EDM石墨电极材料的再认识

EDM石墨电极材料的再认识昆山黑金石墨科技有限公司姜涛刘波随着EDM（电火花加工）工艺技术在精密模具加工中扮演越来越重要的角色与位置，EDM电极材料的选择则也愈发的受到极大的关注和极高的重视！众所周知，电极材料的通常选择为：电解铜、铜钨、银钨、传统石墨等，但因受品质、成本及效率的综合考量，绝大多数模具厂家选择电解铜为常用电极材料，但随着工业与科技的进一步发展，更高的品质、更低的成本和更快的交期成了模具加工厂不变的改善主题，新型石墨材料于一个恰当的时机进入了模具制造工程师的视线，它的高品质、高效率、较低的成本也以接近完美的方式诠释了工程师们的追求！许多较早进入模具加工行业并接触过石墨材料的工程师曾有一普遍印象：脏、易掉渣、加工精度差、效率不高等等，那时只有在不得已的时候且模具制造品质度要求不高时才会成为人们的一个备选考虑，而如今，因技术的升级，其新型的石墨材料---等静压石墨所带给人们的感受已是大为不同：高强度、高密度所伸展的加工特性已是可加工极高精度的精密零件，可加工极复杂对造型要求极高的特大型零件，加工效率惊人。

这就是当前我们所看到的景象：汽车模具、家电模具、手机模具已大范围的采用等静压石墨材料作为电极材料的常选，而带给模具厂家的结果则是高品质模具的快速试模、量产皆变为现实，极大的增强了模具厂家的竞争力。

理论总是由实践总结而来，而理论又总是指导实践更上一层，为了更好的保障与完成EDM高品质加工，我们有必要对EDM加工的重要一环---电极作一个深入了解和探讨，今天我们主要针对石墨材料电极进行论述：石墨按应用场合及特点的不同，通常分为：普通、高功率、高纯、细颗粒，而后面我们所要着重提到的等静压石墨则同时涵盖了高纯、细颗粒石墨的特点，故又常被称为三高特种石墨或核石墨；石墨的生产工艺则通常为粉碎、混合、成型处理（分模压、挤压、等静压、振压等方式）、烘焙、浸渍、石墨化、纯化；在忽略其它工艺配合的情况下，我们单独对影响EDM至深的粉碎和成型两道工艺作大致介绍：粉碎：顾名思义，该道工艺的任务是将构成石墨产品的原始材料进行预定要求的粉碎处理，其决定了最终石墨材料的颗粒度大小，而石墨材料的颗粒度大小则对EDM的光洁度至关重要，颗粒度（粒径）越小，则我们可加工零件的光洁度越细，现今全球的石墨材料颗粒度最高制造水平为3um以内，在合适的机器与参数配合下加工光洁度可达到VDI12#~；石墨材料分为较多的等级（牌号）也是石墨材料的特点之一，分级之后，其针对性更强，使用者可根据所加工模具零件的不同特点及不同要求针对性的选择满足其品质及成本要求的石墨牌号，具备了极大的灵活性；成型处理：市面上通常流行的电极石墨材料通常为模压处理和等静压处理两种成型处理方式，模压处理过程中因受力单一，故其特性为异向不同性即不同的方向会有不同的加工性能，这就给模具厂家的电极材料备料带来了诸多不变，但其优点为因制造工艺简单，材料成本会更低；等静压处理则因成型过程中360°方向的受力，其产品异向同性，备料时不必拘泥于方向性，可是因其制造工艺复杂，其材料成本较高；但结合备料时因不必考虑方向而能得到材料的充分利用，其成本在这一角度有所下降；但有必要说明的是现今较多采用模压石墨的厂家并未顾及其异向不同性之特性，在备料时忽略了切割方向问题，虽说材料利用率较高，但却给后续的模具加工带来了不稳定因素。

