已铣削金属腔的一个反向复制件(negative replica)制成一个电极；并使用该电极对已铣削金属腔进行放电加工(EDM)；其中，该电极包含已铣削金属腔的微小尖峰及凹部图案，因此，该电极以这样的方式来代表已铣削金属腔的相反结构(negative)，即已铣削金属腔的微小沟纹凹部变成该电极的微小尖峰，并且被用来通过电火花腐蚀把已铣削金属腔的表面弄平。
另外，提供了在一个已铣削金属腔上进行精加工的一种EDM方法，它使用已预铣削的金属腔作为模具，在一个可塑电极上形成该金属腔的一个反向复制件，结果该电极成为已铣削金属腔的一个相反结构，这样，已铣削金属腔的微小沟纹凹部变成电极的微小尖峰，这些微小尖峰通过电火花腐蚀把已铣削金属腔的表面弄平，并且，一旦该腔体的表面粗糙结构的一个指定部分被弄平，并得到了一个新的、更平滑的腔体表面，则电极在该新的、更平滑的腔体中被重新处理以便使电极的表面与该新的、更平滑的腔体表面相匹配。
另外，提供了将一种复合碳质材料成型为具有简单几何形状的、环绕在一个金属插入件支架上的一个通用电极的方法，其中，一种可塑电极材料被软化以产生一个软化的电极，然后，将该电极压入一个模具中以得到一个最终的形状和表面光洁度。
最后，提供了一种使用可塑碳质-金属聚合物复合材料作为EDM电极以进行导电材料的放电加工(EDM)。
本发明的其他目的、优点及特点可以通过阅读以下的本发明具体实施例的非限制性的描述更加清楚的了解，这些实施例只是作为例子参照附图给出的。


在附图中图1是根据本发明第一个方面的一个实施例的方法的流程图；图2是根据本发明第二个方面的一个实施例，使用根据图1中方法制作的一个电极的方法的流程图；图3是图2方法的一个图解；图4是根据本发明第二个方面的另一个实施例的一种EDM方法的流程图；以及图5是根据本发明，通过反复使用EDM方法得出的表面粗糙程度减小的图示。
具体实施例方式
总体说来，本发明的目的是通过以下方法来降低EDM操作的成本1)通过提供可塑电极，该电极可以以改进的生产率来制作；2)通过提供一种方法，该方法使用这些可塑电极来进行粗加工、精加工、抛光以及纹理加工操作。
根据本发明的第一个方面，提供了一种可塑电极及该电极的一种制作方法。
本发明的可塑电极通常是使用一种可塑碳质材料制成，该材料是通过在一种热塑性聚合物或蜡基体中混合适当比例的碳粉和/或金属粉末而制备的。固态碳的量进行了优化，以生成一种综合了所要求的可塑性、导电性以及同时具有的可成型性的材料。
该EDM可塑电极的主要成分是碳和石墨，因为它们具有固有的耐高温性及基本的导电性。碳和石墨都是纯碳元素，但是石墨由于其特殊的晶体结构，比碳黑的电阻性几乎弱100％(0.12ohm×cm)。与碳黑相比，虽然石墨是较好的导体，但是已表明它在使聚合物基体变得导电时有效性较低，而碳黑可以很容易地使一个聚合物基体导电。
用于EDM电极的材料组分的优化涉及使具有碳结构的固体添加剂和具有石墨结构的固体添加剂之间以及具有不同拓扑结构的固体添加剂之间的比例达到平衡。实际上，一方面，具有石墨结构的固体添加剂对所生成材料的可成型性有负面影响，这与具有碳结构的添加剂相反所以在这点上碳黑具有优势。另一方面，因为诸如纤维或晶须(whisker)的拓扑结构倾向于减弱所生成材料的可成型性，而且还因为它们不允许进行精细的表面精加工，所以应避免使用在这点上，作为微纤维的粉末及纳米管占有优势。在这两方面，碳黑都占优势，因为它增强了所生成材料的导电性以及可成型性。
实验结果表明，当所含固体材料的量在40-75％范围内时，处于熔融状态的该材料会产生好的可塑性。在此范围内，还表明，通过添加重量百分比为5-20％的碳黑可以获得足够的导电性。
有几种类型的碳黑在市场上可以买到，比如炉黑、槽黑、热裂黑以及乙炔黑，这些碳黑之中，炉黑有较高的电导率。实际上，由于炉黑粉末每单位重量有较大的表面载荷和体积载荷，所以它更倾向于生成团聚体到团聚体(aggregate-to-aggregate)的电接触，已知这样就使得聚合物导电。确实，已经发现，粉末、鳞片(flake)及纤维微粒之间的相互作用是影响碳-聚合物复合材料导电性的重要因素。
