淺談石墨電極在模具加工中的應(yīng)用

本文精辟地介紹了石墨電極材料特性和加工特點，并以掛機面板注射模定模芯石墨電極為例詳細闡述了普通石墨電極的加工方法和編程要點，通過采用石墨電極取代銅電極進行模具制造，大大縮短了模具的制造周期，提高了勞動生產(chǎn)效率，降低了模具的制造成本。

    近年來隨著精密模具及高效模具（模具周期越來越短）的推出，人們對模具制作的要求越來越高，由于銅電極自身種種條件的限制，已越來越不能滿足模具行業(yè)的發(fā)展要求。石墨作為EDM電極材料，以其高切削性、重量輕、成形快、膨脹率極小、損耗小、修整容易等優(yōu)點，在模具行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，代替銅電極已成為必然。

一、石墨電極材料特性

    1.CNC加工速度快、切削性高、修整容易

    石墨機加工速度快，為銅電極的3～5倍，精加工速度尤其突出，且其強度很高，對于超高（50～90mm）、超薄（0.2～0.5mm）的電極，加工時不易變形。而且在很多時候，產(chǎn)品都需要有很好的紋面效果，這就要求在做電極時盡量做成整體公電極，而整體公電極制作時存在種種隱性清角，由于石墨的易修整的特性，使得這一難題很容易得到解決，并且大大減少了電極的數(shù)量，而銅電極卻無法做到。

    2.快速EDM成形、熱膨脹小、損耗低

    由于石墨的導(dǎo)電性比銅好，所以它的放電速度比銅快，為銅的3~5倍。且其放電時能承受住較大電流，電火花粗加工時更為有利。同時，同等體積下，石墨重量為銅的1/5倍，大大減輕EDM的負荷。對于制作大型的電極、整體公電極極具優(yōu)勢。石墨的升華溫度為4200℃，為銅的3~4倍(銅的升華溫度為 1100℃)。在高溫下，變形極�。ㄍ�等電氣條件下為銅的1/3~1/5），不軟化。可以高效、低耗地將放電能量傳送到工件上。由于石墨在高溫下強度反而增強，能有效地降低放電損耗（石墨損耗為銅的1/4），保證了加工質(zhì)量。

    3.重量輕、成本低

    一套模具的制作成本中，電極的CNC機加工時間、EDM時間、電極損耗等占總體成本的絕大部分，而這些都是由電極材料本身所決定。石墨與銅相比，石墨的機加工速度和EDM速度都是銅的3～5倍。同時，磨損極小的特性與整體公石墨電極的制作，都能減少電極的數(shù)量，也就減少了電極的耗材與機加工時間。所有這些，都可大大降低模具的制作成本。

二、石墨電極機電加工要求與特點

    1.電極的制作

    專業(yè)的石墨電極制作主要采用高速機床來加工，機床穩(wěn)定性要好，三軸運動要均勻穩(wěn)定不振動，而且像主軸這些回轉(zhuǎn)精度也要盡可能的好。對一般的機床也可以完成電極的加工，只是編寫刀路的工藝與銅電極有所不同。

    2.EDM放電加工

    石墨電極就是碳電極。因為石墨的導(dǎo)電性能好，所以在放電加工中能節(jié)省大量時間，這也是用石墨做電極的原因之一。

    3.石墨電極的加工特點

    工業(yè)用石墨質(zhì)硬而脆， 在C N C加工時對刀具的磨損較為嚴(yán)重，一般建議使用硬質(zhì)合金或金剛石涂層的刀具。石墨在粗加工時刀具可直接在工件上下刀，精加工時為避免崩角、碎裂的發(fā)生，常采用輕刀快走的方式加工。一般而言，石墨在切深小于0.2mm的情況下很少發(fā)生崩碎，還會獲得較好的側(cè)壁表面質(zhì)量。石墨電極CNC加工時產(chǎn)生的灰塵比較大，可能入侵到機床的導(dǎo)軌絲桿和主軸等，這就要求石墨加工機床有相應(yīng)的處理石墨灰塵的裝置，機床密封性也要好，因為石墨有毒。

三、加工石墨電極實例

    如圖1所示的是掛機面板注射模定模芯石墨電極，其毛坯尺寸為182mm×42mm×65mm，中間小槽最大寬度為3.1mm，最大槽深為5.1mm，整體加工高度為64mm。

    這種類型電極的外形尺寸中等，形狀較為復(fù)雜，在石墨電極中為較普遍的模型。整個模型采用Pro/ENGINEER的Wildfire2.0進行數(shù)控加工，不過，在加工之前先在煤油中浸泡數(shù)小時，降低其脆性。由于中間槽小且不規(guī)則，CAM的加工策略為：先粗加工整體外形，再精加工成形曲面及下端相連曲面，接著粗加工中間小槽，最后精加工中間小槽。

1. 整體粗加工

    使用D 2 0 （ R 1 ） 涂層鑲片銑刀， 采用螺旋加工方式（ T Y P E _ S P I R A L ） ， 切深( S T E P _ D E P T H ) 0 . 3 5 m m ， 步距( S I D E _ S T E P ) 8 m m，輪廓余量（PROF_STOCK_ALLOW）0.35mm，粗加工余量（ROUGH_STOCK_ALLOW）0.35mm，底部余量（BTTOM_STOCK_

