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
& n: j" E3 K& l! V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。
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。
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

/ S1 a# q' k0 C9 K' Q9 _* `; _图2 石墨高速铣削过程和刀具磨损形态

# Z' y1 `- M' y: s1 j  [图3 石墨电极材料的切削温度
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5 x9 f$ D" C/ h图4 刀具磨损
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. G' e! y. {$ f' J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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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
9 N# s2 P. M: @8 n+ a图6 进给量和铣削宽度与刀具磨损的关系
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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
! D) `. o# F1 n3 `图8 石墨电极材料对刀具磨损的影响
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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
. |. Y: f' s* J0 N( S. O/ L图10 典型刀具材料粗加工成本

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
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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