近来的发展也表明了碳纳米管由于其中空的丝状结构，可以进一步提高基于聚合物的电极的导电性。而且，已经发现，一个较小的微粒尺寸可以更有效地产生好的EDM表面光洁度。最后，为了有效地为电极散热，导热性也表明是一个要考虑的因素。在这点上，例如，石墨材料(600W/mK)的导热性大约是碳黑(1W/mK)的导热性的600％，并且是聚苯乙烯(0.2-0.3W/mK)的导热性的3000％。碳黑进一步还有助于改善聚合物复合材料的结构。此外，对包括大约10％的重量百分比的碳黑的碳-聚合物复合材料进行的实验在螺旋混合器(mixing screw)上产生了低得多的扭矩。
正如在图1的流程中所示，用来制作这样一个电极的方法10包括提供石墨(步骤12)；提供碳黑(步骤14)；提供固体材料的平衡(步骤16)；选择一种基体材料(步骤18)。
在步骤12和14中，石墨的含量经过了优化，这样，碳黑可以以35％或以下的重量百分比加入。
在步骤16中，提供固体材料的平衡以便最小化诸如鳞片以及晶须之类拓扑结构的石墨化材料的比例，虽然已发现这些材料有利于在相邻的粒子间建立电接触点的菊花链，从而生成导电的聚合物复合材料，但是遗憾的是，正如上文提到的，它们减弱了所生成材料的可成型性，而且不允许实现精细的表面精加工。石墨粉末的目数可能在100-350的范围内，这取决于可塑电极及工件的所要求的表面光洁度。已经发现，较小的固体颗粒更加适合EDM精加工操作，而较大及随机形状的固体颗粒每单位添加剂重量可以产生更高的电导率。
因此，固体材料的平衡包含至多为20％的重量百分比的石墨鳞片、最小量的石墨晶须(小于5％的重量百分比)、和最大量的石墨粉末(最高达50％的重量百分比)。金属粉末，例如铜粉，也可以按1-20％范围内的一重量百分比添加，作为石墨鳞片、晶须以及粉末的替代选择，以增强聚合物复合材料的导热性能。单壁或多壁的碳纳米管可以以1-10％之间的不同重量百分比添加，以便为该复合材料提供需要的电性能及热性能。
在步骤18中，基体材料可以是一种热塑型聚合物，例如聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)，或一种蜡，如石蜡或蜂蜡，因为实验结果已经表明，只要使用了指定的碳质添加剂就可以使若干种热塑性聚合物或蜡变得导电。然而，诸如聚酰亚胺(PI)之类的一些热塑性聚合物有高的耐磨性和尺寸稳定性，这些特性由于其相关的较好的耐高温性及低的吸湿性，都适合于EDM过程。
聚合物含量可以最小化，以获得最优的导电性及导热性。热塑性聚合物是根据若干因素(主要包括刚性、低吸水性和耐热性)来选择的，以提供在水中的尺寸稳定性及耐热磨损性。虽然可以使用诸如PI及聚醚醚酮(PEEK)之类的高级的热塑性聚合物族，但是这类聚合物是相对昂贵的，尤其考虑到在着手电极材料的开发时所需材料的量，则更是如此。因此，聚苯乙烯证明是成本、可获得性以及所需特性之间的一种好的折衷。
显然，添加剂(步骤16)的比例可以随着在步骤18选定的基体材料的不同而变化。
本领域的技术人员将会意识到，本发明的该第一个方面的方法提供的EDM电极结合了低电阻、高的导热性、好的可成型性、在水中好的尺寸稳定性、低的热膨胀系数以及高的耐热循环性。
现在来看本发明的第二个方面，现在将要结合附图中的图2和图3描述根据第一个实施例的一种EDM方法。由于该方法使用一个复制件作为模具，通过压制、压缩成型、吹制成型或浇铸，来制作匹配的EDM电极，因此在下文中，该方法将被称为“复制件EDM方法”20。
复件EDM方法20一般包含提供一个复制件(步骤22)；提供一个通用电极(步骤24)；使该通用电极具有所需的形状、表面光洁度以及纹理(步骤26)；以及进行EDM(步骤28)。
