1. 序言

20世紀(jì)，銅被廣泛用作電火花加工中的電極材料。 當(dāng)時(shí)，石墨材料只能作為制作小型電極時(shí)的替代考慮，且磨具加工要求不高或加工粗糙。 一些早期接觸過(guò)石墨電極的技術(shù)人員普遍的印象是：石墨材料臟、易夾渣、表面功效差、加工效率低等。

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，石墨材料的制造工藝不斷建立，能夠滿(mǎn)足不同電火花加工要求的石墨材料層出不窮。 市場(chǎng)上出現(xiàn)了石墨高速切削銑床，數(shù)控電火花銑床的石墨放電性能也得到全面提高。 提升。 如今，在制造技術(shù)領(lǐng)先的法國(guó)，磨具企業(yè)90%以上的電極材料均采用石墨。 民用航空、汽車(chē)、家電、電子等磨料磨具廣泛采用石墨作為電極材料。 這些明顯的變化歸功于石墨電極能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高質(zhì)量加工的諸多優(yōu)點(diǎn)。

但在中國(guó)，大多數(shù)磨具企業(yè)仍采用銅作為主要電極材料。 下面根據(jù)石墨材料的特點(diǎn)，綜合分析其電火花加工的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹如何正確選擇石墨材料、電極制造和電火花加工的要點(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 電火花加工率

石墨是一種非金屬材料，熔點(diǎn)極高，可達(dá)3650℃，而銅的熔點(diǎn)為1083℃，因此石墨電極可以承受更大的電壓設(shè)定條件。 當(dāng)放電面積和電極規(guī)格尺寸較大時(shí)，石墨材料高效粗加工的優(yōu)越性更加明顯。 石墨的導(dǎo)熱系數(shù)是銅的1/3，放電過(guò)程中形成的熱能可以更有效地利用消除金屬材料，因此在中、精加工時(shí)其加工效率比銅電極高。 根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，在正確的使用條件下，石墨電極的電火花加工速度整體上比銅電極快1.5~2倍。

2.2 電極磨損

石墨電極具有能夠承受大電壓條件的特點(diǎn)。 另外，在適當(dāng)?shù)拇旨庸ぴO(shè)定條件下，含碳元素的鋼腔加工時(shí)形成的腐蝕產(chǎn)物和低溫工作液形成的分解產(chǎn)物碳顆粒，在極性的作用下，部分被腐蝕材料和碳顆粒會(huì)粘附在電極表面形成保護(hù)層，這保證了石墨電極在粗加工時(shí)的磨損極小，甚至“零損耗”。 電火花加工中的電極損耗主要來(lái)自于粗加工，精加工的設(shè)定條件實(shí)際上損耗率較高，但由于零件預(yù)留的加工余量不多，加工侵蝕較少，總體損耗也較小。 一般來(lái)說(shuō)，石墨電極在高壓的粗加工中會(huì)比銅電極磨損更多，而在精加工中損耗可能比銅電極稍小，兩者的電極磨損相當(dāng)。

2.3 表面質(zhì)量

石墨材料的顆粒半徑直接影響電火花加工的表面粗糙度，半徑越小，可獲得的表面粗糙度值越低。 幾年前，采用顆粒半徑為φ5μm的石墨材料，電火花加工的最佳表面只能達(dá)到（Ra0.8μm）。 現(xiàn)在石墨材料的顆粒半徑可以達(dá)到φ3μm以?xún)?nèi)，電火花加工的最佳表面可以穩(wěn)定達(dá)到（Ra0.4μm）或更細(xì)的等級(jí)，但石墨電極很難進(jìn)行鏡面電火花加工。 銅材料電阻率低，結(jié)構(gòu)致密，電火花加工容易獲得穩(wěn)定的加工狀態(tài)，在困難條件下也能穩(wěn)定加工。 表面粗糙度可大于Ra0.1μm，可用于鏡面電火花加工。 。

可見(jiàn)，如果電火花加工追求非常精細(xì)的表面，則更適合使用銅材料作為電極，這是銅電極相對(duì)于石墨電極的主要優(yōu)點(diǎn)。 但在高電壓設(shè)定條件下，銅電極表面容易出現(xiàn)粗糙甚至裂紋，而石墨材料則不存在此問(wèn)題。 對(duì)于表面粗糙度要求（Ra2.0μm）左右的工件加工，使用1根石墨電極即可完成從粗到精的加工過(guò)程，并達(dá)到均勻一致的紋理效果，表面不會(huì)出現(xiàn)缺陷。 另外，由于石墨和鋁結(jié)構(gòu)的差異，石墨電極表面放電的腐蝕點(diǎn)比銅電極更加規(guī)則。 因此，當(dāng)表面粗糙度等于或高于銅電極時(shí)，石墨電極加工的螺孔表面粒徑更加明顯。 這些紋理表面的療效優(yōu)于銅電極的放電表面。