A L L O W ） 0 . 3 5 m m ， 加工方式（ROUGH_OPTION）ROUGH_ONLY，安全高度（CLEAR_DIST）5mm，主軸轉(zhuǎn)速（SPINDLE_SPEED）2500r/min，進給速度(CUT_FEED)800mm/min。

    使用屏幕演示（Screen Play）功能，加工刀具軌跡如圖2所示。

    同時，對加工進行仿真模擬檢查（NC Check）和過切檢查（GougeCheck）。銑刀沒有進入中間槽的內(nèi)部，整個電極外形被銑出，符合工藝的要求。按完成序列（DoneS w q）退出。程序計算的時間為50s，加工時間為2.1h。

2. 精加工一

    精加工選用D 1 6 （ R 8 ）球頭銑刀，采用曲面銑削(SurfaceMilling)的加工方式，步距(SIDE_STEP)0.2mm，輪廓余量（PROF_STOCK_ALLOW）-0.25mm，切削角度（CUT_ANGLE）45°，加工類型（SCAN_TYPE）TYPE_3，安全高度（CLEAR_DIST）5mm，主軸轉(zhuǎn)速（SPINDLE_SPEED）2500r/min，進給速度(CUT_FEED)650mm/min。使用屏幕演示（Screen Play）功能，加工刀具軌跡如圖3所示。同時，對加工進行仿真模擬檢查(NC Check)和過切檢查（Gouge Check）。銑刀沒有進入中間槽的內(nèi)部，槽外部被定義的加工成型曲面的負余量（火花間隙即搖動量）都被去除了，符合工藝的要求。按完成序列（Done Swq）退出。程序計算的時間為130s，加工時間為1.5h。

3. 精加工二

    使用D 2 0（R 1）涂層鑲片銑刀，加工類型（SCAN_TYPE）TYPE_2，切深(STEP_DEPTH)0.35mm，步距(SIDE_STEP)8mm，輪廓余量（PROF_STOCK_ALLOW）-0.25mm，粗加工余量（ROUGH_STOCK_ALLOW）0.35mm，底部余量（BTTOM_STOCK_ALLOW）0mm，加工方式（ROUGH_OPTION）PROF_ONLY，安全高度（CLEAR_DIST）5mm，主軸轉(zhuǎn)速（SPINDLE_SPEED）2500r/min，進給速度(CUT_FEED)800mm/min。使用屏幕演示（Screen Play）功能，加工刀具軌跡如圖4所示。同時，對加工進行仿真模擬檢查（NC Check）和過切檢查（Gouge Check）。銑刀進行側(cè)面加工，電極側(cè)部被銑到位，符合工藝的要求。按完成序列（Done Swq）退出。程序計算的時間為45s，加工時間為2h。

4. 粗加工中間小槽

    使用D 2 （ R 0 . 4 ） 涂層牛鼻銑刀， 采用螺旋加工方式（TYPE_SPIRAL），切深(STEP_D E P T H ) 0 . 2 5 m m ， 步距( S I D E _STEP)0.8mm，輪廓余量（PROF_STOCK_ALLOW）-0.25mm，粗加工余量（ROUGH_STOCK_ALLOW）- 0.25mm，底部余量（BTTOM_STOCK_A L L O W）- 0 . 3 5 m m，加工方式（ROUGH_OPTION）ROUGH_ONLY，安全高度（CLEAR_DIST）5mm，主軸轉(zhuǎn)速（SPINDLE_SPEED） 3500r/min，進給速度(CUT_FEED)450mm/min。

    使用屏幕演示（Screen Play）功能，加工刀具軌跡如圖5所示。

    同時，對加工進行仿真模擬檢查（NC Check）和過切檢查（GougeC h e c k）。銑刀進入中間槽的內(nèi)部，槽的外形被銑出，符合工藝的要求。按完成序列（Done Swq）退出。程序計算的時間為30s，加工時間為1h。

5. 精加工三

    精加工選用D 1 （ R 0 . 5 ）球頭銑刀，采用曲面銑削(SurfaceMilling)的加工方式，步距(SIDE_STEP)0.2mm，輪廓余量（PROF_STOCK_ALLOW）-0.25mm，切削角度（CUT_ANGLE）45°，加工類型（SCAN_TYPE）TYPE_3，安全高度（CLEAR_DIST）5mm，主軸轉(zhuǎn)速（SPINDLE_SPEED）3500r/min，進給速度(CUT_FEED)400mm/min。使用屏幕演示（Screen Play）功能，加工刀具軌跡如圖6所示。同時，對加工進行仿真模擬檢查（NC Check）和過切檢查（Gouge Check）。銑刀進入中間槽的內(nèi)部，槽內(nèi)部被定義的加工成形曲面的負余量（火花間隙即搖動量）都被去除了，符合工藝的要求。按完成序列（DoneS w q）退出。程序計算的時間為60s，加工時間為0.5h。