石墨電極的應(yīng)用及加工淺析

趙炎

（廣州達(dá)意隆包裝機(jī)械股份有限公司，廣東 廣州 510530）

電火花加工是模具制造行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)工業(yè)技術(shù)，它在模具型腔的制造過(guò)程中始終發(fā)揮著極其重要的作用。為了保證模具的高質(zhì)量，電火花加工的重要性是不言而喻的。作為電火花加工重要因素之一的電極，在沿用傳統(tǒng)銅電極進(jìn)行電火花放電加工的同時(shí)不得不開始考慮一些技改的新趨勢(shì)：在競(jìng)爭(zhēng)激烈的模具制造行業(yè)中，生產(chǎn)率是確保生產(chǎn)成本具有競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，要有效的提高生產(chǎn)的效率，新材料新技術(shù)的運(yùn)用，是重要途徑。石墨作為一種新的電極材料，由于其特殊的穩(wěn)定物理特性而逐漸成為電火花放電加工電極材料的未來(lái)趨勢(shì)。本文著重研究了以下幾個(gè)問(wèn)題：使用石墨電極對(duì)比傳統(tǒng)銅電極有何優(yōu)勢(shì)；如何選擇石墨材料；石墨加工對(duì)刀具的要求；如何加工石墨電極。

1 使用石墨電極對(duì)比傳統(tǒng)銅電極有何優(yōu)勢(shì)

電極材料的選擇通常由五大要素決定：可加工性、損耗率、表面光潔度、加工速度、材料成本?？杉庸ば裕菏茹~具有更好的可加工性，石墨加工較容易，材料去除率高，石墨在銑削加工時(shí)速度是銅的3～5倍。石墨可用于加工形狀復(fù)雜、表面要求較高的電極。由于其強(qiáng)度很高，對(duì)于超高（50～90mm）、超?。?.2～0.5mm）的電極加工時(shí)不易變形，常常被用于制作后模窄槽或深骨位加工用的電極。在很多時(shí)候，產(chǎn)品都需要有很好的紋面效果，這就要求在做電極時(shí)盡量做成整體電極，而整體電極制作時(shí)存在種種隱性清角，由于石墨的易修整的特性，使得這一難題很容易得到解決，而銅電極卻無(wú)法做到。損耗率：石墨的熔點(diǎn)為3850±50℃，沸點(diǎn)為4250℃，即使經(jīng)超高溫電弧灼燒，重量的損失很小，熱膨脹系數(shù)也很小。石墨度隨溫度提高而加強(qiáng)，在2000℃時(shí)，石墨強(qiáng)度提高一倍。由于石墨在高溫下強(qiáng)度而增強(qiáng)，能有效地降低放電損耗（石墨損耗為銅的1/4），從而保證了加工質(zhì)量。表面光潔度：在合理的加工參數(shù)下，選擇合適的石墨材料我們可以得到我們想要的表面光潔度。加工速度：石墨具有高的導(dǎo)電性，且其放電時(shí)能承受住較大電流，石墨的電加工速度比銅快50%以上。材料成本：由上述四點(diǎn)我們可以得出結(jié)論，使用石墨電極比傳統(tǒng)銅電極更能提高電火花加工的生產(chǎn)效率，且石墨電極加工后不需要額外的人工處理，材料成本將大大降低。

2 如何選擇石墨材料

石墨按其顆粒等級(jí)可分為：特微＜1μ；極細(xì)1～5μ；超細(xì) 6～10μ；精細(xì) 11～20μ；中等 21～100μ；粗糙＞100μ。石墨的顆粒越小，加工的電極表面光潔度越高；顆粒越小，顆粒間的間隙越小，石墨的抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度也就越好。同一級(jí)別的石墨中，密度越大，電阻率越低，導(dǎo)電性能越好。因此石墨的選擇在電加工中是十分重要的。若在加工窄槽或深骨位時(shí)，使用的石墨電阻太高，那么將會(huì)導(dǎo)致電極過(guò)熱而產(chǎn)生過(guò)切現(xiàn)象。通常我們使用的石墨等級(jí)為特微、極細(xì)、超細(xì)、精細(xì)四種，對(duì)應(yīng)適用的范圍如下：特微——用于極好表面光潔度和復(fù)雜形狀電極。極細(xì)——用于對(duì)電極硬度、損耗及加工光潔度都有較高要求的場(chǎng)合。超細(xì)——用于大型模具和對(duì)光潔度要求高的場(chǎng)合。精細(xì)——用于用于大型模具和對(duì)光潔度要求不高的場(chǎng)合。