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，石墨電極在電火花加工中比銅電極更不易變形，可以獲得更穩(wěn)定可靠的加工精度。 特別是加工深而窄的筋時(shí)，局部低溫容易造成銅電極彎曲變形，而石墨電極則不會(huì)這樣做； 對(duì)于深徑比較大的銅電極，在加工設(shè)置時(shí)需要補(bǔ)償一定的熱膨脹值。 修改規(guī)范，而石墨電極則不需要。

2.5 電極重量

石墨材料的密度比銅低，相同體積的石墨電極重量?jī)H為銅電極的1/5。 可見(jiàn)，石墨材料特別適合做大體積的電極，大大減輕了電火花銑床主軸的負(fù)載。 電極不會(huì)因重量大而造成加工過(guò)程中裝夾不方便、偏航位移等問(wèn)題。 在加工中使用石墨電極是有意義的。

2.6 電極制作難度

石墨材料的機(jī)械加工性能好，磨削阻力僅為銅的1/4。 在正確的加工條件下，石墨電極的切割效率是銅電極的2~3倍。 石墨電極易于清角，通常由多個(gè)電極完成的螺孔可設(shè)計(jì)為整體電極進(jìn)行加工。 石墨材料獨(dú)特的顆粒結(jié)構(gòu)可防止電極切割成型后毛刺的形成。 直接滿(mǎn)足不易去除毛刺的復(fù)雜形狀的要求。 省去了電極的手工拋光工序，并防止拋光引起的形狀變化。 、尺寸誤差等

需要注意的是，由于石墨是煤塵沉積物，切割石墨時(shí)會(huì)形成大量的煙塵，因此切割銑床必須有密封和吸塵裝置。 如果需要采用電火花線(xiàn)切割加工石墨電極，其加工性能不如銅材料，且切割速度比銅慢40%左右。

2.7 電極安裝與使用

石墨材料具有良好的粘結(jié)性，可以使用導(dǎo)電膠將石墨與夾具粘結(jié)，進(jìn)行電極切割和放電加工，可以省去在電極材料上加工螺母孔的工序，節(jié)省工時(shí)。 石墨材料比較脆，特別是小而窄的電極。 使用過(guò)程中受到外力時(shí)很容易扭曲、斷裂，但可以立即知道電極已損壞。 如果是銅電極，只會(huì)彎曲，不會(huì)扭曲。 這些情況是非常危險(xiǎn)的，在使用過(guò)程中無(wú)法察覺(jué)，很容易造成型腔報(bào)廢。

2.8價(jià)格

銅材料是不可再生資源，其價(jià)格趨于越來(lái)越貴，而石墨材料價(jià)格趨于穩(wěn)定。 近年來(lái)，銅材料的價(jià)格不斷下降，各大石墨生產(chǎn)商不斷改進(jìn)石墨的制作工藝，使其更具性?xún)r(jià)比。 現(xiàn)在，同等體積下，通用石墨電極材料的價(jià)格與銅電極材料的價(jià)格相當(dāng)。 但石墨能夠?qū)崿F(xiàn)的高效加工，相比使用銅電極節(jié)省了大量的工時(shí)，相當(dāng)于直接增加了生產(chǎn)成本。

綜上所述，在石墨電極的8個(gè)電火花加工特性中，其優(yōu)點(diǎn)顯著：軋制電極和電火花加工的效率明顯優(yōu)于銅電極，大電極重量小，規(guī)格穩(wěn)定性好，并且細(xì)的電極不易發(fā)生變形，表面質(zhì)感比銅好。 石墨材料的缺點(diǎn)是不適合精細(xì)表面放電加工（Ra0.4μm），線(xiàn)放電切割制作電極的效率較低。 但從實(shí)際來(lái)看，影響石墨材料在國(guó)外有效推廣的一個(gè)重要因素是切割電極需要專(zhuān)用的石墨加工機(jī)器，這對(duì)磨具企業(yè)的加工設(shè)備提出了新的要求，而一些大企業(yè)可能沒(méi)有這個(gè)條件。 總的來(lái)說(shuō)，石墨電極特性的優(yōu)勢(shì)涵蓋了電火花加工的大部分加工場(chǎng)合，值得推廣應(yīng)用。 常年效益可觀，采用銅電極可彌補(bǔ)精細(xì)表面加工的不足。