步骤22中提供的复制件(有时也称做“模型”或“模板”)可以是一个简单的模板，其表面可以是预定几何形状的平面、曲面、光滑面或有纹理的面。该复制件可以设计成可以由几乎任何材料(优选热传导性能好的材料)制成的单个部件或是多个相互连接的模具部件。
步骤24中提供的通用电极可以是具有所需尺寸的一个圆柱体、圆锥体、球体、椭球体、立方体或是任何简单几何形状。该电极可以通过在一个用作电极支架的金属插入件周围注射成型一种指定的电极材料而制成。这样的通用电极可以制成作系列，以便在一台EDM机器附近存放多个这样的电极。
在接下来的步骤26中，通过以下方法使该通用电极具备所需的形状及表面光洁度首先通过感应加热、传导加热或辐射加热(分步骤26a)使碳质电极材料软化。然后，当达到电极材料的所需的软化温度时，将仍被金属插入件支持的电极按压到所需部分的复制件上(分步骤26b)。当该电极材料被按压到复制件上时，由于热传导，该电极材料冷却并固化，从而形成所需的形状及表面光洁度。
另一选择是，按压操作(分步骤26b)可以由机械手或计算机数控(CNC)机床来进行，这可以通过将软化的电极材料沿三维轨迹相对于复制件移动(或者反之亦然)而切割出复杂的电极形状及表面。
此外，该按压操作(分步骤26b)可以通过在一个限制在一个两部分或多部分模具中的预热的中空的可塑电极内部施加压力来完成，这种施加压力是通过迫使气体通过该中空的可塑电极附于其上的钻了孔的电极支架插入件来进行的。在气体压力下，已软化的电极材料充气膨胀起来，直至与模具该部分的形状及表面光洁度相一致，然后经过冷却和固化得到所需的形状。可以在模具的这些部分中提供冷却通道以提高固化速率。
一旦该电极具有了所需的形状，就可以在诸如去离子水、矿物油或气体(即空气)之类的介电液流体中，通过简单投入(simpleplunging)、轨迹投入(orbital plunging)或使用触针加工(stylusmachining)的方法(步骤28)进行EDM操作。可以这样确定电脉冲参数，以使电极磨损最小化，具体地说，是通过适当调整脉冲定时(开关时间)、最大电流和电流极性来完成的。可以相信，根据经验确定什么控制参数可减小电极磨损率，对本领域的技术人员来说是可以做到的。
上述的复制件EDM方法20可以按照图3所示实施。在图3所示例子中，提供铝复制件(步骤32)作为模具，可塑电极随后在该模具中成型，这里是通过使用压缩成型的方法(步骤34和36) 。
更精确地说，该铝复制件被预热至该电极聚合物基体的熔点温度附近，例如对于一种聚苯乙烯基体，该温度范围为200℃-210℃。然后将复合材料的小球放入预热的复制件中，并随后例如使用一个密封的盖子将复制件紧密封闭。一个电极支架的作用相当于一个活塞，将其插入在紧密盖子上提供的一个精密的圆孔，以挤压复制件中的多孔混合物并去除小球周围的任何孔隙。然后，在电极支架上施加一个垂直力，从而在复制件内部产生一个等静压力。将该压力保持足够长时间，以在聚合物复合材料各处形成均匀的温度分布，由此可以得到具有更好的表面细节及最少量的孔隙率的通用电极。经过这样一个指定的时间段后(这段时间主要决定于部件的截面)，使该复制件冷却，同时继续维持成型压力。一旦该电极固化，其即准备好，可以对待抛光的工件进行EDM操作(步骤38)。
尽管在EDM步骤(步骤28和38)中可以使用其它介电流体，但是将水或诸如空气之类的气体用作介电流体对环境是特别安全的，因为它们易于回收使用或处理。
另外，已发现使用水可以改善精加工及介电强度的可控性，这是通过使用水介电流体系统控制水的介电强度以及冲刷压力来实现的。这样一个介电流体系统可以进一步设计为自动控制水的介电强度，过滤钢及石墨残渣并控制冲刷压力。
