石墨電極在模具製造電火花加工中的應用

1. 引言

在20世紀，銅作為電極材料在電火花加工中被廣泛使用。那時只有在製作大型電極且模具加工要求不高或粗加工時，石墨材料才會成為備選考慮。一些早期接觸過石墨電極的技術人員曾有普遍印象：石墨材料髒、易掉渣、表面效果不好、加工效率不高等等。

隨著高新技術的發展，石墨材料的製造工藝不斷完善，能滿足不同電火花加工需求的石墨材料層出不窮，市場上石墨高速銑削工具機應運而生，數控電火花加工工具機的石墨放電性能也有了全面的提升。當今，在製造技術領先的歐洲，模具企業超過90%的電極材料採用石墨。航空航天、汽車、家電、電子等模具已大範圍採用石墨作為電極材料，這種顯著變化歸功於石墨電極可實現高效率、高品質加工等諸多優勢。

但在中國，當前大多數模具企業還是選用銅作為主要的電極材料。根據石墨材料的特性，以下全面分析其電火花加工的優勢與不足，介紹如何正確選擇石墨材料、電極製作與放電加工的要點，並提供實際應用案例。

2. 石墨材料的電火花加工特性

2.1 放電加工速度

石墨是一種非金屬材料，熔點極高，達3 650℃，而銅的熔點是1083 ℃，因此石墨電極能承受更大的電流設定條件。當放電面積與電極尺寸縮放量越大時，石墨材料高效率粗加工的優越性越顯著。石墨的導熱係數是銅的1/3，其放電過程中產生的熱能可更有效地用於去除金屬材料，因此在中、精加工中，其加工效率也比銅電極要高。根據加工經驗，在正確的使用條件下，石墨電極的放電加工速度要比銅電極整體快1.5~2倍。

2.2 電極損耗

石墨電極具有能承受大電流條件的特性，另外，在合適的粗加工設定條件下，含碳元素的鋼工件在加工時產生的蝕除物和工作液在高溫下產生的分解物中的碳顆粒，在極性效應的作用下，部分蝕除物、碳顆粒會粘附在電極表面形成一層保護層，保證了石墨電極在粗加工中的損耗極小，甚至是「零損耗」。電火花加工中主要的電極損耗量來自於粗加工，精加工設定條件雖然損耗率較高，但因零件預留加工餘量不多即加工蝕除量較少，其總體損耗量也較少。總體而言，石墨電極在大電流的粗加工中損耗會少於銅電極，在精加工中損耗可能會稍大於銅電極，二者的電極損耗情況相當。

2.3 表面質量

石墨材料的顆粒直徑直接影響電火花加工的表面粗糙度，直徑越小可獲得更低的表面粗糙度值。幾年前使用顆粒直徑φ5 μm的石墨材料，電火花加工的最佳表面只能達到VDI18（Ra0.8 μm），現今石墨材料的顆粒直徑已能達到φ3 μm以內，電火花加工的最佳表面可穩定達到VDI12（Ra0.4 μm）或者更精細的等級，但石墨電極無法進行鏡面電火花加工。銅材料的電阻率較低，組織結構緻密，電火花精加工易獲得穩定的加工狀態，在較困難的條件下也能穩定加工，表面粗糙度可小於Ra0.1 μm，能進行鏡面電火花加工。

由此可見，如果放電加工追求極其精細的表面，使用銅材料做電極更加合適，這是銅電極較石墨電極的主要優勢。但銅電極在大電流設定條件下，電極表面容易變得粗糙不堪，甚至出現裂紋，而石墨材料則沒有這方面的問題，對於表面粗糙度要求為VDI26（Ra2.0 μm）左右的型腔加工，使用1個石墨電極即可完成從粗到精的加工過程，實現均勻一致的紋面效果，表面不會有缺陷。另外，由於石墨與銅材組織結構的不同，石墨電極表面放電的腐蝕點比銅電極要規則，因此在加工VDI20及以上相同表面粗糙度時，使用石墨電極加工的工件表面顆粒度更加分明，這種紋面效果要優於銅電極的放電錶面效果。

2.4 加工精度

石墨材料的熱膨脹係數小，銅材料的熱膨脹係數是石墨材料的4倍，因此在放電加工中石墨電極相比銅電極不易發生變形，可獲得更穩定可靠的加工精度。尤其是在加工深窄筋位部分時，局部高溫容易使銅電極發生彎曲變形，而石墨電極不會這樣；對於深徑比大的銅電極，在加工設定時還需要補償一定的熱膨脹值來修正尺寸，而石墨電極不需要。

2.5 電極重量

石墨材料較銅的密度要小，相同體積的石墨電極重量僅為銅電極的1/5。可見體積較大的電極使用石墨材料非常合適，極大地減輕了電火花加工工具機主軸的載荷，電極不會因為重量大而導致裝夾不便、加工中產生偏擺位移等問題，可見在大型模具加工中使用石墨電極很有意義。

