石墨电极高速加工的策略和加工参数优化选择原则

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1 前言

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石墨具有较高的高温强度、低热膨胀系数、较好的可加工性和良好的热、电导率，因此石墨电极广泛应用于冶金、电炉、电火花加工等领域。在电火花加工方面，新型石墨电极材料及其加工技术的发展扩展了电火花加工的应用范围，提高了其使用性能。 ! U" Z+ Q8 `# d& V# h9 Q

石墨电极与铜电极相比具有电极消耗小、加工速度快、-机械加工性能好、加工精度高、热变形小、重量轻、表面处理容易、耐高温、加工温度高、电极可粘结等优点。

尽管石墨是一种非常容易切削的材料，但由于用作EDM电极的石墨材料必须具有足够的强度以免在操作和EDM加工过程中受到破坏，同时电极形状（薄壁、小圆角、锐变）等也对石墨电极的晶粒尺寸和强度提出较高的要求，这导致在加工过程中石墨工件容易崩碎，-刀具容易磨损。因此如何防止工件崩碎、提高表面加工质量、降低加工刀具成本成为石墨电极加工的一个重要问题。

通常用常规的车削、铣削、磨削方法可以满足加工简单形状电极的需求，但近年来对电极几何形状复杂性的要求持续增加。高速加工的高加工表面质量和高加工精度使得石墨电极的高速加工已成为模具EDM加工中的一个热点，许多生产厂家都已推出了石墨高速加工中心。例如Makino SNC64数控高速石墨铣床、R?:ders RFM系列机床等，主轴转速通常在10000～60000r/min，进给速度可达60m/min 以上，加工壁厚小于1mm，最小圆角半径小于0.2mm。

由于EDM石墨电极高速加工仍属一种新的工艺，不同石墨材料加工性能也各不相同，对于石墨电极高速加工中的工件崩碎、刀具磨损、加工策略等问题，国内极少有文献提及。本文介绍了日本、德国等在高性能石墨电极材料机械加工方面的研究成果，包括石墨电极材料的切削机理、切削温度、刀具磨损、切屑处理等方面的基本理论，以及石墨电极高速加工策略、加工参数选择等内容。 0 ^; \; X& Z8 \

2 石墨电极高速切削机理

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图1 车削烧结炭和石墨时的切削过程

图2 石墨高速铣削过程和刀具磨损形态

图3 石墨电极材料的切削温度

图4 刀具磨损

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• 石墨电极高速切削过程 " Q, z, k" A% a6 J0 _
• 石墨电极高速切削的切削力和切削温度
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Masuda（1996）用高速摄影观察了烧结碳（2000℃以下烧结）和石墨（2500℃以上烧结）的车削过程（图1），认为两者的切屑形成过程大致是:在刀具切削刃与工件接触时，产生了一条裂纹扩展，工件的一部分因刀具推进发生破碎，形成切屑。碳相材料切削时的大多数裂纹向下扩展，切屑散落于刀具表面或堆积在前刀面：石墨切削裂纹沿切削方向扩展，大多数切屑沿前刀面滑动，因而产生刀具月牙洼磨损。
K?:nig（1998）在研究石墨高速铣削过程后认为:石墨切屑的形成与陶瓷等脆性材料有很大相似之处，在刀尖处有挤压破碎，形成细小切屑和细小凹坑，切削产生的裂纹会向刀尖前下方延伸扩展，再扩展到自由表面，形成断裂凹坑，并可用断裂力学来解释：切屑与刀具前刀面的接触状态分为切削接触冲击区和切屑沿前刀面的滑移区，它们分别导致不同的刀具磨损形态（图2）。
影响切削过程的因素主要有:切削速度、切削进给量、刀具几何参数、工具材料和刀具磨损。 9 T& V m4 O# }5 c% Y% r; x, ]
石墨电极材料的切削力只有切削铝、铜等韧性金属的10%左右，因此切削力通常不是研究的重点。而实验测得石墨材料的车削温度均不高，在Vc =500m/min 左右时，最高温度在160～300℃之间，且与切削速度呈线性关系。据此推论，即使Vc = 500m/min，切削温度也不会超过500℃，对切削过程的影响不太大（图3）。

3 石墨电极高速加工刀具磨损

刀具磨损是石墨电极加工中最重要的问题。磨损量不仅影响刀具损耗费用、加工时间、加工质量，而且影响电极EDM加工工件材料的表面质量，是优化高速加工的重要参数。 ! R# S N& M b7 Q