最后，水的介电强度可以根据需要的材料去除程度来调整，无论是用于粗加工、精加工、超精加工或是镜面精加工。更高的介电强度通常相关于更高的材料去除速率，反之亦然。尽管在先有技术描述的方法中，很少或从来不把水用于刻模EDM，因为使用矿物油可以得到更好的材料去除速率，但根据本发明的一个方法允许在一个较低的电流水平上进行精加工，对此水是非常高效的。另外，由于水的粘滞性比矿物油的低，所以冲刷会更有效，尤其是当使用很小的电极间隙，如进行镜面精加工时，更是如此。
有趣的是，复制件EDM方法可以用来修复磨损了的电极表面。确实，本发明第一方面中描述的可塑电极在EDM操作中发生磨损，但是这里表明，通过重复压缩成型步骤(步骤36)可以使之恢复最初的形状，不同之处在于，这里是将与复制件几何形状大致相同的单件材料而不是材料小球放入复制件中。磨损电极可以使用辐射加热器进行预热以软化其外表面。如果对于同一个电极需要几个成型周期，则应该注意不超过指定的模具温度，以便延缓聚合物基体的降解，并且，成型压力的范围应该这样被确定，即一方面成型压力不至于高到破坏引起电极导电性的电网，另一方面要高于建立及维持该电网所需的最小压力。
一方面，由于本发明的第一个方面的可塑电极中的碳质固体含量比传统的固态石墨电极中的低，所以该可塑电极预计比后者磨损得快。然而，另一方面，由于在其第二个方面中，本发明提供了可塑电极再加工的方法，与标准电极材料不同，该方法不涉及任何铣削或车削操作，所以对于给定的加工质量，它是最有效率地，而且可以降低整个EDM成本。
所以，当在所需的工件进行一段时间的EDM之后，电极不再满足指定的公差时，可以通过复制件EDM方法的初始的成型周期(见图2和3)对其进行再处理，使之再生为一个新的电极，该方法可以反复使用来快速有效地制作几个相同的复合材料电极，直至达到工具钢工件的所需的尺寸和表面光洁度。本领域的技术人员将会意识到，形成鲜明对照的是，标准固体石墨或铜电极的制造过程要慢得多。
作为另一种选择，当复制件的一个区域局部在几何上有细节要求时，比如需要一个锐边、一个平滑的圆角(fillet)、一个复杂的几何形状或表面纹理，可考虑将复制件EDM方法用于复制件的一个部分。对于这类局部操作，可以制作一系列标准的几何形状复制件，包括例如角、深槽、90°边、各种半径的90°圆角，并将之用于反复出现的几何细节。
显然，由于首先需要一个复制件(见图2中步骤22)，当需要几个相同的电极时，EDM复制件方法证明是最有用的。事实上，模具工业中习惯上使用几个电极，或者至少两个分别用于粗加工及精加工的电极，来制作一个单腔工具钢模具。对于多腔模具，甚至要使用两个以上的电极。
有趣的是，不同于标准固体石墨或者铜电极，本发明中的可塑的聚合物-碳电极材料可以重复被软化及成型以获得所需的具有精细的尺寸公差及表面光洁度的几何形状。这样，如本领域的技术人员将会看出的，可以比使用标准的铣削方法更快得多地生产高质量的模制成型电极。
现在来看附图中的图4，下面将要描述根据本发明第二方面的又一个实施例的一种EDM方法，下文将称之为“连续压印EDM方法”。
正如图4中所示，该连续压印EDM方法40通常包括提供一个铣削过的金属腔作为模具(步骤42)；将该腔体的一个反向复制件形成为一个电极(步骤44)；以及进行EDM精加工(步骤46)以产生一个精加工过的腔体(步骤50)。
在步骤42中，要用到一个铣削过的金属腔，该金属腔需要附加的研磨或抛光以满足例如注射成型的要求。这样一种预铣削过的腔体被用作模具，以通过压缩成型把该腔体的反向复制件，包括其极小的表面特征，制作在一个可塑电极上。
压缩成型步骤44通常如上文联系复制件EDM方法所描述的那样进行，只是现在模具复制件与工件是同一个部件。因为由此提供的电极包含了工件的微小尖峰和凹部结构，所以，该电极就以这样的方式代表了工件的相反结构，即工件的微小沟纹凹部变为电极的微小尖峰，并被用来把工件表面弄平。
一旦电极成型，就以预定的偏移距离将它垂直移动，并使用它通过电火花腐蚀，来去除工件表面的粗糙结构(步骤46)。
