石墨電極，在模具制造電火花加工中的應(yīng)用

石墨電極，在模具制造電火花加工中的應(yīng)用
1. 引言
在20世紀(jì)，銅作為電極材料在電火花加工中被廣泛使用。那時只有在制作大型電極且模具加工要求不高或粗加工時，石墨材料才會成為備選考慮。一些早期接觸過石墨電極的技術(shù)人員曾有普遍印象：石墨材料臟、易掉渣、表面效果不好、加工效率不高等等。

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，石墨材料的制造工藝不斷完善，能滿足不同電火花加工需求的石墨材料層出不窮，市場上石墨高速銑削機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生，數(shù)控電火花加工機(jī)床的石墨放電性能也有了全面的提升。當(dāng)今，在制造技術(shù)領(lǐng)先的歐洲，模具企業(yè)超過90%的電極材料采用石墨。航空航天、汽車、家電、電子等模具已大范圍采用石墨作為電極材料，這種顯著變化歸功于石墨電極可實(shí)現(xiàn)高效率、高品質(zhì)加工等諸多優(yōu)勢。

但在中國，當(dāng)前大多數(shù)模具企業(yè)還是選用銅作為主要的電極材料。根據(jù)石墨材料的特性，以下全面分析其電火花加工的優(yōu)勢與不足，介紹如何正確選擇石墨材料、電極制作與放電加工的要點(diǎn)，并提供實(shí)際應(yīng)用案例。

2. 石墨材料的電火花加工特性
2.1 放電加工速度

石墨是一種非金屬材料，熔點(diǎn)極高，達(dá)3 650℃，而銅的熔點(diǎn)是1083 ℃，因此石墨電極能承受更大的電流設(shè)定條件。當(dāng)放電面積與電極尺寸縮放量越大時，石墨材料高效率粗加工的優(yōu)越性越顯著。石墨的導(dǎo)熱系數(shù)是銅的1/3，其放電過程中產(chǎn)生的熱能可更有效地用于去除金屬材料，因此在中、精加工中，其加工效率也比銅電極要高。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，在正確的使用條件下，石墨電極的放電加工速度要比銅電極整體快1.5~2倍。

2.2 電極損耗

石墨電極具有能承受大電流條件的特性，另外，在合適的粗加工設(shè)定條件下，含碳元素的鋼工件在加工時產(chǎn)生的蝕除物和工作液在高溫下產(chǎn)生的分解物中的碳顆粒，在極性效應(yīng)的作用下，部分蝕除物、碳顆粒會粘附在電極表面形成一層保護(hù)層，保證了石墨電極在粗加工中的損耗極小，甚至是“零損耗”。電火花加工中主要的電極損耗量來自于粗加工，精加工設(shè)定條件雖然損耗率較高，但因零件預(yù)留加工余量不多即加工蝕除量較少，其總體損耗量也較少?？傮w而言，石墨電極在大電流的粗加工中損耗會少于銅電極，在精加工中損耗可能會稍大于銅電極，二者的電極損耗情況相當(dāng)。

2.3 表面質(zhì)量

石墨材料的顆粒直徑直接影響電火花加工的表面粗糙度，直徑越小可獲得更低的表面粗糙度值。幾年前使用顆粒直徑φ5 μm的石墨材料，電火花加工的最佳表面只能達(dá)到VDI18（Ra0.8 μm），現(xiàn)今石墨材料的顆粒直徑已能達(dá)到φ3 μm以內(nèi)，電火花加工的最佳表面可穩(wěn)定達(dá)到VDI12（Ra0.4 μm）或者更精細(xì)的等級，但石墨電極無法進(jìn)行鏡面電火花加工。銅材料的電阻率較低，組織結(jié)構(gòu)致密，電火花精加工易獲得穩(wěn)定的加工狀態(tài)，在較困難的條件下也能穩(wěn)定加工，表面粗糙度可小于Ra0.1 μm，能進(jìn)行鏡面電火花加工。

