森玛德数控：石墨电极电火花加工在模具制造中的应用（上）

　　在20世纪，铜作为电极材料在电火花加工中被广泛使用。那时只有在制作大型电极且模具加工要求不高或粗加工时，石墨材料才会成为备选考虑。一些早期接触过石墨电极的技术人员曾有普遍印象：石墨材料脏、易掉渣、表面效果不好、加工效率不高等等。

　　随着高新技术的发展，石墨材料的制造工艺不断完善，能满足不同电火花加工需求的石墨材料层出不穷，市场上石墨高速铣削机床应运而生，数控电火花加工机床的石墨放电性能也有了全面的提升。当今，在制造技术领先的欧洲，模具企业超过90%的电极材料采用石墨。航空航天、汽车、家电、电子等模具已大范围采用石墨作为电极材料，这种显著变化归功于石墨电极可实现高效率、高品质加工等诸多优势。

　　但在中国，当前大多数模具企业还是选用铜作为主要的电极材料。根据石墨材料的特性，以下全面分析其电火花加工的优势与不足，介绍如何正确选择石墨材料、电极制作与放电加工的要点。

　　一、石墨材料的电火花加工特性

　　1、放电加工速度

　　石墨是一种非金属材料，熔点极高，达3650 ℃，而铜的熔点是1083 ℃，因此石墨电极能承受更大的电流设定条件。当放电面积与电极尺寸缩放量越大时，石墨材料高效率粗加工的优越性越显著。石墨的导热系数是铜的1/3，其放电过程中产生的热能可更有效地用于去除金属材料，因此在中、精加工中，其加工效率也比铜电极要高。根据加工经验，在正确的使用条件下，石墨电极的放电加工速度要比铜电极整体快1.5~2倍。

　　2、电极损耗

　　石墨电极具有能承受大电流条件的特性，另外，在合适的粗加工设定条件下，含碳元素的钢工件在加工时产生的蚀除物和工作液在高温下产生的分解物中的碳颗粒，在极性效应的作用下，部分蚀除物、碳颗粒会粘附在电极表面形成一层保护层，保证了石墨电极在粗加工中的损耗极小，甚至是“零损耗”。电火花加工中主要的电极损耗量来自于粗加工，精加工设定条件虽然损耗率较高，但因零件预留加工余量不多即加工蚀除量较少，其总体损耗量也较少。总体而言，石墨电极在大电流的粗加工中损耗会少于铜电极，在精加工中损耗可能会稍大于铜电极，二者的电极损耗情况相当。

　　3、表面质量

　　石墨材料的颗粒直径直接影响电火花加工的表面粗糙度，直径越小可获得更低的表面粗糙度值。几年前使用颗粒直径φ5 μm的石墨材料，电火花加工的最佳表面只能达到VDI18(Ra0.8 μm)，现今石墨材料的颗粒直径已能达到φ3 μm以内，电火花加工的最佳表面可稳定达到VDI12(Ra0.4 μm)或者更精细的等级，但石墨电极无法进行镜面电火花加工。

　　铜材料的电阻率较低，组织结构致密，电火花精加工易获得稳定的加工状态，在较困难的条件下也能稳定加工，表面粗糙度可小于Ra0.1 μm，能进行镜面电火花加工。由此可见，如果放电加工追求极其精细的表面，使用铜材料做电极更加合适，这是铜电极较石墨电极的主要优势。

　　但铜电极在大电流设定条件下，电极表面容易变得粗糙不堪，甚至出现裂纹，而石墨材料则没有这方面的问题，对于表面粗糙度要求为VDI26(Ra2.0 μm)左右的型腔加工，使用1个石墨电极即可完成从粗到精的加工过程，实现均匀一致的纹面效果，表面不会有缺陷。另外，由于石墨与铜材组织结构的不同，石墨电极表面放电的腐蚀点比铜电极要规则，因此在加工VDI20及以上相同表面粗糙度时，使用石墨电极加工的工件表面颗粒度更加分明，这种纹面效果要优于铜电极的放电表面效果。

　　4、加工精度

　　石墨材料的热膨胀系数小，铜材料的热膨胀系数是石墨材料的4倍，因此在放电加工中石墨电极相比铜电极不易发生变形，可获得更稳定可靠的加工精度。尤其是在加工深窄筋位部分时，局部高温容易使铜电极发生弯曲变形，而石墨电极不会这样;对于深径比大的铜电极，在加工设定时还需要补偿一定的热膨胀值来修正尺寸，而石墨电极不需要。

　　5、电极重量

　　石墨材料较铜的密度要小，相同体积的石墨电极重量仅为铜电极的1/5。可见体积较大的电极使用石墨材料非常合适，极大地减轻了电火花加工机床主轴的载荷，电极不会因为重量大而导致装夹不便、加工中产生偏摆位移等问题，可见在大型模具加工中使用石墨电极很有意义。

　　6、电极制作难度

　　石墨材料的机械加工性能好，切削阻力仅为铜的1/4，在正确的加工条件下，铣削加工石墨电极的效率是铜电极的2~3倍。石墨电极容易清角，可以将平时要由多个电极完成的工件设计成一个整体电极来加工。石墨材料独特的颗粒组织结构，使得电极铣削成型后不会产生毛刺，对于复杂造型不便于去除毛刺的情况直接满足使用要求，省去了人工对电极进行抛光的工序，避免了抛光导致的形状改变、尺寸误差等。需要注意的是，由于石墨是粉尘堆积物，铣削石墨时会产生大量的粉尘，因此铣削机床必须要有密封与吸尘装置。如果需要使用电火花线切割加工石墨电极，其加工性能就不如铜材料了，切割速度相比铜慢约40%。

　　7、电极安装与使用

　　石墨材料的可粘结性好，可以使用导电胶将石墨与夹具粘结的方法铣削电极、放电加工，可省去在电极材料上加工螺丝孔的工序，节省了工作时间。石墨材料比较脆，特别是细小窄长电极，在使用中受到外力作用时容易折断，但可以马上知晓电极发生了损伤。如果是铜电极则只会弯曲不会折断，这种状况在使用过程中非常危险且难以发现，很容易导致工件报废。

　　8、价格

　　近几年铜材料价格不断上涨，而各大石墨制造商不断改进制作石墨的工艺使其更具性价比优势。相同体积下，通用性石墨电极材料的与铜电极材料的价格相当，而精细石墨的价格会比铜电极要高一些。

　　综上所述，在石墨电极的8项电火花加工特性中，其优势明显：铣削电极与放电加工的效率均显著优于铜电极，大电极重量小，尺寸稳定性良好，薄片电极不容易发生变形，表面纹理优于铜，价格也更低廉。石墨材料的不足之处是不太适合VDI12(Ra0.4 μm)以下的精细表面放电加工，使用电火花线切割制作电极的效率较低。

　　但从实际角度来看，影响石墨材料在国内不能有效推广的一个重要原因是铣削电极需要有专门的石墨加工机，这就对模具企业的加工设备提出了新的要求，一些小型企业可能不具备这个条件。总体而言，石墨电极特性的优势涵盖了电火花加工的绝大多数加工场合，值得推广应用，长期效益可观，其精细表面加工的不足之可以通过使用铜电极来弥补。