淺談石墨電極在模具加工中的應(yīng)用

淺談石墨電極在模具加工中的應(yīng)用
近年來隨著精密模具及高效模具（模具周期越來越短）的推出，人們對(duì)模具制作的要求越來越高，由于銅電極自身種種條件的限制，已越來越不能滿足模具行業(yè)的發(fā)展要求。石墨作為EDM電極材料，以其高切削性、重量輕、成形快、膨脹率極小、損耗小、修整容易等優(yōu)點(diǎn)，在模具行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，代替銅電極已成為必然。

一、石墨電極材料特性

1.CNC加工速度快、切削性高、修整容易

石墨機(jī)加工速度快，為銅電極的3～5倍，精加工速度尤其突出，且其強(qiáng)度很高，對(duì)于超高（50～90mm）、超薄（0.2～0.5mm）的電極，加工時(shí)不易變形。而且在很多時(shí)候，產(chǎn)品都需要有很好的紋面效果，這就要求在做電極時(shí)盡量做成整體公電極，而整體公電極制作時(shí)存在種種隱性清角，由于石墨的易修整的特性，使得這一難題很容易得到解決，并且大大減少了電極的數(shù)量，而銅電極卻無(wú)法做到。

2.快速EDM成形、熱膨脹小、損耗低

由于石墨的導(dǎo)電性比銅好，所以它的放電速度比銅快，為銅的3~5倍。且其放電時(shí)能承受住較大電流，電火花粗加工時(shí)更為有利。同時(shí)，同等體積下，石墨重量為銅的1/5倍，大大減輕EDM的負(fù)荷。對(duì)于制作大型的電極、整體公電極極具優(yōu)勢(shì)。石墨的升華溫度為4200℃，為銅的3~4倍(銅的升華溫度為1100℃)。在高溫下，變形極小（同等電氣條件下為銅的1/3~1/5），不軟化。可以高效、低耗地將放電能量傳送到工件上。由于石墨在高溫下強(qiáng)度反而增強(qiáng)，能有效地降低放電損耗（石墨損耗為銅的1/4），保證了加工質(zhì)量。

3.重量輕、成本低

一套模具的制作成本中，電極的CNC機(jī)加工時(shí)間、EDM時(shí)間、電極損耗等占總體成本的絕大部分，而這些都是由電極材料本身所決定。石墨與銅相比，石墨的機(jī)加工速度和EDM速度都是銅的3～5倍。同時(shí)，磨損極小的特性與整體公石墨電極的制作，都能減少電極的數(shù)量，也就減少了電極的耗材與機(jī)加工時(shí)間。所有這些，都可大大降低模具的制作成本。

二、石墨電極機(jī)電加工要求與特點(diǎn)

1.電極的制作

專業(yè)的石墨電極制作主要采用高速機(jī)床來加工，機(jī)床穩(wěn)定性要好，三軸運(yùn)動(dòng)要均勻穩(wěn)定不振動(dòng)，而且像主軸這些回轉(zhuǎn)精度也要盡可能的好。對(duì)一般的機(jī)床也可以完成電極的加工，只是編寫刀路的工藝與銅電極有所不同。

2.EDM放電加工

石墨電極就是碳電極。因?yàn)槭膶?dǎo)電性能好，所以在放電加工中能節(jié)省大量時(shí)間，這也是用石墨做電極的原因之一。

3.石墨電極的加工特點(diǎn)

工業(yè)用石墨質(zhì)硬而脆， 在C N C加工時(shí)對(duì)刀具的磨損較為嚴(yán)重，一般建議使用硬質(zhì)合金或金剛石涂層的刀具。石墨在粗加工時(shí)刀具可直接在工件上下刀，精加工時(shí)為避免崩角、碎裂的發(fā)生，常采用輕刀快走的方式加工。一般而言，石墨在切深小于0.2mm的情況下很少發(fā)生崩碎，還會(huì)獲得較好的側(cè)壁表面質(zhì)量。石墨電極CNC加工時(shí)產(chǎn)生的灰塵比較大，可能入侵到機(jī)床的導(dǎo)軌絲桿和主軸等，這就要求石墨加工機(jī)床有相應(yīng)的處理石墨灰塵的裝置，機(jī)床密封性也要好，因?yàn)槭卸尽?

三、加工石墨電極實(shí)例

如圖1所示的是掛機(jī)面板注射模定模芯石墨電極，其毛坯尺寸為182mm×42mm×65mm，中間小槽最大寬度為3.1mm，最大槽深為5.1mm，整體加工高度為64mm。

這種類型電極的外形尺寸中等，形狀較為復(fù)雜，在石墨電極中為較普遍的模型。整個(gè)模型采用Pro/ENGINEER的Wildfire2.0進(jìn)行數(shù)控加工，不過，在加工之前先在煤油中浸泡數(shù)小時(shí)，降低其脆性。由于中間槽小且不規(guī)則，CAM的加工策略為：先粗加工整體外形，再精加工成形曲面及下端相連曲面，接著粗加工中間小槽，最后精加工中間小槽。

圖1 掛機(jī)面板注射模定模芯石墨電極
1.整體粗加工

使用D20（R1）涂層鑲片銑刀，采用螺旋加工方式（TYPE_SPIRAL），切深(STEP_DEPTH)0.35mm，步距(SIDE_STEP)8mm，輪廓余量（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，主軸轉(zhuǎn)速（SPINDLE_SPEED）2500r/min，進(jìn)給速度(CUT_FEED)800mm/min。