2.6 電極製作難度

石墨材料的機械加工性能好，切削阻力僅為銅的1/4，在正確的加工條件下，銑削加工石墨電極的效率是銅電極的2~3倍。石墨電極容易清角，可以將平時要由多個電極完成的工件設計成一個整體電極來加工。石墨材料獨特的顆粒組織結構，使得電極銑削成型後不會產生毛刺，對於複雜造型不便於去除毛刺的情況直接滿足使用要求，省去了人工對電極進行拋光的工序，避免了拋光導致的形狀改變、尺寸誤差等。

需要注意的是，由於石墨是粉塵堆積物，銑削石墨時會產生大量的粉塵，因此銑削工具機必須要有密封與吸塵裝置。如果需要使用電火花線切割加工石墨電極，其加工性能就不如銅材料了，切割速度相比銅慢約40%。

2.7 電極安裝與使用

石墨材料的可粘結性好，可以使用導電膠將石墨與夾具粘結的方法銑削電極、放電加工，可省去在電極材料上加工螺絲孔的工序，節省了工作時間。石墨材料比較脆，特別是細小窄長電極，在使用中受到外力作用時容易折斷，但可以馬上知曉電極發生了損傷。如果是銅電極則只會彎曲不會折斷，這種狀況在使用過程中非常危險且難以發現，很容易導致工件報廢。

2.8 價格

銅材料是不可再生資源，價格趨勢會越來越貴，而石墨材料的價格趨於穩定。近幾年銅材料價格不斷上漲，而各大石墨製造商不斷改進位作石墨的工藝使其更具性價比優勢，如今，相同體積下，通用性石墨電極材料的價格與銅電極材料的價格相當，但石墨所能實現的高效率加工，比使用銅電極要節省的大量工時，相當於直接地降低了生產成本。

綜上所述，在石墨電極的8項電火花加工特性中，其優勢明顯：銑削電極與放電加工的效率均顯著優於銅電極，大電極重量小，尺寸穩定性良好，薄片電極不容易發生變形，表面紋理優於銅。石墨材料的不足之處是不太適合VDI12（Ra0.4 μm）以下的精細表面放電加工，使用電火花線切割製作電極的效率較低。但從實際角度來看，影響石墨材料在國內不能有效推廣的一個重要原因是銑削電極需要有專門的石墨加工機，這就對模具企業的加工設備提出了新的要求，一些小型企業可能不具備這個條件。總體而言，石墨電極特性的優勢涵蓋了電火花加工的絕大多數加工場合，值得推廣應用，長期效益可觀，其精細表面加工的不足之可以通過使用銅電極來彌補。

3. 電火花加工用石墨電極材料的選擇

對於石墨材料，主要有以下4個指標直接決定著材料的使用性能：

1）材料的平均顆粒直徑

材料的平均顆粒直徑直接影響到材料放電的狀況。石墨材料的平均顆粒越小，材料的放電越均勻，則放電狀況越穩定，表面質量越好，損耗情況越小；平均顆粒越大，在粗加工中能獲得更好的去除率，但精加工表面效果較差，電極損耗較大。

2）材料的抗折強度

材料的抗折強度是材料強度的直接體現，顯示材料內部結構的緊密程度。強度高的材料，其放電的耐損耗性能相對較好，對於精度要求高的電極，儘可能選擇強度較好的材料。

3）材料的肖氏硬度

石墨的硬度比金屬材料要高，在切削時刀具的損耗比切削金屬要大些。與此同時，硬度高的石墨材料在放電損耗方面的控制比較優秀。

4）材料的固有電阻率

固有電阻率較大的石墨材料，放電速度會比電阻率小的慢。固有電阻率越高，電極損耗就越小，但固有電阻率偏高時，放電的穩定性會受到影響。

目前全球知名的石墨供應商中不同供應商有多種不同牌號的石墨可供選擇。通常根據石墨材料的平均顆粒直徑來分類，顆粒直徑≤φ4 μm的定義為細石墨，顆粒在φ5~φ10 μm定義為中石墨，顆粒在10 μm以上定義為粗石墨。顆粒直徑越小材料的價格越貴，可以根據電火花加工要求與成本選擇合適的石墨材料。

4. 石墨電極的製作

模具製造中的石墨電極主要用銑削加工的方法製作完成。從加工工藝的角度看，石墨與銅是2種不同的材料，應該掌握它們不同的切削特性。如果使用加工銅電極的工藝來加工石墨電極，必然會出現問題，如薄片經常發生斷裂，這就要求採用合適的切削刀具與切削參數。

