1. 序言
20世纪，铜被广泛用作电火花加工中的电极材料。 当时，石墨材料只能作为制作小型电极时的替代考虑，且磨具加工要求不高或加工粗糙。 一些早期接触过石墨电极的技术人员普遍的印象是：石墨材料脏、易夹渣、表面功效差、加工效率低等。
随着高新技术的发展，石墨材料的制造工艺不断建立，能够满足不同电火花加工要求的石墨材料层出不穷。 市场上出现了石墨高速切削铣床，数控电火花铣床的石墨放电性能也得到全面提高。 提升。 如今，在制造技术领先的法国，磨具企业90%以上的电极材料均采用石墨。 民用航空、汽车、家电、电子等磨料磨具广泛采用石墨作为电极材料。 这些明显的变化归功于石墨电极能够实现高效率、高质量加工的诸多优点。
但在中国，大多数磨具企业仍采用铜作为主要电极材料。 下面根据石墨材料的特点，综合分析其电火花加工的优缺点，介绍如何正确选择石墨材料、电极制造和电火花加工的要点，并提供实际应用案例。
2、石墨材料的电火花加工特性
2.1 电火花加工率
石墨是一种非金属材料，熔点极高，可达3650℃，而铜的熔点为1083℃，因此石墨电极可以承受更大的电压设定条件。 当放电面积和电极规格尺寸较大时，石墨材料高效粗加工的优越性更加明显。 石墨的导热系数是铜的1/3，放电过程中形成的热能可以更有效地利用消除金属材料，因此在中、精加工时其加工效率比铜电极高。 根据加工经验，在正确的使用条件下，石墨电极的电火花加工速度整体上比铜电极快1.5~2倍。
2.2 电极磨损
石墨电极具有能够承受大电压条件的特点。 另外，在适当的粗加工设定条件下，含碳元素的钢腔加工时形成的腐蚀产物和低温工作液形成的分解产物碳颗粒，在极性的作用下，部分被腐蚀材料和碳颗粒会粘附在电极表面形成保护层，这保证了石墨电极在粗加工时的磨损极小，甚至“零损耗”。 电火花加工中的电极损耗主要来自于粗加工，精加工的设定条件实际上损耗率较高，但由于零件预留的加工余量不多，加工侵蚀较少，总体损耗也较小。 一般来说，石墨电极在高压的粗加工中会比铜电极磨损更多，而在精加工中损耗可能比铜电极稍小，两者的电极磨损相当。
2.3 表面质量
石墨材料的颗粒半径直接影响电火花加工的表面粗糙度，半径越小，可获得的表面粗糙度值越低。 几年前，采用颗粒半径为φ5μm的石墨材料，电火花加工的最佳表面只能达到（Ra0.8μm）。 现在石墨材料的颗粒半径可以达到φ3μm以内，电火花加工的最佳表面可以稳定达到（Ra0.4μm）或更细的等级，但石墨电极很难进行镜面电火花加工。 铜材料电阻率低，结构致密，电火花加工容易获得稳定的加工状态，在困难条件下也能稳定加工。 表面粗糙度可大于Ra0.1μm，可用于镜面电火花加工。 。
可见，如果电火花加工追求非常精细的表面，则更适合使用铜材料作为电极，这是铜电极相对于石墨电极的主要优点。 但在高电压设定条件下，铜电极表面容易出现粗糙甚至裂纹，而石墨材料则不存在此问题。 对于表面粗糙度要求（Ra2.0μm）左右的工件加工，使用1根石墨电极即可完成从粗到精的加工过程，并达到均匀一致的纹理效果，表面不会出现缺陷。 另外，由于石墨和铝结构的差异，石墨电极表面放电的腐蚀点比铜电极更加规则。 因此，当表面粗糙度等于或高于铜电极时，石墨电极加工的螺孔表面粒径更加明显。 这些纹理表面的疗效优于铜电极的放电表面。
2.4 加工精度
石墨材料的热膨胀系数小，铜材料的热膨胀系数是石墨材料的4倍。 因此，石墨电极在电火花加工中比铜电极更不易变形，可以获得更稳定可靠的加工精度。 特别是加工深而窄的筋时，局部低温容易造成铜电极弯曲变形，而石墨电极则不会这样做； 对于深径比较大的铜电极，在加工设置时需要补偿一定的热膨胀值。 修改规范，而石墨电极则不需要。
2.5 电极重量
石墨材料的密度比铜低，相同体积的石墨电极重量仅为铜电极的1/5。 可见，石墨材料特别适合做大体积的电极，大大减轻了电火花铣床主轴的负载。 电极不会因重量大而造成加工过程中装夹不方便、偏航位移等问题。 在加工中使用石墨电极是有意义的。
2.6 电极制作难度