3、電火花加工用石墨電極材料的選擇

對(duì)于石墨材料來(lái)說(shuō)，主要有以下四個(gè)指標(biāo)直接決定材料的性能：

1）材料的平均顆粒半徑

物料的平均顆粒半徑直接影響物料的排出狀況。 石墨材料的平均粒徑越小，材料的排出越均勻，排出狀況越穩(wěn)定，表面質(zhì)量越好，磨損越小； 平均粒徑越大，粗加工時(shí)去除率越好，但精加工時(shí)表面治療效果差，電極磨損。

2）材料的彎曲硬度

材料的彎曲硬度是材料硬度的直接表現(xiàn)，顯示材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度。 硬度高的材料在放電過(guò)程中具有比較好的耐磨性。 對(duì)于精度要求較高的電極，應(yīng)盡可能選擇硬度較好的材料。

3）材料的肖氏強(qiáng)度

石墨的強(qiáng)度比金屬材料高，銑削時(shí)刀具的損耗也比銑削金屬大。 同時(shí)，高強(qiáng)度石墨材料在放電損失的控制方面表現(xiàn)優(yōu)異。

4）材料的本征內(nèi)阻

具有較大內(nèi)阻的石墨材料比具有較小內(nèi)阻的石墨材料具有更慢的放電速率。 本征內(nèi)電阻率越高，電極損耗越小，但當(dāng)本征內(nèi)電阻率較低時(shí)，放電穩(wěn)定性會(huì)受到影響。

目前，世界著名石墨供應(yīng)商中的不同供應(yīng)商都有多種不同鋼種的石墨可供選擇。 一般根據(jù)石墨材料的平均顆粒半徑來(lái)分類(lèi)。 顆粒半徑≤φ4μm定義為細(xì)石墨，粒徑為φ5~φ10μm定義為中石墨，粒徑為10μm以上定義為粗石墨。 顆粒半徑越小，材料越貴，可根據(jù)電火花加工的要求和成本選擇合適的石墨材料。

4. 石墨電極的制作

磨具制造中的石墨電極主要是通過(guò)切削加工制成的。 從加工工藝角度來(lái)看，石墨和銅是兩種不同的材料，應(yīng)掌握其不同的磨削特性。 如果用加工銅電極的工藝來(lái)加工石墨電極，必然會(huì)出現(xiàn)片狀頻繁開(kāi)裂等問(wèn)題，這就需要使用合適的磨削工具和磨削參數(shù)。

加工石墨電極的工具比銅電極更容易生銹。 從經(jīng)濟(jì)性上來(lái)說(shuō)，選擇硬質(zhì)合金刀具是最經(jīng)濟(jì)的。 選擇金剛石涂層刀具（稱(chēng)為石墨刀）價(jià)格較貴，但金剛石涂層刀具使用壽命長(zhǎng)，加工精度高，綜合經(jīng)濟(jì)效益好。 刀具前角的大小也影響其使用壽命。 前角為0°的刀具比前角為15°的刀具使用壽命最多延長(zhǎng)50%。 表面越好，使用15°斜角的刀具可以獲得最佳的加工表面。 加工時(shí)的切割速度可根據(jù)電極的形狀進(jìn)行調(diào)整，一般為10m/min，與加工鋁或塑料類(lèi)似。 粗加工時(shí)，刀具可直接在型腔內(nèi)上下移動(dòng)，精加工時(shí)容易出現(xiàn)斷角、崩角的現(xiàn)象。 ，常以輕刀快走的形式出現(xiàn)。

石墨電極在銑削過(guò)程中會(huì)形成大量的煙霧和粉塵。 為了防止石墨顆粒被吸入銑床主軸和螺栓中，目前主要有兩種解決方案。 一是采用專(zhuān)用石墨加工機(jī)，二是在普通加工中心上加裝、配置專(zhuān)用除塵裝置。 市場(chǎng)上的專(zhuān)用石墨高速切削銑床切削效率高，可以輕松完成復(fù)雜電極的制造，電極精度高，表面質(zhì)量好。

如果需要采用電火花線(xiàn)切割制作石墨電極，建議使用粒徑較小的細(xì)石墨材料。 石墨材料的電火花線(xiàn)切割性能較差，顆粒半徑越小，可以獲得越高的切割效率，并可以防止斷絲頻繁、表面發(fā)白等異常問(wèn)題。

5、石墨電極電火花加工參數(shù)

石墨和銅材料的電火花加工參數(shù)選擇有很大差異。 EDM參數(shù)主要包括電壓、脈沖長(zhǎng)度、脈沖間隙、極性。 下面介紹合理使用該主要參數(shù)的理由。

石墨電極的電壓密度通常為10~12A/cm2，遠(yuǎn)大于銅電極。 因此，在相應(yīng)區(qū)域允許的電壓范圍內(nèi)，電壓選擇越大，石墨電火花加工速度越快，電極消耗越小。 但表面粗糙度會(huì)比較粗糙。

