1. 序言

20世紀，銅被廣泛用作電火花加工中的電極材料。 當(dāng)時，石墨材料只能作為制作小型電極時的替代考慮，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，能夠滿足不同電火花加工要求的石墨材料層出不窮。 市場上出現(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，磨具企業(yè)90%以上的電極材料均采用石墨。 民用航空、汽車、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。

但在中國，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，綜合分析其電火花加工的優(yōu)缺點，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，并提供實際應(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，熔點極高，可達3650℃，而銅的熔點為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，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、精加工時其加工效率比銅電極高。 根據(jù)加工經(jīng)驗，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。 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粘附在電極表面形成保護層，這保證了石墨電極在粗加工時的磨損極小，甚至“零損耗”。 電火花加工中的電極損耗主要來自于粗加工，精加工的設(shè)定條件實際上損耗率較高，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。 一般來說，石墨電極在高壓的粗加工中會比銅電極磨損更多，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到（Ra0.8μm）。 現(xiàn)在石墨材料的顆粒半徑可以達到φ3μm以內(nèi)，電火花加工的最佳表面可以穩(wěn)定達到（Ra0.4μm）或更細的等級，但石墨電極很難進行鏡面電火花加工。 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，如果電火花加工追求非常精細的表面，則更適合使用銅材料作為電極，這是銅電極相對于石墨電極的主要優(yōu)點。 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題。 對于表面粗糙度要求（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程，并達到均勻一致的紋理效果，表面不會出現(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，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，局部低溫容易造成銅電極彎曲變形，而石墨電極則不會這樣做； 對于深徑比較大的銅電極，在加工設(shè)置時需要補償一定的熱膨脹值。 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僅為銅電極的1/5。 可見，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載。 電極不會因重量大而造成加工過程中裝夾不方便、偏航位移等問題。 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，通常由多個電極完成的螺孔可設(shè)計為整體電極進行加工。 石墨材料獨特的顆粒結(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，切割石墨時會形成大量的煙塵，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。 石墨材料比較脆，特別是小而窄的電極。 使用過程中受到外力時很容易扭曲、斷裂，但可以立即知道電極已損壞。 如果是銅電極，只會彎曲，不會扭曲。 這些情況是非常危險的，在使用過程中無法察覺，很容易造成型腔報廢。

2.8價格

銅材料是不可再生資源，其價格趨于越來越貴，而石墨材料價格趨于穩(wěn)定。 近年來，銅材料的價格不斷下降，各大石墨生產(chǎn)商不斷改進石墨的制作工藝，使其更具性價比。 現(xiàn)在，同等體積下，通用石墨電極材料的價格與銅電極材料的價格相當(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，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個電火花加工特性中，其優(yōu)點顯著：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。 石墨材料的缺點是不適合精細表面放電加工（Ra0.4μm），線放電切割制作電極的效率較低。 但從實際來看，影響石墨材料在國外有效推廣的一個重要因素是切割電極需要專用的石墨加工機器，這對磨具企業(yè)的加工設(shè)備提出了新的要求，而一些大企業(yè)可能沒有這個條件。 總的來說，石墨電極特性的優(yōu)勢涵蓋了電火花加工的大部分加工場合，值得推廣應(yīng)用。 常年效益可觀，采用銅電極可彌補精細表面加工的不足。

3、電火花加工用石墨電極材料的選擇

對于石墨材料來說，主要有以下四個指標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，粗加工時去除率越好，但精加工時表面治療效果差，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程中具有比較好的耐磨性。 對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）材料的肖氏強度

石墨的強度比金屬材料高，銑削時刀具的損耗也比銑削金屬大。 同時，高強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，放電穩(wěn)定性會受到影響。

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分類。 顆粒半徑≤φ4μm定義為細石墨，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切削加工制成的。 從加工工藝角度來看，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加工石墨電極，必然會出現(xiàn)片狀頻繁開裂等問題，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)濟性上來說，選擇硬質(zhì)合金刀具是最經(jīng)濟的。 選擇金剛石涂層刀具（稱為石墨刀）價格較貴，但金剛石涂層刀具使用壽命長，加工精度高，綜合經(jīng)濟效益好。 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。 加工時的切割速度可根據(jù)電極的形狀進行調(diào)整，一般為10m/min，與加工鋁或塑料類似。 粗加工時，刀具可直接在型腔內(nèi)上下移動，精加工時容易出現(xiàn)斷角、崩角的現(xiàn)象。 ，常以輕刀快走的形式出現(xiàn)。

石墨電極在銑削過程中會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。 一是采用專用石墨加工機，二是在普通加工中心上加裝、配置專用除塵裝置。 市場上的專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切割制作石墨電極，建議使用粒徑較小的細石墨材料。 石墨材料的電火花線切割性能較差，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。 但表面粗糙度會比較粗糙。

選擇的脈沖長度越大，電極磨損就會增加。 但較大的脈沖長度會使加工穩(wěn)定性變差，同時使加工速度變慢、表面變粗糙。 為了保證粗加工時較低的電極損耗，一般采用較大的脈沖長度。 當(dāng)值為100-時，可以有效實現(xiàn)石墨電極的低損耗加工。 精加工時，為了獲得精細的表面和穩(wěn)定的放電效果，宜選擇較小的脈沖長度。 與銅電極相比，石墨電極通常選擇的脈沖長度減少約 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，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度的匹配比可調(diào)整為2：3。 當(dāng)脈沖間隙較小時，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)，加工磨料鋼時一般采用正極性加工，即電極接電源負極，螺孔接電源正極。 采用較大的電壓和脈沖長度，選擇正極性加工可以獲得極低的電極磨損和治療效果。 如果極性選擇錯誤，電極磨損就會顯得很大。 只有當(dāng)表面要求精加工大于（Ra0.8μm）且采用很小的脈沖長度時，才采用正極性加工以獲得較好的表面質(zhì)量，但電極會磨損。

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，可以由銑床的專家系統(tǒng)手動生成。 一般情況下，銑床可以通過編程時選擇材料對、應(yīng)用類型、表面粗糙度值，輸入加工面積、加工深度、電極規(guī)格比例等來配置優(yōu)化的加工參數(shù)。銑床有豐富的加工參數(shù)庫用于石墨電極的電火花加工。 材料類型上可選擇粗石墨、中石墨、細石墨，以對應(yīng)各種鍵槽材料。 應(yīng)用類型細分為標準型、深槽型、尖點型、大面積型。 、大腔體、微型等，還提供低損耗、標準、高效率等多種加工優(yōu)先級選擇。

6、石墨電極加工應(yīng)用案例

右圖手機磨料件材質(zhì)為S136鋼，加工形狀包括形狀復(fù)雜的加強筋。 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。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。 粗加工時間3H，精加工時間，表面粗糙度（Ra0.8μm）。 加工說明：利用石墨的特性，將許多不同形狀和高度的細加強筋組合在一根電極上進行電火花加工，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)工作負荷、放電時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)越性將逐步被國外磨具制造行業(yè)認識和接受。 石墨電極材料的正確選擇以及相關(guān)工藝環(huán)節(jié)的改進將為磨具制造商帶來高效率、高質(zhì)量、低成本的效益。