石（shí）墨電極，在模具製造電（diàn）火（huǒ）花加工中的應（yīng）用

石墨電極，在模具製造電火花加工中的應用
1. 引言
在20世紀，銅作為電極材料在電火花加工中被廣泛使用。那時隻有在製作大型電極且模具加工（gōng）要求不高或粗加工時，石墨材料（liào）才會成為備選考慮。一些（xiē）早期接觸過石墨電極的技術人員曾（céng）有普遍印象：石墨材料髒、易掉渣、表麵效果不好、加工效率不高等等。

隨著高新技（jì）術的發展，石（shí）墨材料的製造工藝（yì）不斷完善，能（néng）滿足不同電火花加（jiā）工需（xū）求的石墨材（cái）料層出不（bú）窮，市場上石墨高速銑削機（jī）床應運而生，數控電（diàn）火花加工機床的石（shí）墨放電性能也有了全麵的提（tí）升。當今，在製造技術領先的歐洲，模具企業超過90%的電極材料采用石墨。航空（kōng）航天、汽車、家電、電（diàn）子等模具已大範圍采用石（shí）墨作為電極材料，這種顯著（zhe）變化歸功於石墨電（diàn）極可實現高效率（lǜ）、高品質加工等諸多優勢。

但在中（zhōng）國，當前大多數（shù）模（mó）具企業還是選用銅作為主要的電極材料。根據石墨材料（liào）的特性，以下全麵分（fèn）析其電火花加工的優勢（shì）與不足，介紹如何正確選擇石墨材料、電極製作（zuò）與放電（diàn）加工的要點，並提供實際應用案（àn）例。

2. 石墨材料的電火花（huā）加工特（tè）性
2.1 放電（diàn）加工速度

石墨是（shì）一種（zhǒng）非金屬材（cái）料，熔點極高，達3 650℃，而銅的（de）熔點是1083 ℃，因此石墨電（diàn）極能承受更大的電流設定（dìng）條（tiáo）件。當放電麵積與電極尺寸縮放（fàng）量越大時，石墨材料高效率粗加工的優越性越顯著。石墨的導熱係數（shù）是銅的1/3，其放電過（guò）程中（zhōng）產生的熱（rè）能可更有效地用於（yú）去除金屬材料，因（yīn）此在中、精加（jiā）工中，其加工（gōng）效率也比銅電極要高。根據加工經驗，在正確的使用條件下，石墨電極的（de）放電加工（gōng）速度要比銅電極整體（tǐ）快1.5~2倍。

2.2 電（diàn）極損耗

石墨電極具有能承（chéng）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（yuán）素的鋼工件在加工時產生的蝕除物和工作液在高溫（wēn）下（xià）產生的分解物中的碳顆粒，在極性效（xiào）應的作用下，部分蝕除物、碳顆粒會粘附在電極表麵形成一層保護層，保證了石墨電極在（zài）粗加工中的損耗極小，甚至是“零損耗”。電火花加工（gōng）中主要的電極損耗量來（lái）自於粗加（jiā）工，精加工設（shè）定條件（jiàn）雖然損耗率較高，但因零件預留加工餘量不多即加工（gōng）蝕除量較少，其總體損耗量也較少。總體而言，石墨電極在大電流（liú）的粗加工中損耗會少於銅電（diàn）極，在精加工中損耗可能會稍大於銅電極，二者的電極損耗情況相當。

2.3 表麵（miàn）質量

石墨材料的顆粒直徑直接影響電火花加工的表麵粗糙度，直徑越小可獲得更（gèng）低的表麵粗糙度值。幾年前使用顆（kē）粒直徑φ5 μm的石墨材料，電火花加工的最佳（jiā）表麵隻能達到VDI18（Ra0.8 μm），現今（jīn）石墨材料的（de）顆粒直徑已能達（dá）到（dào）φ3 μm以內，電火花加工的最佳表麵可穩定達到VDI12（Ra0.4 μm）或者更精細的等級，但石墨電極無法進（jìn）行鏡麵電火花加工。銅材料（liào）的電阻率較低，組織結構致密，電火花精（jīng）加工易獲得穩定的加工狀態，在較困難的條件下（xià）也能穩定加工，表麵（miàn）粗（cū）糙度可（kě）小於Ra0.1 μm，能進（jìn）行鏡麵電火花加工。