使用屏幕演示（Screen Play）功能，加工刀具軌跡如圖2所示。

圖2 粗加工整體外形
同時(shí)，對(duì)加工進(jìn)行仿真模擬檢查（NC Check）和過切檢查（GougeCheck）。銑刀沒有進(jìn)入中間槽的內(nèi)部，整個(gè)電極外形被銑出，符合工藝的要求。按完成序列（DoneS w q）退出。程序計(jì)算的時(shí)間為50s，加工時(shí)間為2.1h。

2. 精加工一

精加工選用D16（R8）球頭銑刀，采用曲面銑削(SurfaceMilling)的加工方式，步距(SIDE_STEP)0.2mm，輪廓余量（PROF_STOCK_ALLOW）-0.25mm，切削角度（CUT_ANGLE）45°，加工類型（SCAN_TYPE）TYPE_3，安全高度（CLEAR_DIST）5mm，主軸轉(zhuǎn)速（SPINDLE_SPEED）2500r/min，進(jìn)給速度(CUT_FEED)650mm/min。使用屏幕演示（Screen Play）功能，加工刀具軌跡如圖3所示。同時(shí)，對(duì)加工進(jìn)行仿真模擬檢查(NC Check)和過切檢查（Gouge Check）。銑刀沒有進(jìn)入中間槽的內(nèi)部，槽外部被定義的加工成型曲面的負(fù)余量（火花間隙即搖動(dòng)量）都被去除了，符合工藝的要求。按完成序列（Done Swq）退出。程序計(jì)算的時(shí)間為130s，加工時(shí)間為1.5h。

圖3 精加工成型曲面
3. 精加工二

使用D20（R1）涂層鑲片銑刀，加工類型（SCAN_TYPE）TYPE_2，切深(STEP_DEPTH)0.35mm，步距(SIDE_STEP)8mm，輪廓余量（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，主軸轉(zhuǎn)速（SPINDLE_SPEED）2500r/min，進(jìn)給速度(CUT_FEED)800mm/min。使用屏幕演示（Screen Play）功能，加工刀具軌跡如圖4所示。同時(shí)，對(duì)加工進(jìn)行仿真模擬檢查（NC Check）和過切檢查（Gouge Check）。銑刀進(jìn)行側(cè)面加工，電極側(cè)部被銑到位，符合工藝的要求。按完成序列（Done Swq）退出。程序計(jì)算的時(shí)間為45s，加工時(shí)間為2h。

圖4 精加工側(cè)面
4. 粗加工中間小槽

使用D2（R0.4）涂層牛鼻銑刀， 采用螺旋加工方式（TYPE_SPIRAL），切深(STEP_DEPTH)0.25mm，步距( SIDE_STEP)0.8mm，輪廓余量（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，主軸轉(zhuǎn)速（SPINDLE_SPEED）3500r/min，進(jìn)給速度(CUT_FEED)450mm/min。

使用屏幕演示（Screen Play）功能，加工刀具軌跡如圖5所示。

同時(shí)，對(duì)加工進(jìn)行仿真模擬檢查（NC Check）和過切檢查（GougeCheck）。銑刀進(jìn)入中間槽的內(nèi)部，槽的外形被銑出，符合工藝的要求。按完成序列（Done Swq）退出。程序計(jì)算的時(shí)間為30s，加工時(shí)間為1h。

圖5 粗加工中間小槽
5. 精加工三

精加工選用D1（R0.5）球頭銑刀，采用曲面銑削(SurfaceMilling)的加工方式，步距(SIDE_STEP)0.2mm，輪廓余量（PROF_STOCK_ALLOW）-0.25mm，切削角度（CUT_ANGLE）45°，加工類型（SCAN_TYPE）TYPE_3，安全高度（CLEAR_DIST）5mm，主軸轉(zhuǎn)速（SPINDLE_SPEED）3500r/min，進(jìn)給速度(CUT_FEED)400mm/min。使用屏幕演示（Screen Play）功能，加工刀具軌跡如圖6所示。同時(shí)，對(duì)加工進(jìn)行仿真模擬檢查（NC Check）和過切檢查（Gouge Check）。銑刀進(jìn)入中間槽的內(nèi)部，槽內(nèi)部被定義的加工成形曲面的負(fù)余量（火花間隙即搖動(dòng)量）都被去除了，符合工藝的要求。按完成序列（DoneS wq）退出。程序計(jì)算的時(shí)間為60s，加工時(shí)間為0.5h。

圖6 精加工中間小槽
四、編輯加工作業(yè)指導(dǎo)書

數(shù)控加工作業(yè)指導(dǎo)書如圖7所示。

圖7 加工作業(yè)指導(dǎo)書范例
五、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)未來模具行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，誰(shuí)能在最短的時(shí)間里完成模具的制作，誰(shuí)就贏得了客戶，贏得了市場(chǎng)。由于石墨電極(與銅相比)有電極消耗少、放電加工速度快、機(jī)械加工性能好、重量輕、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)越性，已經(jīng)被大家逐步認(rèn)識(shí)并接受。擁有了石墨電極就擁有了模具的明天!