浅谈石墨电极在模具加工中的应用
<p> 近年来随着精密模具及高效模具(模具周期越来越短)的推出，人们对模具制作的要求越来越高，由于铜电极自身种种条件的限制，已越来越不能满足模具行业的发展要求。石墨作为EDM电极材料，以其高切削性、重量轻、成形快、膨胀率极小、损耗小、修整容易等优点，在模具行业已得到广泛应用，代替铜电极已成为必然。</p><p> 一、石墨电极材料特性</p>
<p> 1.CNC加工速度快、切削性高、修整容易</p>
<p> 石墨机加工速度快，为铜电极的3～5倍，精加工速度尤其突出，且其强度很高，对于超高(50～90mm)、超薄(0.2～0.5mm)的电极，加工时不易变形。而且在很多时候，产品都需要有很好的纹面效果，这就要求在做电极时尽量做成整体公电极，而整体公电极制作时存在种种隐性清角，由于石墨的易修整的特性，使得这一难题很容易得到解决，并且大大减少了电极的数量，而铜电极却无法做到。</p>
<p> 2.快速EDM成形、热膨胀小、损耗低</p>
<p> 由于石墨的导电性比铜好，所以它的放电速度比铜快，为铜的3~5倍。且其放电时能承受住较大电流，电火花粗加工时更为有利。同时，同等体积下，石墨重量为铜的1/5倍，大大减轻EDM的负荷。对于制作大型的电极、整体公电极极具优势。石墨的升华温度为4200℃，为铜的3~4倍(铜的升华温度为1100℃)。在高温下，变形极小(同等电气条件下为铜的1/3~1/5)，不软化。可以高效、低耗地将放电能量传送到工件上。由于石墨在高温下强度反而增强，能有效地降低放电损耗(石墨损耗为铜的1/4)，保证了加工质量。</p>
<p> 3.重量轻、成本低</p>
<p> 一套模具的制作成本中，电极的CNC机加工时间、EDM时间、电极损耗等占总体成本的绝大部分，而这些都是由电极材料本身所决定。石墨与铜相比，石墨的机加工速度和EDM速度都是铜的3～5倍。同时，磨损极小的特性与整体公石墨电极的制作，都能减少电极的数量，也就减少了电极的耗材与机加工时间。所有这些，都可大大降低模具的制作成本。</p>
<p> 二、石墨电极机电加工要求与特点</p>
<p> 1.电极的制作</p>
<p> 专业的石墨电极制作主要采用高速机床来加工，机床稳定性要好，三轴运动要均匀稳定不振动，而且像主轴这些回转精度也要尽可能的好。对一般的机床也可以完成电极的加工，只是编写刀路的工艺与铜电极有所不同。</p>
<p> 2.EDM放电加工</p>
<p> 石墨电极就是碳电极。因为石墨的导电性能好，所以在放电加工中能节省大量时间，这也是用石墨做电极的原因之一。</p>
<p> 3.石墨电极的加工特点</p>
<p> 工业用石墨质硬而脆，在C N C加工时对刀具的磨损较为严重，一般建议使用硬质合金或金刚石涂层的刀具。石墨在粗加工时刀具可直接在工件上下刀，精加工时为避免崩角、碎裂的发生，常采用轻刀快走的方式加工。一般而言，石墨在切深小于0.2mm的情况下很少发生崩碎，还会获得较好的侧壁表面质量。石墨电极CNC加工时产生的灰尘比较大，可能入侵到机床的导轨丝杆和主轴等，这就要求石墨加工机床有相应的处理石墨灰尘的装置，机床密封性也要好，因为石墨有毒。</p>
<p> 三、加工石墨电极实例</p>
<p> 如图1所示的是挂机面板注射模定模芯石墨电极，其毛坯尺寸为182mm×42mm×65mm，中间小槽最大宽度为3.1mm，最大槽深为5.1mm，整体加工高度为64mm。</p>
<p> 这种类型电极的外形尺寸中等，形状较为复杂，在石墨电极中为较普遍的模型。整个模型采用Pro/ENGINEER的Wildfire2.0进行数控加工，不过，在加工之前先在煤油中浸泡数小时，降低其脆性。由于中间槽小且不规则，CAM的加工策略为：先粗加工整体外形，再精加工成形曲面及下端相连曲面，接着粗加工中间小槽，最后精加工中间小槽。</p>
<p> 1.整体粗加工</p>
<p> 使用D20(R1)涂层镶片铣刀，采用螺旋加工方式(TYPE_SPIRAL)，切深(STEP_DEPTH)0.35mm，步距(SIDE_STEP)8mm，轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW)0.35mm，粗加工余量(ROUGH_STOCK_ALLOW)0.35mm，底部余量(BTTOM_STOCK_ALLOW)0.35mm，加工方式(ROUGH_OPTION)ROUGH_ONLY，安全高度(CLEAR_DIST)5mm，主轴转速(SPINDLE_SPEED)2500r/min，进给速度(CUT_FEED)800mm/min。</p>
<p> 使用屏幕演示(Screen Play)功能，加工刀具轨迹如图2所示。</p>
<p> 同时，对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(GougeCheck)。铣刀没有进入中间槽的内部，整个电极外形被铣出，符合工艺的要求。按完成序列(DoneS w q)退出。程序计算的时间为50s，加工时间为2.1h。</p>
