1 前言
    石墨具有較高的高溫強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、較好的可加工性和良好的熱、電導(dǎo)率，因此石墨電極廣泛應(yīng)用于冶金、電爐、電火花加工等領(lǐng)域。在電火花加工方面，新型石墨電極材料及其加工技術(shù)的發(fā)展擴(kuò)展了電火花加工的應(yīng)用范圍，提高了其使用性能。
石墨電極與銅電極相比具有電極消耗小、加工速度快、機(jī)械加工性能好、加工精度高、熱變形小、重量輕、表面處理容易、耐高溫、加工溫度高、電極可粘結(jié)等優(yōu)點(diǎn)。
    盡管石墨是一種非常容易切削的材料，但由于用作EDM電極的石墨材料必須具有足夠的強(qiáng)度以免在操作和EDM加工過程中受到破壞，同時(shí)電極形狀(薄壁、小圓角、銳變)等也對石墨電極的晶粒尺寸和強(qiáng)度提出較高的要求，這導(dǎo)致在加工過程中石墨工件容易崩碎，刀具容易磨損。因此如何防止工件崩碎、提高表面加工質(zhì)量、降低加工刀具成本成為石墨電極加工的一個(gè)重要問題。
    通常用常規(guī)的車削、銑削、磨削方法可以滿足加工簡單形狀電極的需求，但近年來對電極幾何形狀復(fù)雜性的要求持續(xù)增加。高速加工的高加工表面質(zhì)量和高加工精度使得石墨電極的高速加工已成為模具EDM加工中的一個(gè)熱點(diǎn)，許多生產(chǎn)廠家都已推出了石墨高速加工中心。例如Makino SNC64數(shù)控高速石墨銑床、Rö:ders RFM系列機(jī)床等，主軸轉(zhuǎn)速通常在10000～60000r/min，進(jìn)給速度可達(dá)60m/min 以上，加工壁厚小于1mm，最小圓角半徑小于0.2mm。
    由于EDM石墨電極高速加工仍屬一種新的工藝，不同石墨材料加工性能也各不相同，對于石墨電極高速加工中的工件崩碎、刀具磨損、加工策略等問題，國內(nèi)極少有文獻(xiàn)提及。本文介紹了日本、德國等在高性能石墨電極材料機(jī)械加工方面的研究成果，包括石墨電極材料的切削機(jī)理、切削溫度、刀具磨損、切屑處理等方面的基本理論，以及石墨電極高速加工策略、加工參數(shù)選擇等內(nèi)容。
2 石墨電極高速切削機(jī)
石墨電極高速切削過程
    Masuda(1996)用高速攝影觀察了燒結(jié)碳(2000℃以下燒結(jié))和石墨(2500℃以上燒結(jié))的車削過程，認(rèn)為兩者的切屑形成過程大致是:在刀具切削刃與工件接觸時(shí)，產(chǎn)生了一條裂紋擴(kuò)展，工件的一部分因刀具推進(jìn)發(fā)生破碎，形成切屑。碳相材料切削時(shí)的大多數(shù)裂紋向下擴(kuò)展，切屑散落于刀具表面或堆積在前刀面：石墨切削裂紋沿切削方向擴(kuò)展，大多數(shù)切屑沿前刀面滑動(dòng)，因而產(chǎn)生刀具月牙洼磨損。
    Kö:nig(1998)在研究石墨高速銑削過程后認(rèn)為:石墨切屑的形成與陶瓷等脆性材料有很大相似之處，在刀尖處有擠壓破碎，形成細(xì)小切屑和細(xì)小凹坑，切削產(chǎn)生的裂紋會(huì)向刀尖前下方延伸擴(kuò)展，再擴(kuò)展到自由表面，形成斷裂凹坑，并可用斷裂力學(xué)來解釋：切屑與刀具前刀面的接觸狀態(tài)分為切削接觸沖擊區(qū)和切屑沿前刀面的滑移區(qū)，它們分別導(dǎo)致不同的刀具磨損形態(tài)。
    影響切削過程的因素主要有:切削速度、切削進(jìn)給量、刀具幾何參數(shù)、工具材料和刀具磨損。
石墨電極高速切削的切削力和切削溫度