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• 石墨电极高速加工刀具磨损机理 2 \- V( D. p6 X( q3 s5 r
• 影响高速加工刀具磨损的因素
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石墨电极材料加工的主要刀具磨损区域为前刀面和后刀面。在前刀面上，刀具与破碎切屑区的冲击接触产生冲击磨粒磨损，沿工具表面滑动的切屑产生滑动摩擦磨损。
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1. 前刀面冲击磨损 切屑颗粒在刀具前刀面产生的冲击有两种形式，一种是与前刀面呈一定角度的冲击，这种冲击导致表面层脱落或剥落：另一种是切削冲击，即石墨切屑在刀具前刀面产生微切削，最大切削沟痕宽度达150nm，冲击区磨损形成了前刀面月牙洼磨损（图4）。
2. 前刀面滑动区刀具磨损 在前刀面的滑动磨损区，石墨碎屑对前刀面有一定的保护作用。后刀面磨损主要是刀具后刀面与已加工表面的机械摩擦磨损。
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工件材料:EK85：晶粒尺寸:13?m：刀具:立铣刀，D=12mm，Z=2：切削条件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm 图5 切削速度与刀具材料对刀具磨损的影响
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1. 切削速度 切削速度增大，虽然大块断裂面积增加，但KT减小，KB大致不变，同时月牙洼磨损截面积减小。随着切削速度的增大，在摩擦面生成的石墨润滑膜增厚，表面磨损系数减小，所以刀具磨损下降很快，这也是采用高速加工石墨优越性的一个重要原因。
2. 刀具材料 刀具材料对冲击磨损量的影响很大。一般刀具材料HV提高，则KT下降。刀具材料对刀具磨损的影响如图5所示。 ; Y7 \7 q4 H) Q1 |
   1. 硬质合金刀具加工石墨电极材料时的磨损机理:在滑动区因微切削和表面疲劳破坏产生磨损：最终导致刀具粘结相（Co）磨粒磨损和耐磨损相（WC）的磨损、产生裂纹和断裂脱落。增大WC 的颗粒尺寸和减小Co 相的颗粒尺寸，可使刀具磨损下降。刀具表面有时会有石墨粘结。 * y* i: x, V, B( G8 h
   2. 聚晶金刚石刀具磨损是由石墨切屑对结合相的磨损以及金刚石破碎后引起的二次磨粒磨损组成。刀具表面通常有一层粘附石墨形成的润滑膜，其耐磨性是硬质合金K10的1～2倍。
   3. 金刚石薄膜刀具表面通常有强烈的石墨粘附，并有金刚石表面损伤破碎，没有月牙洼磨损。它属于宏观冲击磨损，而不是机械磨料磨损。涂层基体硬质合金表面处理效果影响涂层效率，也对刀具寿命有很大影响。金刚石薄膜刀具的寿命可达K10的100倍，并优于PCD刀具。 ' r4 ]: l8 p" x3 c: U/ Y
   4. 硬质合金涂层刀具（TiN等）可显著改善刀具耐磨性。 7 L7 e; }. T+ X0 G4 J- Z. @/ ]( K
   5. Al₂O₃陶瓷刀具并不适合切削石墨材料。
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   工件材料:EK85：晶粒尺寸:13?m：刀具:平底立铣刀，D=12mm，Z=2：刀具材料:硬质合金K10：磨钝标准:VB=0.1mm 图6 进给量和铣削宽度与刀具磨损的关系

   刀具:平底立铣刀，D=6mm，Z=2：刀具材料:硬质合金K10：磨钝标准:VB=0.12mm：切削条件:Vc=600m/min，fz=0.06mm，ap=6mm，ae=1mm 图7 刀具角度对刀具磨损的影响

   刀具:平底立铣刀，D=6mm，Z=2：刀具材料:HM K10：切削条件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm 图8 石墨电极材料对刀具磨损的影响

3. 进给量 提高铣刀每齿进给量，KB、KL、KT均增大。增加每齿的切削宽度，即增加了平均切屑厚度，因此切削冲击上升，刀具磨损上升。从图6中可看出铣削宽度大于铣刀半径后切削状况的改变。
4. 刀具角度 刀具前角增大，改变了切屑颗粒冲击角度，KT下降，但KB变化不大：后角增大，则刀具锋利性增大，后刀面磨损减小：主偏角的变化，改变了切削受力方向和实际切削面积，因此随着主偏角增大，刀具磨损也下降，刀具耐用度得到提高（图7）。
5. 石墨电极材料 石墨电极材料对刀具磨损有很大影响。如图8所示，高速加工时石墨晶粒尺寸越小，刀具寿命越高，刀具寿命大致与抗弯强度和肖氏硬度呈正比。此外石墨电极材料石墨化程度及浸渍材料成分、填充材料粒度，也对刀具磨损有一定的影响。
6. 刀具结构 高速铣削常用球头铣刀和平底铣刀进行加工。当采用球头立铣刀加工曲面，其切削速度从外到里是下降的，因此刀具顶部易于磨损。平底立铣刀可加工台阶轮廓，加工余量波动强烈，加工出的工具轮廓波动使精加工刀具受到强烈损害。相同条件下这两种刀具比较，平底立铣刀的切削距离比球头立铣刀的长。
7. 铣削方向 在高速铣削加工中铣削加工方向是十分重要的。相同条件下进行顺铣和逆铣加工时，由于破碎颗粒量的不同以及刀具实际切入冲击的不同，刀具寿命也不相同，逆铣的刀具寿命高于顺铣刀具寿命（图9）。