一旦腔体的表面粗糙结构的一个指定部分被弄平并且得到了一个新的、更光滑的工件表面，就通过上文所述的压缩成型步骤44对该电极进行再加工(步骤48)，以使其表面与这个新的、更光滑的工件表面匹配。在这样一个重复的过程中，工件的表面粗糙结构的尖峰就被逐步地弄平，而电极的表面粗糙结构的凹部也相应地被填平，从而在每次重复之后，不论是电极还是工件的表面都变地更加光滑，直至达到所需的表面光洁度(步骤50)。
更具体地说，连续压印EDM方法可以通过将电极置于工件上初始的压制位置处，然后从该位置附加一个端铣刀留下的痕迹或微小沟纹垂直方向上的小的偏移位移来进行，这样，电极的运动就会导致工件表面上所有尖峰的磨损。该步骤可以一直重复至该电极平移了一个完整尖峰的整个宽度。一旦尖峰被去除，就可以以一个更小的偏移位移重复同样的步骤以抛光工件表面。
通过根据残余的平均表面尖峰高度，调整步骤46中的EDM控制参数，就可以获得镜面光洁度(步骤50)。重复操作48的次数取决于诸如工件材料、EDM参数、最初表面粗糙度以及所需的表面光洁度之类的参数。
由前所述，现在应该可以看出，对一个腔体的连续压印操作可以用于反复地细化该腔体的表面光洁度，这是通过将由精加工球头端铣刀或车刀在工件表面上产生的微小尖峰平整至微小凹部来完成的。由于微小凹部的底部与工件的所需尺寸相吻合，所以这样就得到具有精确的光滑表面的工件。
所以，非常类似于两件相同的材料通过简单的互相磨擦被抛光，腔体的连续压印被用于利用电火花能量来平整表面的粗糙。本方法中，由于，根据最小能量原理，电火花出现在有电位差的两表面之间的距离最近点处，所以电火花会在电极表面粗糙结构的尖峰与腔体表面粗糙结构的尖峰之间产生，这与最短可实现的电离延迟或电离距离相符。
需要注意的是，如果铣削操作(在步骤42之前进行的)以这样的方式遵循切削路径，以至于沿所需的表面轮廓留下规则间隔的尖峰-凹部表面结构，则连续压印EDM方法还会更有效。倘若要得到一个均匀的表面结构，可以使用平面端铣刀或者球头端铣刀。
本领域的技术人员将会意识到，连续压印EDM方法可以用来精加工一个已经在第一阶段被铣削或车削至接近其最终形状的导电工件，或者，例如，抛光这样一个工件。
参照图5，将作为例子示出由连续压印EDM方法得到的结果。
这里进行了一个实验，首先制造一个具有公知的表面拓扑结构的工具钢表面。从一种P20工具钢材料铣削出的一个幅度为177μm、周期为354μm的锯齿形图案，来形成初始的表面粗糙度。在图5的0μm处示出了重复的初始的表面粗糙结构的单个尖峰。
接下来，将该锯齿形图案插入一个模具内，以通过压缩成型过程制造一个具有匹配的表面图案的聚合物复合材料电极。
然后，将具有匹配的表面图案的电极与表面尖峰边缘之一相平行地移动，从而使电极表面尖峰与工具钢表面尖峰对准。
各尖峰之间的垂直间隙距离取决于实验所用的EDM参数，这些参数在下表1中示出

EDM过程大概进行5分钟，这大致与使用表1中的EDM参数在聚合物电极上产生个不合需要的磨损程度所需的时间相当。经过该EDM时间之后，正如第一次EDM重复过程所示(曲线A)，该工具钢材料也已经遭受到所需要的10μm的磨损水平。
然后，再次将同样的磨损的工具钢质材料用作表面纹理模板来制作一个新的更改了的具有匹配的表面图案的聚合物复合材料电极。通过使用上文描述的方法，该新的更改了的电极用来加工第二次重复过程(见曲线B)，直至电极彻底磨损。然后，使用同样的程序进行第三次重复(见曲线C)。
图5所示的结果是四个随机的工具钢表面尖峰的四个不同测量结果的结合，该些测量使用DEKTEK IIA，其在垂直和水平方向分别有0.5埃和1μm的分辨率。明显地，工具钢表面尖峰由受控的EDM重复程序逐渐腐蚀掉。
可以合理的预想，通过进行以上过程来进行涉及逐渐减弱的脉冲能量的进一步的EDM重复操作，可以得到所需的表面光洁度。更进一步地，本领域的技术人员可以容易的想到这样一个过程可以完全自动化，因为不需要例如固体石墨电极加工之类的附加操作。从而，工具钢精加工的生产成本可以被大大减少。
