对石墨电极的高速加工探讨

王贵先

摘 要：石墨具备优良的导电、导热及耐高温性能，作为一种常见电极材料，在工业生产领域有着广泛的应用。本文探讨石墨电极的高速加工，研究影响高速加工过程的主要因素，并为高速加工提出合理优化建议，供相关人员参考借鉴。

关键词：石墨电极;高速加工;铣削

引言：受石墨材质的影响，石墨电极加工过程中易出现崩角、折断等问题，对加工刀具的磨损也比较严重，给加工过程带来一定困难。为此，行业试图通过铣削加工参数的合理化选取，降低石墨电极加工难度、提高加工精密性，并减轻对加工刀具的磨损，有效控制加工成本。

1石墨电极高速加工简介

1.1石墨电极铣削过程

石墨电极铣削过程中，因石墨本身脆性较大，刀具与石墨高速接触、推进过程中，导致石墨开裂，并伴随碎屑的产生。过程中产生的裂纹具备发展性特点，且会沿着切削的方向逐渐扩大。产生的碎屑与刀具间相互运动，导致刀具表面出现月牙状的磨损。另有学者认为，石墨铣削过程与陶瓷等材料相类似，会导致刀具尖端磨损，形成细小的坑洼。

1.2石墨电极高速加工切削力

切削力是影响石墨电极切削的主要参数，它也是金属及非金属物质在被切削时产生的一种物理现象。切削力主要作用在加工机床、刀具等位置，影响加工工具的使用寿命，并在很大程度上决定着石墨电极高速加工的效果。合理计算切削力，能够辅助找到最佳的刀具选用参数及切削用量。材料加工过程中发生形变，进而产生抗力，且产生的碎屑与工件之间相互摩擦，引发切削力。由此看来，任何导致抗力及摩擦改变的因素都可能成为影响切削力的原因。相较于铜、铝等金属材料，石墨切削过程中产生的切削力很小，因此该因素并没有被作为影响加工过程的主要因素。另外，在切削温度上，切削不会导致石墨材料发生较大的温度变化，且温度与加工速度之间存在稳定的线性关系。按照实际加工能力来看，加工速度一般很难达到400～500m/min，引发的切削温度也不会对加工过程造成明显的影响。

2石墨电极高速加工探讨

2.1刀具磨损

前文总结，切削力、切削温度等都不是影响石墨电极高速加工过程的主要原因，因此对其高速加工的探讨依然要放在刀具磨损问题上。在实际加工过程中，刀具受磨损比较严重的部位集中在前刀面和后刀面，其中导致前刀面磨损的主要原因是碎屑与刀面之间的冲撞摩擦，而后刀面磨损主要是由于碎屑与刀面的滑动摩擦[1]。加工刀具的材质、切削速度、切削量、切削角度等都是刀具磨损程度的主要影响因素。

2.2刀具磨损影响因素

2.2.1切削刀具材质

石墨电极高速加工最常用的刀具材料包括硬质合金、聚晶金刚石以及金刚石涂层材料。以硬质合金刀具的磨损为例，在切削过程中，刀具与石墨材料之间相互运动的部分因疲劳导致磨损出现，并逐渐发展成为裂纹甚至折断。聚晶金刚石刀具发生磨损的原理是由于切削过程产生石墨碎屑，碎屑附着在刀具表面，导致磨损。另外，金刚石材料本身脱落的碎屑也会导致其发生磨损。金刚石涂层刀具在切削石墨是過程中，石墨碎屑会大量黏贴在其表面，不会带来月牙形的磨损坑洼，这种磨损属于冲击磨损。相比较来说，金刚石涂层刀具的使用寿命优势明显，相较于一般的硬质合金材质刀具来说，其使用寿命可达到100倍以上。因此以上三种刀具当中，性能最优、最适合用于石墨电极高速加工的刀具为金刚石涂层刀具，即将金刚石材料与硬质合金材料相结合。

2.2.2切削速度

石墨高速加工的切削速度与刀具磨损程度之间存在一定的正相关关系，即选用的切削速度越大，可能产生的磨损程度也越大。但该规律仅适用于刀具的大范围磨损。例如月牙形磨损，其磨损截面会随着切削速度的上升而减小。如此看来，适当提高切削速度有利于刀具磨损程度的控制，可有效延长刀具使用寿命。其原理解释如下：石墨切削速度上升，摩擦面上形成的石墨润滑层的厚度也随之增加，可降低刀具与加工材料之间的磨损系数，进而达到延长刀具使用寿命的目的。以上原理也是石墨电极加工为什么优选高速加工工艺的一大原因。

2.2.3切削量

切削量指的是加工过程中铣刀每齿的进给量，也可通俗的称之为每齿选择的切削厚度。当进给量上升时，石墨电极的平均切削厚度上升，由此带来的冲摩擦也上升，导致刀具磨损加速。

2.2.4切削角度

切削角度分为刀具的前角和后角。若前角上升，则石墨碎屑的冲击摩擦角度也随之改变。若后角上升，相当于提高了刀具刀刃的锋利程度，可有效减轻刀面磨损。若选择改变主偏角，则切削受力方向及刀具与石墨之间的接触面同时被改变，且随着主偏角的上升，刀具磨损程度减小，使用寿命延长。

2.2.5刀具类型

石墨电极高速加工采用的刀具多为球头铣刀及平底铣刀。当选用球头铣刀时，由于加工面为弧形，因此产生的切削速度从外向内逐渐降低，导致刀具顶部磨损严重。若选用平底铣刀，该种类型的刀具可用于台面轮廓的加工，产生较大的余量波动，引发的刀具磨损程度更为严重，但平底铣刀要比球头铣刀的切削距离更长。

3加工建议

3.1高速精加工

精加工对加工精度及稳定性要求较高，影响加工质量的因素主要是铣削方向。若以曲面形式进行铣削，容易出现拉铣及钻铣的问题，带来较大的加工误差，建议采用平面铣削的方法。此外，存在以下加工偏差规律：顺铣>逆铣、拉铣>钻铣[2]。综上，最佳的高速精加工方法应为平面铣削结合逆铣及钻铣。

3.2高速粗加工

高速粗加工常用方法包括仿形铣削和轮廓铣削两种。其中，仿形铣削选用球头铣刀，加工过程中的切削深度及宽度均处于不断变化的状态，切削深度有限，且需要较长的加工时间，带来的刀具磨损程度也比较大;轮廓铣削则采用平底铣刀，相对而言加工深度大、所需时间短、刀具磨损程度低。建议粗加工选用轮廓铣削，并尽量以“之”字形方式推进。

除石墨加工方式的优化选择外，选取适当方法对加工过程产生的碎屑进行清理也可明显提升加工质量、延长刀具使用寿命。例如，对加工过程进行强风干扰，清除积留的碎屑，降低二次磨损的发生概率。

结论：本文对石墨电极高速加工工艺进行了分析。随着社会工业生产精细化程度的提高，石墨加工工艺也将得到进一步的发展。合理选取加工参数及加工刀具，在确保电极加工精度的同时，控制加工成本。

参考文献：

[1]周玉海，王成勇.CIP石墨高速加工关键技术及应用研究进展[J].工具技术，2018，52（09）：3-9.

[2]李立军，席明龙，李杰华.薄壁石墨电极高速铣削加工工艺优化研究[J].三峡大学学报（自然科学版），2015，37（04）：90-93.