    石墨電極材料的切削力只有切削鋁、銅等韌性金屬的10%左右，因此切削力通常不是研究的重點(diǎn)。而實(shí)驗(yàn)測得石墨材料的車削溫度均不高，在Vc =500m/min 左右時(shí)，最高溫度在160～300℃之間，且與切削速度呈線性關(guān)系。據(jù)此推論，即使Vc = 500m/min，切削溫度也不會(huì)超過500℃，對切削過程的影響不太大。
3 石墨電極高速加工刀具磨損
    刀具磨損是石墨電極加工中最重要的問題。磨損量不僅影響刀具損耗費(fèi)用、加工時(shí)間、加工質(zhì)量，而且影響電極EDM加工工件材料的表面質(zhì)量，是優(yōu)化高速加工的重要參數(shù)。
石墨電極高速加工刀具磨損機(jī)理
    石墨電極材料加工的主要刀具磨損區(qū)域?yàn)榍暗睹婧秃蟮睹�。在前刀面上，刀具與破碎切屑區(qū)的沖擊接觸產(chǎn)生沖擊磨粒磨損，沿工具表面滑動(dòng)的切屑產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦磨損。
    前刀面沖擊磨損 切屑顆粒在刀具前刀面產(chǎn)生的沖擊有兩種形式，一種是與前刀面呈一定角度的沖擊，這種沖擊導(dǎo)致表面層脫落或剝落：另一種是切削沖擊，即石墨切屑在刀具前刀面產(chǎn)生微切削，最大切削溝痕寬度達(dá)150nm，沖擊區(qū)磨損形成了前刀面月牙洼磨損。
    前刀面滑動(dòng)區(qū)刀具磨損 在前刀面的滑動(dòng)磨損區(qū)，石墨碎屑對前刀面有一定的保護(hù)作用。后刀面磨損主要是刀具后刀面與已加工表面的機(jī)械摩擦磨損
    工件材料:EK85：晶粒尺寸:13µm：刀具:立銑刀，D=12mm，Z=2：切削條件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm
影響高速加工刀具磨損的因素
    切削速度 切削速度增大，雖然大塊斷裂面積增加，但KT減小，KB大致不變，同時(shí)月牙洼磨損截面積減小。隨著切削速度的增大，在摩擦面生成的石墨潤滑膜增厚，表面磨損系數(shù)減小，所以刀具磨損下降很快，這也是采用高速加工石墨優(yōu)越性的一個(gè)重要原因。
刀具材料 刀具材料對沖擊磨損量的影響很大。一般刀具材料HV提高，則KT下降。刀具材料對刀具磨損的影響。
     硬質(zhì)合金刀具加工石墨電極材料時(shí)的磨損機(jī)理:在滑動(dòng)區(qū)因微切削和表面疲勞破壞產(chǎn)生磨損：最終導(dǎo)致刀具粘結(jié)相(Co)磨粒磨損和耐磨損相(WC)的磨損、產(chǎn)生裂紋和斷裂脫落。增大WC 的顆粒尺寸和減小Co 相的顆粒尺寸，可使刀具磨損下降。刀具表面有時(shí)會(huì)有石墨粘結(jié)。
聚晶金剛石刀具磨損是由石墨切屑對結(jié)合相的磨損以及金剛石破碎后引起的二次磨粒磨損組成。刀具表面通常有一層粘附石墨形成的潤滑膜，其耐磨性是硬質(zhì)合金K10的1～2倍。
    金剛石薄膜刀具表面通常有強(qiáng)烈的石墨粘附，并有金剛石表面損傷破碎，沒有月牙洼磨損。它屬于宏觀沖擊磨損，而不是機(jī)械磨料磨損。涂層基體硬質(zhì)合金表面處理效果影響涂層效率，也對刀具壽命有很大影響。金剛石薄膜刀具的壽命可達(dá)K10的100倍，并優(yōu)于PCD刀具。
硬質(zhì)合金涂層刀具(TiN等)可顯著改善刀具耐磨性。
Al2O3陶瓷刀具并不適合切削石墨材料。
    工件材料:EK85：晶粒尺寸:13µm：刀具:平底立銑刀，D=12mm，Z=2：刀具材料:硬質(zhì)合金K10：磨鈍標(biāo)準(zhǔn):VB=0.1mm
    刀具:平底立銑刀，D=6mm，Z=2：刀具材料:硬質(zhì)合金K10：磨鈍標(biāo)準(zhǔn):VB=0.12mm：切削條件:Vc=600m/min，fz=0.06mm，ap=6mm，ae=1mm