石墨材料的机械加工性能好，磨削阻力仅为铜的1/4。 在正确的加工条件下，石墨电极的切割效率是铜电极的2~3倍。 石墨电极易于清角，通常由多个电极完成的螺孔可设计为整体电极进行加工。 石墨材料独特的颗粒结构可防止电极切割成型后毛刺的形成。 直接满足不易去除毛刺的复杂形状的要求。 省去了电极的手工抛光工序，并防止抛光引起的形状变化。 、尺寸误差等
需要注意的是，由于石墨是煤尘沉积物，切割石墨时会形成大量的烟尘，因此切割铣床必须有密封和吸尘装置。 如果需要采用电火花线切割加工石墨电极，其加工性能不如铜材料，且切割速度比铜慢40%左右。
2.7 电极安装与使用
石墨材料具有良好的粘结性，可以使用导电胶将石墨与夹具粘结，进行电极切割和放电加工，可以省去在电极材料上加工螺母孔的工序，节省工时。 石墨材料比较脆，特别是小而窄的电极。 使用过程中受到外力时很容易扭曲、断裂，但可以立即知道电极已损坏。 如果是铜电极，只会弯曲，不会扭曲。 这些情况是非常危险的，在使用过程中无法察觉，很容易造成型腔报废。
2.8价格
铜材料是不可再生资源，其价格趋于越来越贵，而石墨材料价格趋于稳定。 近年来，铜材料的价格不断下降，各大石墨生产商不断改进石墨的制作工艺，使其更具性价比。 现在，同等体积下，通用石墨电极材料的价格与铜电极材料的价格相当。 但石墨能够实现的高效加工，相比使用铜电极节省了大量的工时，相当于直接增加了生产成本。
综上所述，在石墨电极的8个电火花加工特性中，其优点显着：轧制电极和电火花加工的效率明显优于铜电极，大电极重量小，规格稳定性好，并且细的电极不易发生变形，表面质感比铜好。 石墨材料的缺点是不适合精细表面放电加工（Ra0.4μm），线放电切割制作电极的效率较低。 但从实际来看，影响石墨材料在国外有效推广的一个重要因素是切割电极需要专用的石墨加工机器，这对磨具企业的加工设备提出了新的要求，而一些大企业可能没有这个条件。 总的来说，石墨电极特性的优势涵盖了电火花加工的大部分加工场合，值得推广应用。 常年效益可观，采用铜电极可弥补精细表面加工的不足。
3、电火花加工用石墨电极材料的选择
对于石墨材料来说，主要有以下四个指标直接决定材料的性能：
1）材料的平均颗粒半径
物料的平均颗粒半径直接影响物料的排出状况。 石墨材料的平均粒径越小，材料的排出越均匀，排出状况越稳定，表面质量越好，磨损越小； 平均粒径越大，粗加工时去除率越好，但精加工时表面治疗效果差，电极磨损。
2）材料的弯曲硬度
材料的弯曲硬度是材料硬度的直接表现，显示材料内部结构的紧密程度。 硬度高的材料在放电过程中具有比较好的耐磨性。 对于精度要求较高的电极，应尽可能选择硬度较好的材料。
3）材料的肖氏强度
石墨的强度比金属材料高，铣削时刀具的损耗也比铣削金属大。 同时，高强度石墨材料在放电损失的控制方面表现优异。
4）材料的本征内阻
具有较大内阻的石墨材料比具有较小内阻的石墨材料具有更慢的放电速率。 本征内电阻率越高，电极损耗越小，但当本征内电阻率较低时，放电稳定性会受到影响。
目前，世界著名石墨供应商中的不同供应商都有多种不同钢种的石墨可供选择。 一般根据石墨材料的平均颗粒半径来分类。 颗粒半径≤φ4μm定义为细石墨，粒径为φ5~φ10μm定义为中石墨，粒径为10μm以上定义为粗石墨。 颗粒半径越小，材料越贵，可根据电火花加工的要求和成本选择合适的石墨材料。
4. 石墨电极的制作
磨具制造中的石墨电极主要是通过切削加工制成的。 从加工工艺角度来看，石墨和铜是两种不同的材料，应掌握其不同的磨削特性。 如果用加工铜电极的工艺来加工石墨电极，必然会出现片状频繁开裂等问题，这就需要使用合适的磨削工具和磨削参数。
加工石墨电极的工具比铜电极更容易生锈。 从经济性上来说，选择硬质合金刀具是最经济的。 选择金刚石涂层刀具（称为石墨刀）价格较贵，但金刚石涂层刀具使用寿命长，加工精度高，综合经济效益好。 刀具前角的大小也影响其使用寿命。 前角为0°的刀具比前角为15°的刀具使用寿命最多延长50%。 表面越好，使用15°斜角的刀具可以获得最佳的加工表面。 加工时的切割速度可根据电极的形状进行调整，一般为10m/min，与加工铝或塑料类似。 粗加工时，刀具可直接在型腔内上下移动，精加工时容易出现断角、崩角的现象。 ，常以轻刀快走的形式出现。