显然，由于本发明中的电极材料中聚合物的含量较高，所以可以预计，它比传统固态石墨电极磨损稍快一些，因此，EDM控制参数必须相应进行调整，以便达到最终为镜面光洁度的精加工水平。
不同于标准的固态石墨或铜电极，本发明中的可塑的聚合物-碳电极可以被反复软化及模制成型至所需的具有精细的尺寸公差和表面光洁度的几何形状，这就允许以比已知的电极制作方法快得多的生产率生产高质量的模制成型电极。
所以，只要诸如电极组分、电流脉冲参数、和水基的介电特性之类的若干处理参数已被优化以达到期望的性能水平，本发明的EDM电极以及方法就预计可以降低对金属部件进行精加工及抛光操作的自动化的难度，并且可以提供复制诸如木材、织品、皮革之类随机材料的表面纹理的一种方法。
现在显然的是本发明提供了一种改进了的电极材料，其导致了一种改进了的EDM方法，该方法可以减少精密金属部件的生产时间及成本。
虽然在上文中通过本发明的具体实施例说明了本发明，但是可以对它进行更改，而不脱离如在所附权利要求中定义的本发明的示教。
权利要求
1.一种EDM电极，包含一种碳质固体材料和一种基体材料，其中所述碳质固体材料含有35％或以下重量百分比的碳黑。
2.根据权利要求1的EDM电极，进一步包含石墨化固体材料。
3.根据权利要求2的EDM电极，其中，所述石墨化固体材料包含从一组包含石墨鳞片、石墨晶须的材料中选出的所占比例最小化的一种材料和从一组包含石墨粉和石墨纳米管的材料中选出的所占比例最大化的一种材料。
4.根据权利要求3的EDM电极，进一步包含重量百分比为20％或以下的一种金属粉末，用来替代占相应比例的所述石墨固体材料。
5.根据权利要求2的EDM电极，其中，所述碳质材料和所述石墨化材料总计为40-75％的范围内的一重量百分比。
6.根据权利要求5的EDM电极，其中，所述碳质材料包含重量百分比在5-20％的范围内的碳黑。
7.根据权利要求3的EDM电极，其中，所述最小化比例的石墨鳞片为20％或以下的重量百分比，最小化比例的石墨晶须为5％或以下的重量百分比；最大化比例的石墨粉为50％或以下的重量百分比；而最大化比例的石墨纳米管为在1-10％的范围内的重量百分比。
8.根据权利要求1的EDM电极，其中，所述基体材料包含了从一组包含热塑性聚合物和蜡的材料中选出的一种基体材料。
9.根据权利要求1至8中的任何一个的EDM电极，其中，所述EDM电极是通过从一组包含压制、压缩成型、吹制成型和浇铸的方法中选出的一种方法制造的。
10.用于制造EDM电极的方法，包含以下步骤提供一种碳质材料；并且选择一种基体材料；其中，所述提供一种碳质材料的步骤包含提供石墨和碳黑，碳黑的重量百分比为35％或以下。
11.根据权利要求10的方法，进一步包含根据所选的基体材料，以石墨化材料的形式提供一种固体材料的步骤。
12.根据权利要求11的方法，其中，所述以石墨化材料的形式提供一种固体材料的步骤包含最小化从一组包含鳞片和晶须的材料中所选的石墨化材料，以及最大化从一组包含粉末和纳米管的材料中所选的石墨化材料。
13.根据权利要求11的方法，其中，所述提供一种固体材料的步骤包含提供重量百分比在40-75％的范围内的一种固体材料。
14.根据权利要求13的方法，其中，所述提供一种碳质材料的步骤包含提供重量百分比在5-20％的范围内的碳黑。
15.根据权利要求12的方法，其中，所述最小化石墨化鳞片包含提供重量百分比为20％或以下的石墨鳞片；所述最小化石墨化晶须包含提供重量百分比为5％或以下的石墨晶须；所述最大化石墨化粉末包含提供重量百分比为50％或以下的石墨化粉末；而所述最大化石墨化纳米管包含提供重量百分比在1-10％范围内的石墨化纳米管。
16.根据权利要求10的方法，其中，所述选择一种基体材料的步骤包含从一组包含热塑性聚合物和蜡的材料中选择一种基体材料。