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工件材料:V1364：粒度:7?m：刀具:平底立铣刀，D=6mm：刀具材料:硬质合金K10：切削条件:Vc=600m/min，fz=0.074mm，ap=3mm，ae=0.35mm，Rth=5?m 图9 铣削方向对刀具磨损的影响

机床费用:200DM/h：换刀时间:30s：工件材料:EK85：晶粒尺寸:13?m：切削条件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm：磨钝标准:VB=0.1mm 图10 典型刀具材料粗加工成本

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4 石墨电极铣削加工策略

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• 基本原则
• 加工条件的优化 8 U& K2 |4 B) V
• 石墨电极高速加工策略 & f6 F0 [% Y( |7 W( w
• 棱柱面加工
• 切屑处理
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传统电加工工艺中电极垂直运动，因此相应的三轴铣削加工宽度不受限制。在NC控制的电火花机床上，为满足一些特殊要求，可进行多轴和垂直进给电火花加工。电极几何参数是很复杂的，难以根据几何形状分类，可根据型腔表面特征大致分为两类:1）自由表面成形电极:有圆角调节面，无锐利腔体和边角，可使用球头铣刀加工，铣削加工路径长，耗时多：2）棱柱面电极:由棱柱面构成，无圆角，有最简单的弯曲面、柱面和锐角边，通常可使用平底立铣刀加工。
石墨高速加工的经济性关系到切削和磨损机理的影响，因此有必要针对刀具和加工工具几何特性、机床、切屑处理等对切削参数、加工策略等进行优化。
前面详细分析了影响石墨的加工机理和刀具磨损的若干因素，下面简要阐述如何优化加工条件。
1. 刀具材料 粗加工时，切削速度越高，刀具磨损越小，加工成本也越低。当切削速度大于900m/min时，硬质合金刀具、金刚石涂层刀具和聚晶金刚石刀具的单位切削长度所需成本差别不大。因此推荐在低速切削时使用涂层金刚石刀具（图10）。精加工时，计算每刀刃刀具成本时，金刚石涂层刀具最好，聚晶金刚石刀具次之，硬质合金刀具最差：但若计算单个刀具成本，由于聚晶金刚石刀具有较好的重刃磨性，因此聚晶金刚石刀具的刀具成本最低。推荐小直径刀具使用金刚石涂层刀具，此时加工最经济。
2. 刀具几何参数 刀具前角、后角的增大，可增大容屑空间。粗加工时，前角在6°左右较好，后角应小于15°，刀具主偏角与侧刃磨损无关。精加工时，前角在6～10°之间较好，尽管主偏角大时刀具磨损量下降，但这会导致表面粗糙度波动量增大，因此主偏角小于30°较好，太大则不适于精加工。
3. 切削参数 每齿切削量与刀具磨损相关，而进给量和切削速度的最大值与机床特性有关，同时刀杆承载和细刀杆加工时的动态振动也与机床性能有关。切削参数选择原则为:1）根据机床、刀具夹头等给定条件确定刀具齿数，防止刀具振动：2）在切削刀具强度、切削深度和切削宽度范围内，计算最大许可每齿进给量：3）依据机床进给和机床进给加速度特性，在恒定每齿进给量时确定最大切削主轴转速：4）最终选定稳定的最大主轴转速，并使之与每齿进给量相适应。 4 ]7 Y& ]# Q: ~" u% R$ o; K
   车削加工时推荐聚晶金刚石刀具的加工参数为:粗加工时V_c=200～400m/min，f_z=0.02～0.04mm/齿，切削深度小于1.5mm：精加工时V_c=25～100m/min，f_z=0.02～0.1mm/齿，切削深度小于0.5mm。
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石墨电极高速粗加工和精加工的策略是不同的。一般粗加工应为精加工留较少的余量，所以在使用小直径刀具时，应采用高进给（切削进给和走刀进给）。在使刀具磨损量最小化的前提下，获得高的单位切削体积和单刀刃有效切入量，残余切削量要满足精加工的要求：精加工的目标是以最短的加工时间获得最高的加工质量，应使最佳表面质量与最小刀具磨损量之比最佳化。加工时应提高加工速度、缩短加工时间，使切入量变化引起的加工过程不稳定最小化，使刀具寿命最大化。
自由表面成形电极的高速加工策略主要是优化考虑了局部加工余量的切削加工路径。
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工件材料:EK85：石磨粒度:13?m：刀具:球头铣刀，D=10mm，Z=2 图11 轮廓铣削与仿形铣削的比较