由此可見，如果放電加工追求極其精細的表麵，使用銅材料做電極更加合適，這是銅電極較石墨電極（jí）的主要優勢。但銅電極在大電流設定條件（jiàn）下，電極表麵（miàn）容易變得粗糙不堪，甚至出現裂紋，而石（shí）墨材料則沒有這方（fāng）麵的問（wèn）題，對（duì）於表麵粗糙度（dù）要求為VDI26（Ra2.0 μm）左右的型腔加工（gōng），使用1個石墨電極即可完成從粗到精的加工過程，實現均勻（yún）一（yī）致的紋（wén）麵效果，表（biǎo）麵（miàn）不會有缺陷。另外，由於石墨與銅材組織結構的不同，石墨（mò）電（diàn）極表麵放電的腐（fǔ）蝕點比銅電極要規則，因此在加工VDI20及以上相同（tóng）表麵粗（cū）糙度時，使用石墨（mò）電極加工的（de）工件表麵顆粒度更加分明，這種紋麵效果要優於銅電極（jí）的放（fàng）電表（biǎo）麵效果。

2.4 加工（gōng）精度（dù）

石墨材料的熱膨脹係數小，銅材料的熱膨脹係數是石墨材料的（de）4倍，因此在放電加工中石墨電極相比銅電極不易發生變（biàn）形，可（kě）獲得更穩定可靠的加工精度。尤其是在（zài）加工（gōng）深窄筋位部分時，局部高溫容易使（shǐ）銅電極發生彎曲變形，而石墨電極不會這樣；對於深徑比大的銅電極，在加工設定時還需要（yào）補償一定的熱膨脹值來修（xiū）正尺寸（cùn），而石墨電極不需要。

2.5 電極重量

石墨材料較銅的密度要（yào）小，相同（tóng）體積的石墨電極重量僅為銅電極的1/5。可見體積較大的（de）電極使用石墨材料非常合適（shì），極大地減輕了電火（huǒ）花加工機床主軸的（de）載荷，電極不會因為重量大而導致裝夾不便、加工中產生偏擺位移等問題，可見（jiàn）在大型模具加工中使用石墨電極很有意義。

2.6 電極製作難度

石墨材料的機械（xiè）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（gōng）石（shí）墨電極的效率是銅電極的2~3倍。石墨電（diàn）極容易（yì）清角，可以將平時要由多個（gè）電極完（wán）成的工件設（shè）計成一個整體電極來加工。石墨材料獨特的顆粒組織（zhī）結構，使得電極銑削成型後不會（huì）產生毛刺，對於複（fù）雜造型不便於去除（chú）毛刺的情況直接（jiē）滿足使用（yòng）要求，省去了人工對電極（jí）進行（háng）拋光的工序，避免了拋光導致的（de）形狀改變、尺（chǐ）寸誤差等。

需（xū）要注意的是，由於石墨是粉塵堆積物，銑削石墨時會產生大量的粉塵，因此銑削機床必須要有密封與吸塵裝置（zhì）。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

石墨材料的可粘結性好，可以（yǐ）使用導電膠將石墨與夾具粘結的方法銑削電極、放（fàng）電加（jiā）工，可省去在（zài）電極材料上加工螺絲孔的工序，節省了工作時間。石墨材料比較（jiào）脆（cuì），特別是細小窄長電極，在使用中受（shòu）到外力作用時容易折斷，但可以馬上知曉電極發生了損傷。如果是銅電（diàn）極則隻會彎曲不會折斷，這種狀況在使（shǐ）用過程中非常危險且難以發現，很容易導致（zhì）工件報廢。

2.8 價格

銅材（cái）料是不可再生（shēng）資源，價格趨（qū）勢會越來越貴，而石墨材料的價格趨於穩定。近幾年銅（tóng）材料價（jià）格不斷（duàn）上漲，而各大石墨製造商不斷改進製（zhì）作石（shí）墨的工藝使其更具性價比優勢，如今，相同體（tǐ）積下（xià），通（tōng）用性石墨電（diàn）極（jí）材料的價格與銅電極材（cái）料的價格相當（dāng），但（dàn）石墨所能實現的高效率加工，比使用銅電極要節省的大量工時，相當（dāng）於直接地降低了生產成本。

綜上所述，在石墨電極的8項電火花加工特性（xìng）中，其優勢明顯：銑削電（diàn）極與放電加工的效率（lǜ）均顯著優於銅電（diàn）極，大（dà）電極重（chóng）量小，尺寸穩定性良好，薄片電極（jí）不容（róng）易發生變形（xíng），表麵紋理優於銅。石墨材料的不足之處是不太適合VDI12（Ra0.4 μm）以下的精細表麵放電加工，使（shǐ）用電火花線（xiàn）切割製作電極的效率較低。但從實際（jì）角（jiǎo）度（dù）來看，影響石墨材料在國內不（bú）能有效推廣的一個重要原因是銑削電極需要有專門的石（shí）墨加工機，這就對模（mó）具企業的加工設備提出（chū）了新的要求，一些小（xiǎo）型企業可能不具備這個條（tiáo）件（jiàn）。總體而言，石墨電（diàn）極特性的優勢涵（hán）蓋了電火花加工的絕大多數加工場合，值得推廣應用（yòng），長期效益可觀，其（qí）精（jīng）細表（biǎo）麵加工的不（bú）足之可以通過使用銅電極來彌（mí）補。