17.用于精加工工件的EDM方法，包含以下步骤提供工件的一个复件件；提供一个通用电极；使用复制件做模具，使通用电极形成为匹配的电极；以及使用匹配电极在工件上进行EDM。
18.根据权利要求17的EDM方法，其中，所述提供工件的一个复制件的步骤包含选择一个模板，该模板的表面具有从一组包含一个平面、一个曲面、一个光滑表面和一个有纹理表面的几何表面中选出的预定几何形状。
19.根据权利要求18的EDM方法，其中，所述提供工件的一个复件件的步骤包含提供从一组包含单部件模具和多个互相连接的模具部件的模具中选出的一个复制件。
20.根据权利要求18的EDM方法，其中，所述提供一个复制件的步骤包含提供由至少一种良好的导热材料制成的一个复制件。
21.根据权利要求18的EDM方法，其中，所述提供一个通用电极的步骤包含提供一个具有所需尺寸的从一组包含一个圆柱体、一个圆锥体、一个球体、一个椭圆体和一个立方体的几何形状中选出的几何形状的电极。
22.根据权利要求18的EDM方法，其中，所述提供一个通用电极的步骤包含在一个用作电极支架的金属插入件周围注射成型一种电极材料。
23.根据权利要求18的EDM方法，其中，所述使通用电极形成为匹配电极的步骤包含以下分步骤软化一种碳质电极材料；将软化的碳质电极材料按压到复制件上；由此，碳质电极材料通过热传导冷却并固化，从而产生所需形状和表面光洁度的匹配电极。
24.根据权利要求23的EDM方法，其中，所述软化一种碳质电极材料的分步骤是通过使用从一组包含感应加热、传导加热和辐射加热的方法中选出的一种方法来完成的。
25.根据权利要求23的EDM方法，其中，所述按压软化的碳质电极材料的分步骤是用从一组包含使用一只机械手和使用一个CNC(计算机数控)机床，以便通过使软化的电极材料相对于复制件沿三维轨迹移动来切削电极的形状和表面的方法中选出的一种方法来实施的。
26.根据权利要求23的EDM方法，其中，所述按压软化的碳质电极材料的分步骤是按照如下方法进行的，即，通过强迫气体穿过一个固定有中空的可塑电极的钻有孔的电极支架插入件，在被约束在一个由多个部分组成的模具中的经过预加热的该中空的可塑电极中施加压力，这样，软化的电极材料在气体的压力下膨胀直至它与由多个部分组成的模具的一个部分的形状和表面光洁度相一致，然后冷却并固化到所需的形状。
27.根据权利要求18的EDM方法，其中，所述进行EDM是通过从一组包含简单投入、轨道投入和触针加工的方法中选出的一种方法来完成的。
28.根据权利要求18的EDM方法，其中，所述进行EDM包含使用从一组包含去离子水、矿物油和气体的流体中选出的一种介电流体。
29.根据权利要求28的EDM方法，其中，所述气体为空气。
30.根据权利要求18的EDM方法，其中，所述进行EDM包含调整电脉冲参数以最小化电极的磨损。
31.用于在工件上的进行精加工操作的一种EDM方法，包含以下步骤提供工件的一个复制件；以及在工件的复制件中成型一个可塑电极。
32.根据权利要求31的EDM方法，其中，所述提供工件的一个复制件的步骤包含通过在包含锐边、平滑圆角、几何形状、表面纹理、拐角、深槽、90°边和具有不同半径的90°圆角的一系列几何复制件中选择一个复制件来提供工件的一个局部部分的复制件。
33.根据权利要求31的EDM方法，其中，所述在工件的复制件中成型一个可塑电极的步骤包含以下分步骤在临近电极聚合物基体熔点的温度预加热复制件；将复合材料的小球加入到经过预加热的复制件中；用密封的盖子封闭复制件；挤压封闭的复制件中的复合材料小球；在复制件中形成一个电极；冷却复制件并使电极固化；其中，所述在复制件中形成一个电极的分步骤包含在复制件中形成等静压力并维持该等静压力以使其中的复合材料各处的温度均匀分布，并使形成的电极具有增强的表面细节和最小的孔隙率。