加工石墨電極比銅電極的刀具磨損要大，就經濟性考慮，選用硬質合金刀具是最經濟的，選擇金剛石塗層刀具（稱石墨刀）價格較昂貴，但金剛石塗層刀具使用壽命長，加工精度高，整體經濟效益不錯。刀具的前角大小也影響其使用壽命，前角0°的刀具會比前角15°的刀具高出多達50%的使用壽命，切削的穩定性也較好，但是斜角越大，加工表面越好，使用15°斜角的刀具能達到最佳的加工表面。加工時的走刀速度可按電極的形狀來調整，通常為10m／min，與加工鋁或塑料類似，粗加工時刀具可直接在工件上下刀，精加工易發生崩角、碎裂的現象，常採用輕刀快走的方式。

石墨電極在切削加工中會產生大量的粉塵，為避免石墨顆粒吸入工具機主軸和絲槓，目前解決方案主要有2種，一種是使用專門的石墨加工機，另一種是將普通的加工中心改裝，配置專門的吸塵裝置。市場上專門的石墨高速銑削工具機銑削效率高，可輕鬆完成複雜電極的製造，電極精度高，表面質量佳。

如果需要使用電火花線切割來製作石墨電極，推薦使用顆粒直徑更小的細石墨材料。石墨材料的電火花線切割加工性能較差，其顆粒直徑越小時可獲得相對較高的切割效率，避免出現頻繁斷絲、表麵條紋等異常問題。

5. 石墨電極的電火花加工參數

石墨與銅材料的電火花加工參數選用有較大差異。電火花加工參數主要包括電流、脈衝寬度、脈衝間隙、極性。以下介紹合理使用這些主要參數的依據。

石墨電極的電流密度一般為10~12 A/cm2，比銅電極要大得多，因此在對應面積允許的電流大小範圍內，電流選用越大，則石墨放電加工速度越快，電極損耗越小，但表面粗糙度會變粗。

脈衝寬度選用越大，電極損耗會降低。但較大的脈衝寬度會使加工穩定性變差，同時使加工速度變慢，表面變粗糙。粗加工時為保證電極低損耗，通常使用較大的脈衝寬度，其取值在100～300 us時可有效實現石墨電極的低損耗加工。精加工時，為獲得精細表面與穩定的放電效果，宜選用較小的脈衝寬度。一般石墨電極比銅電極加工時選取的脈衝寬度要減少約40%

脈衝間隙主要影響放電加工速度和加工穩定性，其值越大加工穩定性越好，對獲得較好的表面均勻性有幫助，但加工速度會降低。在保證加工穩定的情況下，選用較小的脈衝間隙可獲得較高的加工效率，但放電狀態不穩定時，脈衝間隙選取較大些可獲得更高的加工效率。石墨電極放電加工中通常將脈衝間隙與脈寬寬度按1:1來設定，而通常銅電極加工中脈衝間隙與脈寬寬度按1:3來設定。在石墨加工穩定的情況下，可以將脈衝間隙與脈寬寬度的搭配比例調整到2:3。脈衝間隙較小的情況下，有利於在電極表面形成覆蓋層，對降低電極損耗有一定的幫助。

石墨電極電火花加工中極性的選用與銅電極基本相同。根據電火花加工的極性效應，在加工模具鋼時通常選用正極性加工，也就是電極接電源的正極，工件接電源的負極。使用較大電流和脈衝寬度，選擇正極性加工可以獲得極低的電極損耗效果，如果將極性選錯將會導致電極損耗變得非常大。只有在表面要求小於VDI18（Ra0.8μm）的精細加工，採用極小的脈衝寬度，才選用負極性加工以獲得較好的表面質量，但電極損耗較大。

現在的數控電火花加工工具機都配有石墨放電加工參數。電參數的使用是智能化的，可以通過工具機的專家系統來自動生成。通常是在編程時選擇材料對、應用類型、表面粗糙度值，輸入加工面積、加工深度、電極尺寸縮放量等，工具機就能配置出優化的加工參數。工具機針對石墨電極的放電加工設有豐富的加工參數庫，材料類型裡可選擇粗石墨、中石墨、細石墨對應多種工件材料，將應用類型細分為標準、深槽、尖點、大面積、大型腔、微細等，還提供了低損耗、標準、高效率等多種加工優先權選擇。

6. 石墨電極加工應用案例

下圖所示手機模具零件的材料S136鋼料，加工形狀包含形狀複雜的加強筋。使用石墨電極，精加工電極使用TTK-4石墨，電極數量2個，粗加工電極尺寸縮放量單邊0.08 mm，精加工電極尺寸縮放量單邊0.08 mm。粗加工時間3H，精加工時間53 min，表面粗糙度VDI18（Ra 0.8μm）。加工說明：利用石墨的特性將不同形狀，將不同高低的眾多薄加強筋組合在一個電極上進行放電加工，可減少電極原材料、夾具的投入成本，降低電極的裝夾次數和定位工作量，放電時間比使用銅電極加工縮短40%。

7. 結束語

新型石墨電極材料值得大力推廣，其優越性將逐漸被國內模具製造行業認識和接受。正確選用石墨電極材料，並配合改進相關工藝環節，將為模具製造企業帶來高效率、高品質、低成本效益。