<p> 2.精加工一</p>
<p> 精加工选用D16(R8)球头铣刀，采用曲面铣削(SurfaceMilling)的加工方式，步距(SIDE_STEP)0.2mm，轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW)-0.25mm，切削角度(CUT_ANGLE)45°，加工类型(SCAN_TYPE)TYPE_3，安全高度(CLEAR_DIST)5mm，主轴转速(SPINDLE_SPEED)2500r/min，进给速度(CUT_FEED)650mm/min。使用屏幕演示(Screen Play)功能，加工刀具轨迹如图3所示。同时，对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(Gouge Check)。铣刀没有进入中间槽的内部，槽外部被定义的加工成型曲面的负余量(火花间隙即摇动量)都被去除了，符合工艺的要求。按完成序列(Done Swq)退出。程序计算的时间为130s，加工时间为1.5h。</p>
<p> 3.精加工二</p>
<p> 使用D20(R1)涂层镶片铣刀，加工类型(SCAN_TYPE)TYPE_2，切深(STEP_DEPTH)0.35mm，步距(SIDE_STEP)8mm，轮廓余量(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，主轴转速(SPINDLE_SPEED)2500r/min，进给速度(CUT_FEED)800mm/min。使用屏幕演示(Screen Play)功能，加工刀具轨迹如图4所示。同时，对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(Gouge Check)。铣刀进行侧面加工，电极侧部被铣到位，符合工艺的要求。按完成序列(Done Swq)退出。程序计算的时间为45s，加工时间为2h。</p>
<p> 4.粗加工中间小槽</p>
<p> 使用D2(R0.4)涂层牛鼻铣刀，采用螺旋加工方式(TYPE_SPIRAL)，切深(STEP_DEPTH)0.25mm，步距( SIDE_STEP)0.8mm，轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW)-0.25mm，粗加工余量(ROUGH_STOCK_ALLOW)-0.25mm，底部余量(BTTOM_STOCK_ALLOW)- 0 . 3 5 m m，加工方式(ROUGH_OPTION)ROUGH_ONLY，安全高度(CLEAR_DIST)5mm，主轴转速(SPINDLE_SPEED)3500r/min，进给速度(CUT_FEED)450mm/min。</p>
<p> 使用屏幕演示(Screen Play)功能，加工刀具轨迹如图5所示。</p>
<p> 同时，对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(GougeCheck)。铣刀进入中间槽的内部，槽的外形被铣出，符合工艺的要求。按完成序列(Done Swq)退出。程序计算的时间为30s，加工时间为1h。</p>
<p> 5.精加工三</p>
<p> 精加工选用D1(R0.5)球头铣刀，采用曲面铣削(SurfaceMilling)的加工方式，步距(SIDE_STEP)0.2mm，轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW)-0.25mm，切削角度(CUT_ANGLE)45°，加工类型(SCAN_TYPE)TYPE_3，安全高度(CLEAR_DIST)5mm，主轴转速(SPINDLE_SPEED)3500r/min，进给速度(CUT_FEED)400mm/min。使用屏幕演示(Screen Play)功能，加工刀具轨迹如图6所示。同时，对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(Gouge Check)。铣刀进入中间槽的内部，槽内部被定义的加工成形曲面的负余量(火花间隙即摇动量)都被去除了，符合工艺的要求。按完成序列(DoneS wq)退出。程序计算的时间为60s，加工时间为0.5h。</p>
<p> 四、编辑加工作业指导书</p>
<p> 数控加工作业指导书如图7所示。</p>
<p> 五、结束语</p>
<p> 针对未来模具行业的发展趋势，谁能在最短的时间里完成模具的制作，谁就赢得了客户，赢得了市场。由于石墨电极(与铜相比)有电极消耗少、放电加工速度快、机械加工性能好、重量轻、热膨胀系数小等优越性，已经被大家逐步认识并接受。拥有了石墨电极就拥有了模具的明天!</p>
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