    刀具:平底立銑刀，D=6mm，Z=2：刀具材料:HM K10：切削條件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm
    進(jìn)給量 提高銑刀每齒進(jìn)給量，KB、KL、KT均增大。增加每齒的切削寬度，即增加了平均切屑厚度，因此切削沖擊上升，刀具磨損上升。從圖6中可看出銑削寬度大于銑刀半徑后切削狀況的改變。
    刀具角度 刀具前角增大，改變了切屑顆粒沖擊角度，KT下降，但KB變化不大：后角增大，則刀具鋒利性增大，后刀面磨損減�。褐髌�角的變化，改變了切削受力方向和實(shí)際切削面積，因此隨著主偏角增大，刀具磨損也下降，刀具耐用度得到提高。
    石墨電極材料 石墨電極材料對刀具磨損有很大影響。如圖8所示，高速加工時(shí)石墨晶粒尺寸越小，刀具壽命越高，刀具壽命大致與抗彎強(qiáng)度和肖氏硬度呈正比。此外石墨電極材料石墨化程度及浸漬材料成分、填充材料粒度，也對刀具磨損有一定的影響。
    刀具結(jié)構(gòu) 高速銑削常用球頭銑刀和平底銑刀進(jìn)行加工。當(dāng)采用球頭立銑刀加工曲面，其切削速度從外到里是下降的，因此刀具頂部易于磨損。平底立銑刀可加工臺(tái)階輪廓，加工余量波動(dòng)強(qiáng)烈，加工出的工具輪廓波動(dòng)使精加工刀具受到強(qiáng)烈損害。相同條件下這兩種刀具比較，平底立銑刀的切削距離比球頭立銑刀的長。
    銑削方向 在高速銑削加工中銑削加工方向是十分重要的。相同條件下進(jìn)行順銑和逆銑加工時(shí)，由于破碎顆粒量的不同以及刀具實(shí)際切入沖擊的不同，刀具壽命也不相同，逆銑的刀具壽命高于順銑刀具壽命。
     工件材料:V1364：粒度:7µm：刀具:平底立銑刀，D=6mm：刀具材料:硬質(zhì)合金K10：切削條件:Vc=600m/min，fz=0.074mm，ap=3mm，ae=0.35mm，Rth=5µm
   機(jī)床費(fèi)用:200DM/h：換刀時(shí)間:30s：工件材料:EK85：晶粒尺寸:13µm：切削條件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm：磨鈍標(biāo)準(zhǔn):VB=0.1mm
4 石墨電極銑削加工策略
基本原則
    傳統(tǒng)電加工工藝中電極垂直運(yùn)動(dòng)，因此相應(yīng)的三軸銑削加工寬度不受限制。在NC控制的電火花機(jī)床上，為滿足一些特殊要求，可進(jìn)行多軸和垂直進(jìn)給電火花加工。電極幾何參數(shù)是很復(fù)雜的，難以根據(jù)幾何形狀分類，可根據(jù)型腔表面特征大致分為兩類:1)自由表面成形電極:有圓角調(diào)節(jié)面，無銳利腔體和邊角，可使用球頭銑刀加工，銑削加工路徑長，耗時(shí)多：2)棱柱面電極:由棱柱面構(gòu)成，無圓角，有最簡單的彎曲面、柱面和銳角邊，通�？墒褂闷降琢�銑刀加工。
    石墨高速加工的經(jīng)濟(jì)性關(guān)系到切削和磨損機(jī)理的影響，因此有必要針對刀具和加工工具幾何特性、機(jī)床、切屑處理等對切削參數(shù)、加工策略等進(jìn)行優(yōu)化。
加工條件的優(yōu)化
    前面詳細(xì)分析了影響石墨的加工機(jī)理和刀具磨損的若干因素，下面簡要闡述如何優(yōu)化加工條件。