3. 電火（huǒ）花（huā）加工用石墨（mò）電極材料的選擇
對於石墨材料，主要有（yǒu）以下4個指標直接決定著材料的使用性能：

1）材（cái）料的（de）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（liào）的平（píng）均顆粒越小，材（cái）料的放電越均勻，則放電狀況越穩定，表麵（miàn）質量越好，損耗情（qíng）況越小；平均（jun1）顆粒越大，在粗加工中能獲得更好的去除率，但精加工表麵（miàn）效（xiào）果較差（chà），電極損耗較大。

2）材料的抗折（shé）強度（dù）

材料的抗折強度是材料強度的直接（jiē）體現，顯示材料內部結（jié）構的緊密程度（dù）。強度高的材料，其放電的耐損（sǔn）耗性能相對較好，對於精度（dù）要求高的電極，盡（jìn）可能選擇強度較（jiào）好的材料。

3）材料的肖氏硬（yìng）度

石墨的硬（yìng）度比金屬材料（liào）要高，在切削時刀具（jù）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麵（miàn）的（de）控（kòng）製比較優秀。

4）材料的固有（yǒu）電阻率

固有電阻率（lǜ）較大的石（shí）墨材（cái）料（liào），放電（diàn）速度會比電阻率小的慢。固有電阻率越高（gāo），電極損耗就越小，但固有電阻率（lǜ）偏（piān）高時，放電的穩定性會受到影響。

目前全球知名的石墨供應商中不同供應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（fèn）類，顆粒直徑（jìng）≤φ4 μm的定義為細石（shí）墨（mò），顆粒（lì）在φ5~φ10 μm定義為中石（shí）墨，顆粒在10 μm以上定義為粗石墨。顆（kē）粒直徑越小材（cái）料的價格越貴，可（kě）以根據電火花（huā）加工要求與成本（běn）選擇合適的石墨材料。

4. 石墨電極的製作
模具（jù）製造（zào）中的石墨電極主要用銑削加工的方法製作完成。從加工工藝的角度看，石墨與銅是2種不同的材料，應該掌握它們不同的（de）切削特性。如（rú）果使用加工銅電極的工藝來加工石墨（mò）電極，必然會出現問題，如（rú）薄片經常發生斷裂，這就要求采用合適的切削刀具與切削參數。

加工（gōng）石墨電極比銅電極的刀具磨損要大，就經濟性考慮，選用硬質合金刀具是最經濟的，選擇金剛石塗層刀具（稱（chēng）石墨刀）價格較昂貴，但金剛石塗層刀具使用壽命長，加工精度（dù）高，整體經濟效益不錯。刀具的前（qián）角大小也影響其使用壽命，前角0°的刀具會比前角（jiǎo）15°的（de）刀具高出多（duō）達50%的使用壽命，切削的穩定性也較好，但（dàn）是斜角越大，加工表麵越好，使用15°斜角的刀具能達到最佳的加工表麵。加工時的走（zǒu）刀速度可（kě）按電極的形狀來調整，通常為10m／min，與加（jiā）工鋁或塑料類似，粗加（jiā）工時刀具可直接（jiē）在工件上（shàng）下刀，精（jīng）加工易發（fā）生崩角、碎裂的現象，常采用輕刀快走的方式。

石墨電極在切削加工中會產生（shēng）大量的粉塵，為避免石墨顆粒吸入機床（chuáng）主（zhǔ）軸和絲杠，目前（qián）解決方案主要有2種，一種是使用專門的石墨加工機，另一種是將普通的加工中（zhōng）心改裝（zhuāng），配置專門的（de）吸塵裝置。市場上專門的石墨高速銑削機床銑削效率高（gāo），可（kě）輕鬆完成複雜電極的製造（zào），電極精度高，表麵質量（liàng）佳。

如果需要使用電火花線切割來製作石墨電極，推薦使用顆粒直徑更小的細石墨（mò）材料。石墨材料的電火花線切割加工性能（néng）較差，其顆粒直徑越小（xiǎo）時可（kě）獲（huò）得相對較高的切割效率，避免出現頻繁斷絲、表麵條紋等異常問題。

5. 石墨電極的電火花加工參數（shù）
石墨（mò）與銅材料的電火花加工參數選用有較大差異。電火花加工參數主要包括電流、脈衝寬度、脈衝間隙、極性。以下介紹合理使（shǐ）用這（zhè）些主要參數（shù）的依據。

