石墨电极的应用及加工浅析

赵炎

（广州达意隆包装机械股份有限公司，广东 广州 510530）

电火花加工是模具制造行业内广泛应用的一项工业技术，它在模具型腔的制造过程中始终发挥着极其重要的作用。为了保证模具的高质量，电火花加工的重要性是不言而喻的。作为电火花加工重要因素之一的电极，在沿用传统铜电极进行电火花放电加工的同时不得不开始考虑一些技改的新趋势：在竞争激烈的模具制造行业中，生产率是确保生产成本具有竞争力的关键，要有效的提高生产的效率，新材料新技术的运用，是重要途径。石墨作为一种新的电极材料，由于其特殊的稳定物理特性而逐渐成为电火花放电加工电极材料的未来趋势。本文着重研究了以下几个问题：使用石墨电极对比传统铜电极有何优势；如何选择石墨材料；石墨加工对刀具的要求；如何加工石墨电极。

1 使用石墨电极对比传统铜电极有何优势

电极材料的选择通常由五大要素决定：可加工性、损耗率、表面光洁度、加工速度、材料成本。可加工性：石墨比铜具有更好的可加工性，石墨加工较容易，材料去除率高，石墨在铣削加工时速度是铜的3～5倍。石墨可用于加工形状复杂、表面要求较高的电极。由于其强度很高，对于超高（50～90mm）、超薄（0.2～0.5mm）的电极加工时不易变形，常常被用于制作后模窄槽或深骨位加工用的电极。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电极，而整体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，而铜电极却无法做到。损耗率：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。由于石墨在高温下强度而增强，能有效地降低放电损耗（石墨损耗为铜的1/4），从而保证了加工质量。表面光洁度：在合理的加工参数下，选择合适的石墨材料我们可以得到我们想要的表面光洁度。加工速度：石墨具有高的导电性，且其放电时能承受住较大电流，石墨的电加工速度比铜快50%以上。材料成本：由上述四点我们可以得出结论，使用石墨电极比传统铜电极更能提高电火花加工的生产效率，且石墨电极加工后不需要额外的人工处理，材料成本将大大降低。

2 如何选择石墨材料

石墨按其颗粒等级可分为：特微＜1μ；极细1～5μ；超细 6～10μ；精细 11～20μ；中等 21～100μ；粗糙＞100μ。石墨的颗粒越小，加工的电极表面光洁度越高；颗粒越小，颗粒间的间隙越小，石墨的抗弯强度、抗压强度也就越好。同一级别的石墨中，密度越大，电阻率越低，导电性能越好。因此石墨的选择在电加工中是十分重要的。若在加工窄槽或深骨位时，使用的石墨电阻太高，那么将会导致电极过热而产生过切现象。通常我们使用的石墨等级为特微、极细、超细、精细四种，对应适用的范围如下：特微——用于极好表面光洁度和复杂形状电极。极细——用于对电极硬度、损耗及加工光洁度都有较高要求的场合。超细——用于大型模具和对光洁度要求高的场合。精细——用于用于大型模具和对光洁度要求不高的场合。

3 石墨加工对刀具的要求

尽管石墨是一种非常容易切削的材料，但由于用作EDM电极的石墨材料，必须具有足够的强度以免在操作和EDM加工过程中受到破坏，同时电极形状(薄壁、小圆角、锐变)等也对石墨电极的颗粒尺寸和强度提出较高的要求，导致在加工过程中石墨工件容易崩碎，刀具容易磨损。刀具磨损是石墨电极加工中最重要的问题。磨损量不仅影响刀具损耗费用、加工时间、加工质量，而且影响电极EDM加工工件材料的表面质量，是优化高速加工的重要参数。因此，在选择加工石墨的刀具时，我们优先考虑的是刀具的耐磨性。在常用的刀具材料中，除了高速钢以外其它硬质合金刀具都可用于加工石墨。在各类硬质合金刀具中，金刚石涂层刀具的硬度高、耐磨性好、摩擦系数低，是现阶段石墨加工刀具的最佳选择。金刚石涂层的硬质合金刀具综合了金刚石的硬度和硬质合金的强度及断裂韧性，使得其在加工石墨时耐磨性大大提高，使用寿命是普通涂层刀具的好几倍。然而，由于金刚石涂层刀具价格很高，通常我们也会使用TIN涂层刀具加工石墨。TIN涂层刀具价格比金刚石涂层刀具便宜一半以上，对于加工时间不是太长，精度要求不是很高，或者薄片骨位电极等零件我们都可以使用TIN涂层刀具。另外，TIALN涂层刀具由于涂层中AL元素的导热性不好，热量不易传递到刀具，尽管其耐磨性好，但通常不用其来加工石墨。在石墨加工中，刀具对加工的质量、加工的精度以及加工的效率有很大影响，因此在编程前刀具的选择是决定加工成败的关键。