3 石墨加工對(duì)刀具的要求

盡管石墨是一種非常容易切削的材料，但由于用作EDM電極的石墨材料，必須具有足夠的強(qiáng)度以免在操作和EDM加工過(guò)程中受到破壞，同時(shí)電極形狀(薄壁、小圓角、銳變)等也對(duì)石墨電極的顆粒尺寸和強(qiáng)度提出較高的要求，導(dǎo)致在加工過(guò)程中石墨工件容易崩碎，刀具容易磨損。刀具磨損是石墨電極加工中最重要的問(wèn)題。磨損量不僅影響刀具損耗費(fèi)用、加工時(shí)間、加工質(zhì)量，而且影響電極EDM加工工件材料的表面質(zhì)量，是優(yōu)化高速加工的重要參數(shù)。因此，在選擇加工石墨的刀具時(shí)，我們優(yōu)先考慮的是刀具的耐磨性。在常用的刀具材料中，除了高速鋼以外其它硬質(zhì)合金刀具都可用于加工石墨。在各類硬質(zhì)合金刀具中，金剛石涂層刀具的硬度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)低，是現(xiàn)階段石墨加工刀具的最佳選擇。金剛石涂層的硬質(zhì)合金刀具綜合了金剛石的硬度和硬質(zhì)合金的強(qiáng)度及斷裂韌性，使得其在加工石墨時(shí)耐磨性大大提高，使用壽命是普通涂層刀具的好幾倍。然而，由于金剛石涂層刀具價(jià)格很高，通常我們也會(huì)使用TIN涂層刀具加工石墨。TIN涂層刀具價(jià)格比金剛石涂層刀具便宜一半以上，對(duì)于加工時(shí)間不是太長(zhǎng)，精度要求不是很高，或者薄片骨位電極等零件我們都可以使用TIN涂層刀具。另外，TIALN涂層刀具由于涂層中AL元素的導(dǎo)熱性不好，熱量不易傳遞到刀具，盡管其耐磨性好，但通常不用其來(lái)加工石墨。在石墨加工中，刀具對(duì)加工的質(zhì)量、加工的精度以及加工的效率有很大影響，因此在編程前刀具的選擇是決定加工成敗的關(guān)鍵。

4 如何加工石墨電極

石墨加工的刀路，是影響石墨加工質(zhì)量好壞的重要因素。石墨在粗加工時(shí)可使用大的切削深度，在配合高的轉(zhuǎn)速情況下可使用相應(yīng)的大進(jìn)給量。精加工時(shí)為避免崩角、碎裂的發(fā)生，常采用輕刀快走的方式加工。一般而言，石墨在切深小于0.2mm的情況下很少發(fā)生崩碎，還會(huì)獲得較好的側(cè)壁表面質(zhì)量。石墨加工的刀路應(yīng)盡可能選擇順銑。順銑時(shí)的刀具切入厚度從最大減小到零，刀具切入工件后不會(huì)出現(xiàn)因切不下切屑而造成的彈刀現(xiàn)象，工藝系統(tǒng)的剛性好，切削振動(dòng)小。石墨加工時(shí)我們通常使用吹氣的冷卻方式，并且在加工前將石墨浸漬電火花液，這樣可以及時(shí)清理工件表面的石墨粉塵，有利于減小刀具二次磨損，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，減少石墨粉塵對(duì)機(jī)床絲杠和導(dǎo)軌的影響。在加工高骨位電極時(shí)，我們應(yīng)盡可能在電極底部設(shè)計(jì)R角，這樣可以增加骨位的強(qiáng)度，便于銑削加工和EDM加工。骨位電極粗加工時(shí)我們要留有足夠的余量（一般為1mm以上），精加工時(shí)最好使用TIN涂層刀具（因?yàn)門IN涂層較金剛石涂層薄，相對(duì)而言刀具較鋒利，切削時(shí)力較?。Ｗ屛覀兺ㄟ^(guò)下面的實(shí)例來(lái)粗略了解一下石墨加工的具體加工工藝。