石墨電極（jí）的電流密度一般為10~12 A/cm2，比銅電極要大得多，因此在對應麵積允許的電流大小範圍內，電流選用越大，則石（shí）墨放電（diàn）加工速度越快，電極損耗越小，但表麵粗糙度會變粗。

脈衝寬（kuān）度選用（yòng）越（yuè）大，電極損耗會降低。但較大的脈衝寬度會使加工穩定性變差，同時使加工（gōng）速（sù）度變慢，表麵變粗糙。粗加工時為保證電極低損耗，通常使用較大的脈（mò）衝寬度，其取值在100～300 us時可有效實現石墨電極（jí）的低損耗加工。精加工時，為獲得精細（xì）表麵（miàn）與穩定的放電效果，宜選用較小的脈衝寬度（dù）。一般石墨（mò）電極比銅電極加工時選取的脈（mò）衝寬度（dù）要（yào）減少約40%

脈衝間隙主要影響放電加工速度和加（jiā）工穩定性，其值越大加工穩（wěn）定性越好，對（duì）獲得（dé）較好的表麵均勻性有（yǒu）幫助（zhù），但加（jiā）工速度（dù）會降低。在保證加（jiā）工（gōng）穩定的情況下，選用較小的脈衝間隙可獲得較（jiào）高的加工效率，但（dàn）放電狀態不（bú）穩（wěn）定時，脈衝間（jiān）隙選取較大些可獲得更（gèng）高的加工效率。石墨電極放電加工中通常將（jiāng）脈衝間隙與脈寬寬度按1:1來設定，而通常銅電極加工中脈衝間隙與脈寬寬（kuān）度按1:3來設定（dìng）。在石墨加工穩定的情況下（xià），可以將脈衝間隙與脈寬寬度的搭配比例調整到2:3。脈衝間隙較小（xiǎo）的情況下，有利於在電極表麵形成（chéng）覆蓋層，對降低電極（jí）損耗有一定的幫助（zhù）。

石墨電極電火花加工（gōng）中極（jí）性的選用與銅電極基本相同。根（gēn）據電火花加工的極（jí）性效應，在加工模（mó）具鋼時通常選用正極（jí）性加工，也就是電極接電源的正（zhèng）極，工件接電源的負極。使用較大（dà）電流和脈衝寬度，選擇正極性加工可以獲得極（jí）低的電極損耗效果，如果將極性選錯將會導致電極損耗變得非常大。隻有在表麵要求小於VDI18（Ra0.8μm）的精細加工，采用極（jí）小的脈衝寬度，才選用（yòng）負極性加工以獲得較好（hǎo）的（de）表麵質量，但電極損耗較大。

現（xiàn）在的數控電火花加工機床（chuáng）都配有（yǒu）石墨（mò）放電加工參數。電參數的使（shǐ）用是智能化的，可以通過機床的專家係統來自動生成。通常是在編程時選擇材（cái）料對、應用類型、表麵粗糙度值，輸入加工麵積、加工深度、電極尺寸縮放量等，機床就能配置出優化的加工參（cān）數。機（jī）床針對石墨電極的放（fàng）電加工設（shè）有豐富的加工參數庫（kù），材料類型裏可選擇粗石墨、中石墨、細石墨對應多種（zhǒng）工件材料（liào），將應用類型細分為（wéi）標準、深槽、尖點、大麵積、大型腔、微細等，還提供了低損耗、標準、高效率等多種加工優先（xiān）權選擇。

6. 石墨電極（jí）加工應用案例
下圖所示手機模具（jù）零件的材料S136鋼料，加工形（xíng）狀包含形（xíng）狀複雜（zá）的加強筋。使用石墨電極，精（jīng）加工（gōng）電極使用TTK-4石墨，電極數量（liàng）2個，粗加工電（diàn）極尺寸縮放量單邊0.08 mm，精加（jiā）工電極尺寸縮放量單邊0.08 mm。粗加工時間3H，精加（jiā）工（gōng）時間53 min，表麵（miàn）粗糙（cāo）度VDI18（Ra 0.8μm）。加工說明：利用石（shí）墨的特性將（jiāng）不同形狀，將不同高低的眾多薄加（jiā）強筋組合在（zài）一個電（diàn）極上進行放電加工，可減少電極原材料、夾（jiá）具的投入成本，降低電（diàn）極的裝夾（jiá）次數和定位工作量，放電（diàn）時間比使用銅電極加工縮短40%。

7. 結束（shù）語
新型石墨電極材料值得大力（lì）推（tuī）廣，其優越性將逐（zhú）漸被國內模具製（zhì）造行業認識和接受。正確選用石墨電極材料（liào），並配合改進相關工藝環節，將為模具製造企業（yè）帶來高效率、高品質、低成本效益。

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