由此可見，如果放電加工追求極其精細(xì)的表面，使用銅材料做電極更加合適，這是銅電極較石墨電極的主要優(yōu)勢。但銅電極在大電流設(shè)定條件下，電極表面容易變得粗糙不堪，甚至出現(xiàn)裂紋，而石墨材料則沒有這方面的問題，對于表面粗糙度要求為VDI26（Ra2.0 μm）左右的型腔加工，使用1個石墨電極即可完成從粗到精的加工過程，實(shí)現(xiàn)均勻一致的紋面效果，表面不會有缺陷。另外，由于石墨與銅材組織結(jié)構(gòu)的不同，石墨電極表面放電的腐蝕點(diǎn)比銅電極要規(guī)則，因此在加工VDI20及以上相同表面粗糙度時，使用石墨電極加工的工件表面顆粒度更加分明，這種紋面效果要優(yōu)于銅電極的放電表面效果。

2.4 加工精度

石墨材料的熱膨脹系數(shù)小，銅材料的熱膨脹系數(shù)是石墨材料的4倍，因此在放電加工中石墨電極相比銅電極不易發(fā)生變形，可獲得更穩(wěn)定可靠的加工精度。尤其是在加工深窄筋位部分時，局部高溫容易使銅電極發(fā)生彎曲變形，而石墨電極不會這樣；對于深徑比大的銅電極，在加工設(shè)定時還需要補(bǔ)償一定的熱膨脹值來修正尺寸，而石墨電極不需要。

2.5 電極重量

石墨材料較銅的密度要小，相同體積的石墨電極重量僅為銅電極的1/5。可見體積較大的電極使用石墨材料非常合適，極大地減輕了電火花加工機(jī)床主軸的載荷，電極不會因?yàn)橹亓看蠖鴮?dǎo)致裝夾不便、加工中產(chǎn)生偏擺位移等問題，可見在大型模具加工中使用石墨電極很有意義。

2.6 電極制作難度

石墨材料的機(jī)械加工性能好，切削阻力僅為銅的1/4，在正確的加工條件下，銑削加工石墨電極的效率是銅電極的2~3倍。石墨電極容易清角，可以將平時要由多個電極完成的工件設(shè)計(jì)成一個整體電極來加工。石墨材料獨(dú)特的顆粒組織結(jié)構(gòu)，使得電極銑削成型后不會產(chǎn)生毛刺，對于復(fù)雜造型不便于去除毛刺的情況直接滿足使用要求，省去了人工對電極進(jìn)行拋光的工序，避免了拋光導(dǎo)致的形狀改變、尺寸誤差等。

需要注意的是，由于石墨是粉塵堆積物，銑削石墨時會產(chǎn)生大量的粉塵，因此銑削機(jī)床必須要有密封與吸塵裝置。如果需要使用電火花線切割加工石墨電極，其加工性能就不如銅材料了，切割速度相比銅慢約40%。

2.7 電極安裝與使用

石墨材料的可粘結(jié)性好，可以使用導(dǎo)電膠將石墨與夾具粘結(jié)的方法銑削電極、放電加工，可省去在電極材料上加工螺絲孔的工序，節(jié)省了工作時間。石墨材料比較脆，特別是細(xì)小窄長電極，在使用中受到外力作用時容易折斷，但可以馬上知曉電極發(fā)生了損傷。如果是銅電極則只會彎曲不會折斷，這種狀況在使用過程中非常危險且難以發(fā)現(xiàn)，很容易導(dǎo)致工件報(bào)廢。

2.8 價格

銅材料是不可再生資源，價格趨勢會越來越貴，而石墨材料的價格趨于穩(wěn)定。近幾年銅材料價格不斷上漲，而各大石墨制造商不斷改進(jìn)制作石墨的工藝使其更具性價比優(yōu)勢，如今，相同體積下，通用性石墨電極材料的價格與銅電極材料的價格相當(dāng)，但石墨所能實(shí)現(xiàn)的高效率加工，比使用銅電極要節(jié)省的大量工時，相當(dāng)于直接地降低了生產(chǎn)成本。

綜上所述，在石墨電極的8項(xiàng)電火花加工特性中，其優(yōu)勢明顯：銑削電極與放電加工的效率均顯著優(yōu)于銅電極，大電極重量小，尺寸穩(wěn)定性良好，薄片電極不容易發(fā)生變形，表面紋理優(yōu)于銅。石墨材料的不足之處是不太適合VDI12（Ra0.4 μm）以下的精細(xì)表面放電加工，使用電火花線切割制作電極的效率較低。但從實(shí)際角度來看，影響石墨材料在國內(nèi)不能有效推廣的一個重要原因是銑削電極需要有專門的石墨加工機(jī)，這就對模具企業(yè)的加工設(shè)備提出了新的要求，一些小型企業(yè)可能不具備這個條件。總體而言，石墨電極特性的優(yōu)勢涵蓋了電火花加工的絕大多數(shù)加工場合，值得推廣應(yīng)用，長期效益可觀，其精細(xì)表面加工的不足之可以通過使用銅電極來彌補(bǔ)。