刀具材料 粗加工時(shí)，切削速度越高，刀具磨損越小，加工成本也越低。當(dāng)切削速度大于900m/min時(shí)，硬質(zhì)合金刀具、金剛石涂層刀具和聚晶金剛石刀具的單位切削長度所需成本差別不大。因此推薦在低速切削時(shí)使用涂層金剛石刀具。精加工時(shí)，計(jì)算每刀刃刀具成本時(shí)，金剛石涂層刀具最好，聚晶金剛石刀具次之，硬質(zhì)合金刀具最差：但若計(jì)算單個(gè)刀具成本，由于聚晶金剛石刀具有較好的重刃磨性，因此聚晶金剛石刀具的刀具成本最低。推薦小直徑刀具使用金剛石涂層刀具，此時(shí)加工最經(jīng)濟(jì)。
刀具幾何參數(shù) 刀具前角、后角的增大，可增大容屑空間。粗加工時(shí)，前角在6°左右較好，后角應(yīng)小于15°，刀具主偏角與側(cè)刃磨損無關(guān)。精加工時(shí)，前角在6～10°之間較好，盡管主偏角大時(shí)刀具磨損量下降，但這會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度波動(dòng)量增大，因此主偏角小于30°較好，太大則不適于精加工。
    切削參數(shù) 每齒切削量與刀具磨損相關(guān)，而進(jìn)給量和切削速度的最大值與機(jī)床特性有關(guān)，同時(shí)刀桿承載和細(xì)刀桿加工時(shí)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)也與機(jī)床性能有關(guān)。切削參數(shù)選擇原則為:1)根據(jù)機(jī)床、刀具夾頭等給定條件確定刀具齒數(shù)，防止刀具振動(dòng)：2)在切削刀具強(qiáng)度、切削深度和切削寬度范圍內(nèi)，計(jì)算最大許可每齒進(jìn)給量：3)依據(jù)機(jī)床進(jìn)給和機(jī)床進(jìn)給加速度特性，在恒定每齒進(jìn)給量時(shí)確定最大切削主軸轉(zhuǎn)速：4)最終選定穩(wěn)定的最大主軸轉(zhuǎn)速，并使之與每齒進(jìn)給量相適應(yīng)。
    車削加工時(shí)推薦聚晶金剛石刀具的加工參數(shù)為:粗加工時(shí)Vc=200～400m/min，fz=0.02～0.04mm/齒，切削深度小于1.5mm：精加工時(shí)Vc=25～100m/min，fz=0.02～0.1mm/齒，切削深度小于0.5mm。
石墨電極高速加工策略
    石墨電極高速粗加工和精加工的策略是不同的。一般粗加工應(yīng)為精加工留較少的余量，所以在使用小直徑刀具時(shí)，應(yīng)采用高進(jìn)給(切削進(jìn)給和走刀進(jìn)給)。在使刀具磨損量最小化的前提下，獲得高的單位切削體積和單刀刃有效切入量，殘余切削量要滿足精加工的要求：精加工的目標(biāo)是以最短的加工時(shí)間獲得最高的加工質(zhì)量，應(yīng)使最佳表面質(zhì)量與最小刀具磨損量之比最佳化。加工時(shí)應(yīng)提高加工速度、縮短加工時(shí)間，使切入量變化引起的加工過程不穩(wěn)定最小化，使刀具壽命最大化。
    自由表面成形電極的高速加工策略主要是優(yōu)化考慮了局部加工余量的切削加工路徑。
工件材料:EK85：石磨粒度:13µm：刀具:球頭銑刀，D=10mm，Z=2
    工件材料:EK85：晶粒尺寸:13µm：石墨粒度:D=6mm，Ik=50mm：刀具材料:硬質(zhì)合金K10：切削條件:Vc=600m/min，fz=0.044mm，Rth=10µm
粗加工
    通常石墨電極是在整塊材料上進(jìn)行的，加工余量很容易描述，其加工目標(biāo)就是在最短時(shí)間內(nèi)切除最大量的材料。粗加工可以采用仿形銑削或輪廓銑削的方式。仿形銑削采用球頭銑刀，切削深度和切削寬度均在變化中，切削深度小，刀具磨損快，加工時(shí)間長：輪廓銑削采用平底銑刀，加工時(shí)間短，刀具磨損小。在輪廓銑削中，可沿包絡(luò)線軌跡進(jìn)行銑削，即以之字形對加工面進(jìn)給銑削后再加工，切削寬度固定，沒有太多的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過快速加速可達(dá)到很大的進(jìn)給量。沿輪廓軌跡加工則是采用傳統(tǒng)的加工方法，對局部的輪廓面依次加工。粗加工工藝的優(yōu)劣取決于根據(jù)工具表面輪廓曲線函數(shù)進(jìn)行的NC 編程，使得可沿包絡(luò)等高線進(jìn)行快速、簡易的銑削加工。