34.通过在工件的复制件中形成可塑电极，对用于对工件进行EDM的可塑电极进行再加工的一种方法，包含以下步骤在临近可塑电极聚合物基体熔点的温度预加热复制件；将单件几何形状与复制件大致相同的材料加入到经过预加热的复制件中；用密封的盖子封闭复制件；挤压封闭的复制件中的材料；在复制件中成型一个电极；冷却复制件并使电极固化；其中，所述在复制件中形成一个电极的步骤包含在复制件中形成等静压力并维持该等静压力以使聚合体复合材料各处的温度均匀分布以产生一个再成型的电极。
35.根据权利要求34的方法其中，所述方法进一步包含对可塑电极进行预加热以软化其外表面的步骤。
36.用于在铣削过的金属腔中进行精加工操作的一种EDM方法，包含以下步骤在一个用作模具的铣削过的金属腔中，将铣削过的金属腔的一个反向复制件形成为一个电极；并且使用该电极对铣削过的金属腔进行EDM；由此，电极包含铣削过的金属腔的微小尖峰和微小凹部图案，从而，以这样的方式代表铣削过的金属腔的相反结构，即铣削过的金属腔中的微小沟纹凹部在电极中变为微小尖峰，并被用来通过电火花腐蚀把铣削过的金属腔的表面弄平。
37.一种在铣削过的金属腔上进行精加工操作的EDM方法，它使用一个预铣削过的腔体作为模具在一个可塑电极上形成腔体的一个反向复制件，结果该电极成为铣削过的金属腔的相反结构，这样，铣削过的金属腔的微小沟纹凹部变为电极上的微小尖峰，这些微小尖峰可以通过电火花腐蚀把铣削过的金属腔的表面弄平，并且一旦腔体表面粗糙结构的指定部分被弄平，并得到一个新的、更光滑的腔体表面，则电极在该新的、更光滑的腔体中被重新处理以使其表面与该新的、更光滑的腔体表面相配合。
38.将一个复合碳质材料模制成型为一个具有简单几何形状的保持在一个金属插入件支架周围的通用电极的方法，其中，一种可塑电极材料被软化以产生一个软化的电极，然后，其被按压到一个模子上以获得最终的形状和表面光洁度。
39.权利要求38中叙述的方法，其中，可塑电极材料是使用从一组包含感应加热、辐射加热和传导加热的方法中选出的一种方法来软化的。
40.权利要求38中叙述的方法，其中，软化的电极被按压到工件一个部分的原型上以提取它的相反几何形状，该相反几何形状可以用来复制所述部分的原始几何形状。
41.权利要求38中叙述的方法，其中，软化的电极通过软化的电极和模具之间沿三维轨迹的相对移动进行切割。
42.权利要求38中叙述的方法，其中，软化的电极通过膨胀一个在由多个部分组成的、其温度可以通过冷却通道控制的模子中由一个钻了孔的金属插入件固定的中空的电极来进行挤压。
43.将可塑碳质-金属聚合物复合材料用作EDM电极，以进行导电材料的放电加工的一种用途。
44.根据权利要求43将可塑碳质-金属聚合物复合材料用作EDM电极的一种用途，其中，电极可以一直使用至其完全磨损，并且其中，将电极重新成型为最初的形状。
45.用于通过使用按压的方法使用一个可塑电极材料来精加工和抛光工件的方法，其中可塑电极是工件或工件一部分的复制件，并且被用来通过将该电极从其开始成型的位置移动一个微小尖峰的宽度，通过EDM加工来去除微小尖峰。
全文摘要
使用一个可塑的碳质电极进行放电加工(EDM)的方法，该方法可以在导电材料上自动进行粗加工、精加工、精加工、以及纹理加工作业。EDM方法包含使用一个由碳－聚合物复合材料制成的可塑的导电电极。在进行放电加工之前，通过在聚合物基体熔点温度附近处均匀加热指定量的所述可塑电极材料制成电极。接下来，通过将该软材料按压到一个模板、一个模具模型、工件或工件的一部分的一个复制件上，将该复合材料成型为所需的电极形状。接着，使用适当的放电加工技术，利用所形成的电极将所述工件加工成所需的形状及表面光洁度。当电极的尺寸及其表面由于磨损而改变时，通过采取最初的软化及按压程序，可以快速及重复地修复同样的电极，直至工件完成。
文档编号B23H1/08GK1607987SQ02826118
公开日2005年4月20日 申请日期2002年11月19日 优先权日2001年11月19日
发明者A·库罗多, M－F·吉杜安 申请人:拉瓦勒大学