圖1所示薄片骨位電極，頂部壁厚0.4mm，底部壁厚1mm，薄片高55mm，薄片頂部有72度的斜面。由于薄片骨位電極在機(jī)加工和電火花加工時(shí)極易發(fā)生折斷和變形，因此我們必須挑選具有極高的強(qiáng)度、極強(qiáng)的耐磨性和良好的光潔度特性的石墨材料。這里我們選擇的是美國(guó)POCO公司生產(chǎn)的EDM-3極細(xì)石墨。為了降低石墨的脆性，加工前已將石墨放入火花油內(nèi)浸泡數(shù)小時(shí)。整個(gè)電極采用POWERMILL軟件編程，選用山高的刀具加工。加工機(jī)床為日本的OKADA石墨加工中心。具體加工工藝如下：整體粗加工-精加工斜面-精加工短邊側(cè)面-精加工長(zhǎng)邊側(cè)面。

圖1

（1）整體粗加工。采用直徑12.0mm的平底刀，用等高策略對(duì)石墨進(jìn)行整體開粗。由于此石墨電極很薄，最窄處只有0.4mm，所以粗加工我們必須留有足夠的余量。（通常對(duì)薄片骨位電極我們都會(huì)留1mm以上的余量給后面的工序。）

（2）精加工斜面。薄片骨位電極精加工時(shí)一定要先加工好頂部的弧面或斜面，才可以加工零件的側(cè)面。因?yàn)閭?cè)面加工完后零件已變得很薄，再加工頂部零件極易折斷，我們必須在零件足夠厚時(shí)加工其頂部。石墨具有很好的修整性，我們可以使用平底刀來(lái)加工此斜面?，F(xiàn)在我們使用直徑4.0mm的平底刀對(duì)斜面精加工。

（3）精加工短邊側(cè)面。采用直徑4.0mm的平底刀，用等高策略計(jì)算加工邊界精加工短邊側(cè)面。因?yàn)榫庸さ亩踢厒?cè)面對(duì)于零件來(lái)說(shuō)是較厚的一邊，先加工完后不會(huì)讓電極變薄。

（4）精加工長(zhǎng)邊側(cè)面。采用直徑4.0mm的平底刀，用等高策略計(jì)算加工邊界精加工長(zhǎng)邊側(cè)面。因?yàn)榫庸らL(zhǎng)邊側(cè)面會(huì)使零件變得很薄，所以放在最后的工序加工。應(yīng)將長(zhǎng)邊和短邊分開加工，因?yàn)槿绻麑烧咭黄鸺庸ぃ谵D(zhuǎn)角處刀路方向改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生徑向力壓迫石墨引起振動(dòng)從而導(dǎo)致電極折斷。圖1所示刀路即為串聯(lián)后的電極精加工刀路。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從石墨電極對(duì)比傳統(tǒng)銅電極的優(yōu)勢(shì)、石墨材料的選擇、石墨加工刀具的挑選直至介紹到石墨的加工，對(duì)石墨的加工工藝進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對(duì)石墨加工的方法和刀具的選擇有了簡(jiǎn)單的介紹，其中大部分內(nèi)容為日常工作中經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。在模具工業(yè)越來(lái)越發(fā)達(dá)的今天，電火花加工特別是用石墨作為電極進(jìn)行各種復(fù)雜型腔的精密加工將越來(lái)越廣泛，其涉及到石墨電極加工的不同加工經(jīng)驗(yàn)、參數(shù)和知識(shí)在不斷更新，不斷變化，需持續(xù)不懈的努力和探索。