精加工
     精加工應(yīng)使加工穩(wěn)定，有較小的形狀誤差和良好的表面質(zhì)量，同時(shí)刀具磨損量小。刀具磨損和加工成本是主要考慮的因素。在精加工中，對彎角的處理要考慮銑削方向?qū)�加工精度和表面質(zhì)量的影響，后者與刀具承載和機(jī)床振動(dòng)等有關(guān)。在沿曲面進(jìn)給銑削時(shí)會(huì)出現(xiàn)拉銑(向上走刀)或鉆銑(向下走刀)現(xiàn)象，刀具的變形會(huì)導(dǎo)致工件輪廓偏差(圖12)。鉆銑的輪廓偏差小于拉銑加工，而逆銑加工輪廓偏差也優(yōu)于順銑。因此考慮到刀具質(zhì)量的臨界條件和加工過程穩(wěn)定可靠性，沿平面輪廓銑削時(shí)的最佳策略應(yīng)是采用逆銑和平面輪廓銑削的組合。此外在順銑時(shí)，包絡(luò)等高線銑削的切削刀具壽命大于鉆銑加工，逆銑時(shí)兩者差不多。
棱柱面加工
    棱柱面加工的主要問題是模具局部邊角的斷裂，應(yīng)主要考慮切削力的作用方向。下面以加工圖13中底板和立板各邊為例。
    加工底板邊 順銑時(shí)表面粗糙度變化不大，底邊角邊質(zhì)量好，但逆銑時(shí)表面粗糙度值變大，底邊角邊質(zhì)量下降。為獲得高質(zhì)量邊角，應(yīng)先對其邊進(jìn)行順銑加工。
    加工立板 兩側(cè)邊在順銑時(shí)受力方向各不相同，即一邊是壓入，一邊是壓出。因此實(shí)際進(jìn)給方向在切削各邊角時(shí)必須有所改變。
    加工立板頂面邊角 應(yīng)通過改變逆銑時(shí)的切入點(diǎn)位置使切入位置可避免工件角邊破碎。刀具角度如主偏角等對這種崩邊有很大影響，一般控制在30°左右。
    為了防止加工過程中產(chǎn)生缺角，還可采取以下措施:(1)在電極加工前先在加工液中浸泡：(2)使用耐磨性好的刀具：(3)采用順銑(向下走刀)的方法進(jìn)行加工：(4)切削時(shí)減少刀具的切入量：(5)切削刀具的螺距切入量小于刀具直徑的1/2：(6)加工兩端部時(shí)進(jìn)行減速加工：(7)加工下方時(shí)使用墊板增強(qiáng)終端面的剛性：(8)在對上面的彎曲部與側(cè)面之間的角部進(jìn)行加工時(shí)，如果容易產(chǎn)生細(xì)小裂縫，則應(yīng)在完成上面彎曲部的加工后，再對側(cè)面進(jìn)行精加工。
切屑處理
    盡管石墨是一種很穩(wěn)定的材料，對人體健康沒有直接不良影響，用肥皂很容易清洗干凈。但是石墨切屑可能以粉塵、污染物等形式影響環(huán)境安全，此外粉塵也對人體有害。因此加工時(shí)最好使用吸塵設(shè)備和口罩。
    切屑形態(tài)是通過粉屑、斷裂切屑以及所使用的切削介質(zhì)來影響刀具磨損的。研究表明:濕切削時(shí)的石墨顆粒是由流動(dòng)導(dǎo)致刀具磨損的，而外部吹風(fēng)的干切削刀具壽命高于普通干切削加工。強(qiáng)烈吹風(fēng)可避免石墨顆粒的二次磨損。加工浸漬電解質(zhì)后的石墨時(shí)，刀具磨損急劇下降。
此外必須高度重視石墨粉末的清理，應(yīng)配有將精加工石墨粉吸入潮濕裝置的設(shè)備，在粗加工時(shí)則要有清潔循環(huán)并間斷地過濾。