4 如何加工石墨电极

石墨加工的刀路，是影响石墨加工质量好坏的重要因素。石墨在粗加工时可使用大的切削深度，在配合高的转速情况下可使用相应的大进给量。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。石墨加工的刀路应尽可能选择顺铣。顺铣时的刀具切入厚度从最大减小到零，刀具切入工件后不会出现因切不下切屑而造成的弹刀现象，工艺系统的刚性好，切削振动小。石墨加工时我们通常使用吹气的冷却方式，并且在加工前将石墨浸渍电火花液，这样可以及时清理工件表面的石墨粉尘，有利于减小刀具二次磨损，延长刀具的使用寿命，减少石墨粉尘对机床丝杠和导轨的影响。在加工高骨位电极时，我们应尽可能在电极底部设计R角，这样可以增加骨位的强度，便于铣削加工和EDM加工。骨位电极粗加工时我们要留有足够的余量（一般为1mm以上），精加工时最好使用TIN涂层刀具（因为TIN涂层较金刚石涂层薄，相对而言刀具较锋利，切削时力较小）。让我们通过下面的实例来粗略了解一下石墨加工的具体加工工艺。

图1所示薄片骨位电极，顶部壁厚0.4mm，底部壁厚1mm，薄片高55mm，薄片顶部有72度的斜面。由于薄片骨位电极在机加工和电火花加工时极易发生折断和变形，因此我们必须挑选具有极高的强度、极强的耐磨性和良好的光洁度特性的石墨材料。这里我们选择的是美国POCO公司生产的EDM-3极细石墨。为了降低石墨的脆性，加工前已将石墨放入火花油内浸泡数小时。整个电极采用POWERMILL软件编程，选用山高的刀具加工。加工机床为日本的OKADA石墨加工中心。具体加工工艺如下：整体粗加工-精加工斜面-精加工短边侧面-精加工长边侧面。

图1

（1）整体粗加工。采用直径12.0mm的平底刀，用等高策略对石墨进行整体开粗。由于此石墨电极很薄，最窄处只有0.4mm，所以粗加工我们必须留有足够的余量。（通常对薄片骨位电极我们都会留1mm以上的余量给后面的工序。）

（2）精加工斜面。薄片骨位电极精加工时一定要先加工好顶部的弧面或斜面，才可以加工零件的侧面。因为侧面加工完后零件已变得很薄，再加工顶部零件极易折断，我们必须在零件足够厚时加工其顶部。石墨具有很好的修整性，我们可以使用平底刀来加工此斜面。现在我们使用直径4.0mm的平底刀对斜面精加工。

（3）精加工短边侧面。采用直径4.0mm的平底刀，用等高策略计算加工边界精加工短边侧面。因为精加工的短边侧面对于零件来说是较厚的一边，先加工完后不会让电极变薄。

（4）精加工长边侧面。采用直径4.0mm的平底刀，用等高策略计算加工边界精加工长边侧面。因为精加工长边侧面会使零件变得很薄，所以放在最后的工序加工。应将长边和短边分开加工，因为如果将两者一起加工，在转角处刀路方向改变时会产生径向力压迫石墨引起振动从而导致电极折断。图1所示刀路即为串联后的电极精加工刀路。

5 结语

本文从石墨电极对比传统铜电极的优势、石墨材料的选择、石墨加工刀具的挑选直至介绍到石墨的加工，对石墨的加工工艺进行了详细的阐述，对石墨加工的方法和刀具的选择有了简单的介绍，其中大部分内容为日常工作中经验的总结。在模具工业越来越发达的今天，电火花加工特别是用石墨作为电极进行各种复杂型腔的精密加工将越来越广泛，其涉及到石墨电极加工的不同加工经验、参数和知识在不断更新，不断变化，需持续不懈的努力和探索。