工件材料:EK85：晶粒尺寸:13?m：石墨粒度:D=6mm，Ik=50mm：刀具材料:硬质合金K10：切削条件:Vc=600m/min，fz=0.044mm，Rth=10?m 图12 拉铣和钻铣精加工策略

图13 加工实例

1. 粗加工 2 J% J4 u$ b* V, P! C, W
   通常石墨电极是在整块材料上进行的，加工余量很容易描述，其加工目标就是在最短时间内切除最大量的材料。粗加工可以采用仿形铣削或轮廓铣削的方式（图11）。仿形铣削采用球头铣刀，切削深度和切削宽度均在变化中，切削深度小，刀具磨损快，加工时间长：轮廓铣削采用平底铣刀，加工时间短，刀具磨损小。在轮廓铣削中，可沿包络线轨迹进行铣削，即以之字形对加工面进给铣削后再加工，切削宽度固定，没有太多的往复运动，通过快速加速可达到很大的进给量。沿轮廓轨迹加工则是采用传统的加工方法，对局部的轮廓面依次加工。粗加工工艺的优劣取决于根据工具表面轮廓曲线函数进行的NC 编程，使得可沿包络等高线进行快速、简易的铣削加工。
2. 精加工 $ q' z0 x, E% s5 Y
   精加工应使加工稳定，有较小的形状误差和良好的表面质量，同时刀具磨损量小。刀具磨损和加工成本是主要考虑的因素。在精加工中，对弯角的处理要考虑铣削方向对加工精度和表面质量的影响，后者与刀具承载和机床振动等有关。在沿曲面进给铣削时会出现拉铣（向上走刀）或钻铣（向下走刀）现象，刀具的变形会导致工件轮廓偏差（图12）。钻铣的轮廓偏差小于拉铣加工，而逆铣加工轮廓偏差也优于顺铣。因此考虑到刀具质量的临界条件和加工过程稳定可靠性，沿平面轮廓铣削时的最佳策略应是采用逆铣和平面轮廓铣削的组合。此外在顺铣时，包络等高线铣削的切削刀具寿命大于钻铣加工，逆铣时两者差不多。
棱柱面加工的主要问题是模具局部边角的断裂，应主要考虑切削力的作用方向。下面以加工图13中底板和立板各边为例。
1. 加工底板边 顺铣时表面粗糙度变化不大，底边角边质量好，但逆铣时表面粗糙度值变大，底边角边质量下降（图13a）。为获得高质量边角，应先对其边进行顺铣加工。
2. 加工立板 两侧边在顺铣时受力方向各不相同，即一边是压入，一边是压出（图13b）。因此实际进给方向在切削各边角时必须有所改变。
3. 加工立板顶面边角 应通过改变逆铣时的切入点位置使切入位置可避免工件角边破碎。刀具角度如主偏角等对这种崩边有很大影响，一般控制在30°左右。
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为了防止加工过程中产生缺角，还可采取以下措施:（1）在电极加工前先在加工液中浸泡：（2）使用耐磨性好的刀具：（3）采用顺铣（向下走刀）的方法进行加工：（4）切削时减少刀具的切入量：（5）切削刀具的螺距切入量小于刀具直径的1/2：（6）加工两端部时进行减速加工：（7）加工下方时使用垫板增强终端面的刚性：（8）在对上面的弯曲部与侧面之间的角部进行加工时，如果容易产生细小裂缝，则应在完成上面弯曲部的加工后，再对侧面进行精加工。
尽管石墨是一种很稳定的材料，对人体健康没有直接不良影响，用肥皂很容易清洗干净。但是石墨切屑可能以粉尘、污染物等形式影响环境安全，此外粉尘也对人体有害。因此加工时最好使用吸尘设备和口罩。 % d2 |+ P% v h1 Y& B
切屑形态是通过粉屑、断裂切屑以及所使用的切削介质来影响刀具磨损的。研究表明:湿切削时的石墨颗粒是由流动导致刀具磨损的，而外部吹风的干切削刀具寿命高于普通干切削加工。强烈吹风可避免石墨颗粒的二次磨损。加工浸渍电解质后的石墨时，刀具磨损急剧下降。 ; _5 I" J' v- O* u9 N0 d
此外必须高度重视石墨粉末的清理，应配有将精加工石墨粉吸入潮湿装置的设备，在粗加工时则要有清洁循环并间断地过滤。