石墨电极在铣削过程中会形成大量的烟雾和粉尘。 为了防止石墨颗粒被吸入铣床主轴和螺栓中，目前主要有两种解决方案。 一是采用专用石墨加工机，二是在普通加工中心上加装、配置专用除尘装置。 市场上的专用石墨高速切削铣床切削效率高，可以轻松完成复杂电极的制造，电极精度高，表面质量好。
如果需要采用电火花线切割制作石墨电极，建议使用粒径较小的细石墨材料。 石墨材料的电火花线切割性能较差，颗粒半径越小，可以获得越高的切割效率，并可以防止断丝频繁、表面发白等异常问题。
5、石墨电极电火花加工参数
石墨和铜材料的电火花加工参数选择有很大差异。 EDM参数主要包括电压、脉冲长度、脉冲间隙、极性。 下面介绍合理使用该主要参数的理由。
石墨电极的电压密度通常为10~12A/cm2，远大于铜电极。 因此，在相应区域允许的电压范围内，电压选择越大，石墨电火花加工速度越快，电极消耗越小。 但表面粗糙度会比较粗糙。
选择的脉冲长度越大，电极磨损就会增加。 但较大的脉冲长度会使加工稳定性变差，同时使加工速度变慢、表面变粗糙。 为了保证粗加工时较低的电极损耗，一般采用较大的脉冲长度。 当值为100-时，可以有效实现石墨电极的低损耗加工。 精加工时，为了获得精细的表面和稳定的放电效果，宜选择较小的脉冲长度。 与铜电极相比，石墨电极通常选择的脉冲长度减少约 40%
脉冲间隙主要影响电火花加工速率和加工稳定性。 该值越大，加工稳定性越好，有利于获得更好的表面均匀性，但加工速率会增加。 在保证加工稳定的情况下，可选择较小的脉冲间隙，以获得较高的加工效率，但当放电状态不稳定时，可选择较大的脉冲间隙，以获得较高的加工效率。 在石墨电极电火花加工中，脉冲间隙和占空比长度一般设置为1：1，而在一般铜电极加工中，脉冲间隙和占空比长度设置为1：3。 在石墨加工稳定的情况下，脉冲间隙与占空比长度的匹配比可调整为2：3。 当脉冲间隙较小时，有利于在电极表面生成覆盖层，有利于减少电极磨损。
石墨电极电火花加工中极性的选择与铜电极基本相同。 根据电火花加工的极性效应，加工磨料钢时一般采用正极性加工，即电极接电源负极，螺孔接电源正极。 采用较大的电压和脉冲长度，选择正极性加工可以获得极低的电极磨损和治疗效果。 如果极性选择错误，电极磨损就会显得很大。 只有当表面要求精加工大于（Ra0.8μm）且采用很小的脉冲长度时，才采用正极性加工以获得较好的表面质量，但电极会磨损。
当今的数控电火花加工铣床配备了石墨电火花加工参数。 电气参数的使用是智能化的，可以由铣床的专家系统手动生成。 一般情况下，铣床可以通过编程时选择材料对、应用类型、表面粗糙度值，输入加工面积、加工深度、电极规格比例等来配置优化的加工参数。铣床有丰富的加工参数库用于石墨电极的电火花加工。 材料类型上可选择粗石墨、中石墨、细石墨，以对应各种键槽材料。 应用类型细分为标准型、深槽型、尖点型、大面积型。 、大腔体、微型等，还提供低损耗、标准、高效率等多种加工优先级选择。
6、石墨电极加工应用案例
右图手机磨料件材质为S136钢，加工形状包括形状复杂的加强筋。 采用石墨电极，精加工电极采用TTK-4石墨，电极数量为2个。粗加工电极的氧化皮为一侧0.08mm，精加工电极的氧化皮为一侧0.08mm。 粗加工时间3H，精加工时间，表面粗糙度（Ra0.8μm）。 加工说明：利用石墨的特性，将许多不同形状和高度的细加强筋组合在一根电极上进行电火花加工，可以减少电极原材料和夹具的投入成本，减少电极装夹和定位的次数工作负荷、放电时间比铜电极加工缩短40%。
七、结论
新型石墨电极材料值得大力推广，其优越性将逐步被国外磨具制造行业认识和接受。 石墨电极材料的正确选择以及相关工艺环节的改进将为磨具制造商带来高效率、高质量、低成本的效益。