3. 電火花加工用石墨電極材料的選擇
對于石墨材料，主要有以下4個指標(biāo)直接決定著材料的使用性能：

1）材料的平均顆粒直徑

材料的平均顆粒直徑直接影響到材料放電的狀況。石墨材料的平均顆粒越小，材料的放電越均勻，則放電狀況越穩(wěn)定，表面質(zhì)量越好，損耗情況越??；平均顆粒越大，在粗加工中能獲得更好的去除率，但精加工表面效果較差，電極損耗較大。

2）材料的抗折強(qiáng)度

材料的抗折強(qiáng)度是材料強(qiáng)度的直接體現(xiàn)，顯示材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度。強(qiáng)度高的材料，其放電的耐損耗性能相對較好，對于精度要求高的電極，盡可能選擇強(qiáng)度較好的材料。

3）材料的肖氏硬度

石墨的硬度比金屬材料要高，在切削時刀具的損耗比切削金屬要大些。與此同時，硬度高的石墨材料在放電損耗方面的控制比較優(yōu)秀。

4）材料的固有電阻率

固有電阻率較大的石墨材料，放電速度會比電阻率小的慢。固有電阻率越高，電極損耗就越小，但固有電阻率偏高時，放電的穩(wěn)定性會受到影響。

目前全球知名的石墨供應(yīng)商中不同供應(yīng)商有多種不同牌號的石墨可供選擇。通常根據(jù)石墨材料的平均顆粒直徑來分類，顆粒直徑≤φ4 μm的定義為細(xì)石墨，顆粒在φ5~φ10 μm定義為中石墨，顆粒在10 μm以上定義為粗石墨。顆粒直徑越小材料的價格越貴，可以根據(jù)電火花加工要求與成本選擇合適的石墨材料。

4. 石墨電極的制作
模具制造中的石墨電極主要用銑削加工的方法制作完成。從加工工藝的角度看，石墨與銅是2種不同的材料，應(yīng)該掌握它們不同的切削特性。如果使用加工銅電極的工藝來加工石墨電極，必然會出現(xiàn)問題，如薄片經(jīng)常發(fā)生斷裂，這就要求采用合適的切削刀具與切削參數(shù)。

加工石墨電極比銅電極的刀具磨損要大，就經(jīng)濟(jì)性考慮，選用硬質(zhì)合金刀具是最經(jīng)濟(jì)的，選擇金剛石涂層刀具（稱石墨刀）價格較昂貴，但金剛石涂層刀具使用壽命長，加工精度高，整體經(jīng)濟(jì)效益不錯。刀具的前角大小也影響其使用壽命，前角0°的刀具會比前角15°的刀具高出多達(dá)50%的使用壽命，切削的穩(wěn)定性也較好，但是斜角越大，加工表面越好，使用15°斜角的刀具能達(dá)到最佳的加工表面。加工時的走刀速度可按電極的形狀來調(diào)整，通常為10m／min，與加工鋁或塑料類似，粗加工時刀具可直接在工件上下刀，精加工易發(fā)生崩角、碎裂的現(xiàn)象，常采用輕刀快走的方式。

石墨電極在切削加工中會產(chǎn)生大量的粉塵，為避免石墨顆粒吸入機(jī)床主軸和絲杠，目前解決方案主要有2種，一種是使用專門的石墨加工機(jī)，另一種是將普通的加工中心改裝，配置專門的吸塵裝置。市場上專門的石墨高速銑削機(jī)床銑削效率高，可輕松完成復(fù)雜電極的制造，電極精度高，表面質(zhì)量佳。

如果需要使用電火花線切割來制作石墨電極，推薦使用顆粒直徑更小的細(xì)石墨材料。石墨材料的電火花線切割加工性能較差，其顆粒直徑越小時可獲得相對較高的切割效率，避免出現(xiàn)頻繁斷絲、表面條紋等異常問題。

5. 石墨電極的電火花加工參數(shù)
石墨與銅材料的電火花加工參數(shù)選用有較大差異。電火花加工參數(shù)主要包括電流、脈沖寬度、脈沖間隙、極性。以下介紹合理使用這些主要參數(shù)的依據(jù)。