選擇的脈沖長(zhǎng)度越大，電極磨損就會(huì)增加。 但較大的脈沖長(zhǎng)度會(huì)使加工穩(wěn)定性變差，同時(shí)使加工速度變慢、表面變粗糙。 為了保證粗加工時(shí)較低的電極損耗，一般采用較大的脈沖長(zhǎng)度。 當(dāng)值為100-時(shí)，可以有效實(shí)現(xiàn)石墨電極的低損耗加工。 精加工時(shí)，為了獲得精細(xì)的表面和穩(wěn)定的放電效果，宜選擇較小的脈沖長(zhǎng)度。 與銅電極相比，石墨電極通常選擇的脈沖長(zhǎng)度減少約 40%

脈沖間隙主要影響電火花加工速率和加工穩(wěn)定性。 該值越大，加工穩(wěn)定性越好，有利于獲得更好的表面均勻性，但加工速率會(huì)增加。 在保證加工穩(wěn)定的情況下，可選擇較小的脈沖間隙，以獲得較高的加工效率，但當(dāng)放電狀態(tài)不穩(wěn)定時(shí)，可選擇較大的脈沖間隙，以獲得較高的加工效率。 在石墨電極電火花加工中，脈沖間隙和占空比長(zhǎng)度一般設(shè)置為1：1，而在一般銅電極加工中，脈沖間隙和占空比長(zhǎng)度設(shè)置為1：3。 在石墨加工穩(wěn)定的情況下，脈沖間隙與占空比長(zhǎng)度的匹配比可調(diào)整為2：3。 當(dāng)脈沖間隙較小時(shí)，有利于在電極表面生成覆蓋層，有利于減少電極磨損。

石墨電極電火花加工中極性的選擇與銅電極基本相同。 根據(jù)電火花加工的極性效應(yīng)，加工磨料鋼時(shí)一般采用正極性加工，即電極接電源負(fù)極，螺孔接電源正極。 采用較大的電壓和脈沖長(zhǎng)度，選擇正極性加工可以獲得極低的電極磨損和治療效果。 如果極性選擇錯(cuò)誤，電極磨損就會(huì)顯得很大。 只有當(dāng)表面要求精加工大于（Ra0.8μm）且采用很小的脈沖長(zhǎng)度時(shí)，才采用正極性加工以獲得較好的表面質(zhì)量，但電極會(huì)磨損。

當(dāng)今的數(shù)控電火花加工銑床配備了石墨電火花加工參數(shù)。 電氣參數(shù)的使用是智能化的，可以由銑床的專(zhuān)家系統(tǒng)手動(dòng)生成。 一般情況下，銑床可以通過(guò)編程時(shí)選擇材料對(duì)、應(yīng)用類(lèi)型、表面粗糙度值，輸入加工面積、加工深度、電極規(guī)格比例等來(lái)配置優(yōu)化的加工參數(shù)。銑床有豐富的加工參數(shù)庫(kù)用于石墨電極的電火花加工。 材料類(lèi)型上可選擇粗石墨、中石墨、細(xì)石墨，以對(duì)應(yīng)各種鍵槽材料。 應(yīng)用類(lèi)型細(xì)分為標(biāo)準(zhǔn)型、深槽型、尖點(diǎn)型、大面積型。 、大腔體、微型等，還提供低損耗、標(biāo)準(zhǔn)、高效率等多種加工優(yōu)先級(jí)選擇。

6、石墨電極加工應(yīng)用案例

右圖手機(jī)磨料件材質(zhì)為S136鋼，加工形狀包括形狀復(fù)雜的加強(qiáng)筋。 采用石墨電極，精加工電極采用TTK-4石墨，電極數(shù)量為2個(gè)。粗加工電極的氧化皮為一側(cè)0.08mm，精加工電極的氧化皮為一側(cè)0.08mm。 粗加工時(shí)間3H，精加工時(shí)間，表面粗糙度（Ra0.8μm）。 加工說(shuō)明：利用石墨的特性，將許多不同形狀和高度的細(xì)加強(qiáng)筋組合在一根電極上進(jìn)行電火花加工，可以減少電極原材料和夾具的投入成本，減少電極裝夾和定位的次數(shù)工作負(fù)荷、放電時(shí)間比銅電極加工縮短40%。

七、結(jié)論

新型石墨電極材料值得大力推廣，其優(yōu)越性將逐步被國(guó)外磨具制造行業(yè)認(rèn)識(shí)和接受。 石墨電極材料的正確選擇以及相關(guān)工藝環(huán)節(jié)的改進(jìn)將為磨具制造商帶來(lái)高效率、高質(zhì)量、低成本的效益。