结合上述所说，我们知道EDM加工电极对石墨制造工艺的粉碎及成型处理方式着重，但是不是说只需看重这两道工艺要求即可呢？答案是否定的，前面我们曾说到要在忽略其它工艺配合的前提下，但事实上若忽略其它工艺制造水平，我们是无法得到一块高品质高性能的石墨材料的，所以判断石墨材料的性能优劣，我们需要综合考量，至少我们应当考量其石墨供应商的专业程度，但最直接最直观的办法则是实际试用，全面比较，但在此要强调的是比较若离开全面，则比较的结果是失去衡量意义的。

下面我们就说说石墨材料的具体特性(主要为等静压石墨材料特性)对EDM加工所产生的意义：密度：通常为1.7~1.9g/cm3,相当于铜的四分之一或五分之一，该范围既保障了石墨组织结构的致密性，保障其强度和加工中不掉渣，同时又极大的减轻了放电机主轴的载荷，即使是较大型的型腔电极，也不会因为其重量太大而导致电极装夹的不便，也不会在加工时的上下进给时产生偏摆位移，从宏观上保障了零件加工的精准性；耐高温：铜的熔点是1083℃，而石墨在3650℃左右时才会升华，因此，石墨电极能承受更大的电流设定条件，因此加工效率得到了极大的提升，通常是铜电极的3~5倍速，同时，因为石墨材料关于电流条件越大，而损耗越低的独特特性使其同时保证了电极于粗加工中能保持极低的电极损耗甚至是零损耗，而EDM加工中，真正的电极损耗量其实来自于粗加工，精加工虽然损耗率较高，但因零件所预留余量不多即加工蚀除量较少，故其损耗量也较少，若我们能控制粗加工中的电极损耗量，则在分粗精加工中因所预留余量的均匀性而保证精加工的容易度也可保证造型加工其轮廓的完整性，而在因电极损耗小而模具零件要求又合适的情况下使用一支电极直接加工到位的情况下，除能达到上述特点外因排除了装夹的复位误差还可保证最大的加工精准性；石墨材料的耐高温特性还可保障于细小筋齿加工场合中不会因为电极材料受高温变形而导致加工无法进行。

机械强度：与其它材料相比，石墨在达到2700℃前，其抗拉、抗弯、抗压强度随着温度的升高而增强，这与其它材料相比是炯异的，因此石墨电极于制作（如CNC加工）和EDM过程中不惧高温，这使制作极长的、细小的筋骨肋条电极成为现实；抗热冲击性：石墨特别耐热冲击，短时间的加热和冷却无法影响石墨，这对加工的稳定性产生了极大的意义；颗粒粘结结构无毛刺：石墨电极切削成型后是不产生毛刺的，这得益于其独特的组织结构，这在对电极精度要求极高或是电极造型复杂无法去除毛刺的场合下取得了积极的意义；以上我们谈到了石墨电极的诸多优势，但一物凡有一利，必有其一弊，石墨材料也不例外，下面我们谈谈石墨材料的其它特性和加工中的一些注意事项。

首先如石墨材料因为颗粒结构，其构造决定了石墨电极无法加工EDM镜面，即使采用粉沫电火花机亦然，因此在超细面的加工上，石墨电极是一个不合适的选择；另外由于诸多时候我们会采用石墨材料制作较大或特大型的型腔电极，由于电火花加工中因高温产生绝源液汽化，高能量的石墨电极放电更是如此，因此这个时候于电极或是工件上开出气口就显得尤为重要，否则有可能因排气不畅而产生爆炸，但石墨其组织构成特别是例如黑金石墨公司所销售的RINGSDORFF电火花放电加工用石墨从化学角度来说是由碳和尽可能少的灰份所构成，这种纯度的石墨在化学上是惰性的，故而在加工时也不必拘泥于特别的安全规则。