石墨電極的電流密度一般為10~12 A/cm2，比銅電極要大得多，因此在對應(yīng)面積允許的電流大小范圍內(nèi)，電流選用越大，則石墨放電加工速度越快，電極損耗越小，但表面粗糙度會變粗。

脈沖寬度選用越大，電極損耗會降低。但較大的脈沖寬度會使加工穩(wěn)定性變差，同時使加工速度變慢，表面變粗糙。粗加工時為保證電極低損耗，通常使用較大的脈沖寬度，其取值在100～300 us時可有效實(shí)現(xiàn)石墨電極的低損耗加工。精加工時，為獲得精細(xì)表面與穩(wěn)定的放電效果，宜選用較小的脈沖寬度。一般石墨電極比銅電極加工時選取的脈沖寬度要減少約40%

脈沖間隙主要影響放電加工速度和加工穩(wěn)定性，其值越大加工穩(wěn)定性越好，對獲得較好的表面均勻性有幫助，但加工速度會降低。在保證加工穩(wěn)定的情況下，選用較小的脈沖間隙可獲得較高的加工效率，但放電狀態(tài)不穩(wěn)定時，脈沖間隙選取較大些可獲得更高的加工效率。石墨電極放電加工中通常將脈沖間隙與脈寬寬度按1:1來設(shè)定，而通常銅電極加工中脈沖間隙與脈寬寬度按1:3來設(shè)定。在石墨加工穩(wěn)定的情況下，可以將脈沖間隙與脈寬寬度的搭配比例調(diào)整到2:3。脈沖間隙較小的情況下，有利于在電極表面形成覆蓋層，對降低電極損耗有一定的幫助。

石墨電極電火花加工中極性的選用與銅電極基本相同。根據(jù)電火花加工的極性效應(yīng)，在加工模具鋼時通常選用正極性加工，也就是電極接電源的正極，工件接電源的負(fù)極。使用較大電流和脈沖寬度，選擇正極性加工可以獲得極低的電極損耗效果，如果將極性選錯將會導(dǎo)致電極損耗變得非常大。只有在表面要求小于VDI18（Ra0.8μm）的精細(xì)加工，采用極小的脈沖寬度，才選用負(fù)極性加工以獲得較好的表面質(zhì)量，但電極損耗較大。

現(xiàn)在的數(shù)控電火花加工機(jī)床都配有石墨放電加工參數(shù)。電參數(shù)的使用是智能化的，可以通過機(jī)床的專家系統(tǒng)來自動生成。通常是在編程時選擇材料對、應(yīng)用類型、表面粗糙度值，輸入加工面積、加工深度、電極尺寸縮放量等，機(jī)床就能配置出優(yōu)化的加工參數(shù)。機(jī)床針對石墨電極的放電加工設(shè)有豐富的加工參數(shù)庫，材料類型里可選擇粗石墨、中石墨、細(xì)石墨對應(yīng)多種工件材料，將應(yīng)用類型細(xì)分為標(biāo)準(zhǔn)、深槽、尖點(diǎn)、大面積、大型腔、微細(xì)等，還提供了低損耗、標(biāo)準(zhǔn)、高效率等多種加工優(yōu)先權(quán)選擇。

6. 石墨電極加工應(yīng)用案例
下圖所示手機(jī)模具零件的材料S136鋼料，加工形狀包含形狀復(fù)雜的加強(qiáng)筋。使用石墨電極，精加工電極使用TTK-4石墨，電極數(shù)量2個，粗加工電極尺寸縮放量單邊0.08 mm，精加工電極尺寸縮放量單邊0.08 mm。粗加工時間3H，精加工時間53 min，表面粗糙度VDI18（Ra 0.8μm）。加工說明：利用石墨的特性將不同形狀，將不同高低的眾多薄加強(qiáng)筋組合在一個電極上進(jìn)行放電加工，可減少電極原材料、夾具的投入成本，降低電極的裝夾次數(shù)和定位工作量，放電時間比使用銅電極加工縮短40%。

7. 結(jié)束語
新型石墨電極材料值得大力推廣，其優(yōu)越性將逐漸被國內(nèi)模具制造行業(yè)認(rèn)識和接受。正確選用石墨電極材料，并配合改進(jìn)相關(guān)工藝環(huán)節(jié)，將為模具制造企業(yè)帶來高效率、高品質(zhì)、低成本效益。

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