但有一点例外就是用于某些特别用途的浸金属石墨；如果把石墨置于绝缘液体中，它会吸收电介质，其吸收量取决于浸泡时间、所受压力、介质粘度及石墨的材料结构；若是细颗粒、密实结构的石墨，在无压情况下，其外表吸收的电介质是很少的，这也是为何在石墨加工时，并不推荐用此方法以减少石墨加工时所带来的粉尘，同时要了解到改变气孔中电介质的粘度，对石墨电极在加工时的损耗以及加工材料的去除率会带来负面影响。

若有需要的话可在炉中加热至200度左右几个小时，让石墨气孔中的电介质蒸发掉，即使存放若干年后，石墨的材料结构也不会改变。

在所有EDM作业中，适当的冲洗是很重要的，在使用石墨电极时，要记住磨损颗粒可能会因重量轻而悬浮在放电液中。

所以必须特别注意冲洗和过滤。

放电液的流动率是影响有效冲洗的重要因素，但不是冲洗压力。

液体加压冲洗法是最常使用的方法，因为去除的颗粒必须沿着电极表面放电，精确度将取决于侧面的腐蚀，吸式冲洗法是较受推崇的方法，会使表面粗糙与精度更佳，但必须注意放电液的最佳流量。

至于加工中的除尘可采用相对简单的方式达到有效吸尘的目的。

在干式加工时，粉尘可直接对着加工的电极抽出，由于有隔板的阻挡，故飞尘不会四处扩散，有效的吸尘装置应至少能产生300MM水柱的真空度或18米/秒的气流速度。

在湿式加工中，粉尘被完全包在加工源的位置。

一种有趣的解决办法是在铣加工是时用一“水罩”，用喷出的水幕罩住整个加工区，但操作者仍能看清里面；这套控制系统是可移动的，它能连接到不同的设备上加工；和所有的导电材料一样，石墨也可以采用线切割，粗颗粒度石墨切割时较费力，密度高、粒度细则比较容易线切割，石墨线切割速度相比铜慢约百分之四十；石墨电极于机械加工中因为其独特的材料组织结构，我们应当注意如下一些注意事项：a、为防止加工时有崩角发生，精加工时原则上采用垂直绕铣方式；b、对于加工刀具，总的来说，从尺寸精度和刀具磨损问题来看，超硬刀具比高速钢合适，但金刚石涂层刀具（亦称石墨刀）是最佳选择，虽然单价较高，但其所获得的精度、寿命是超高回报的(若需详细了解石墨铣刀信息，可向黑金石墨公司销售或技术人员了解);C、根据电极的形状要求，可预先采用靠板分段组合装夹，用螺丝固定，瞬间胶粘接法也是好方法，靠板和模型可同时切削；d、在加工薄板类电极时，若使用真空吸附夹具，可避免弯曲的发生，尺寸精度也可获得提升；e、石墨材料固定在夹具上所用力，根据冷杉电极的关系，可设定为金属的1/5；f、切削时可用GC、WA砂轮，精密切削时使用金钢石砂轮,抛光时使用砂纸。

通常等静压石墨可制成长方体型或圆柱型，但也可按客户的要求进行切割。

特殊用途的石墨材料可向黑金石墨公司订制，品质控制是石墨生产全过程的头等大事，从原材料的进厂检验至全流程工艺参数的持续监控，是整个生产过程的有机组成部分，同时因我们每一块产出的坯料上都有割取一小块样品，毫不例外进行破坏性实验，若发现坯料有任何的质量偏差，我们能按其识别号码，追查每一道工序，直至所用的原材料，所以消费者对于所用到的石墨材料品质能够存有坚实的信心！最后我们谈一下对于石墨供应商的选择，通常我们对供应商的要求是产品高品质，低价格，优服务，对于价格的判断是直观的，方便的，但是对于高品质和优服务的判断却往往是困难的，这需要采购人员和生产人员的协同以及较长时间的验证，几项要素缺一不可，可也正因为其困难性，使我们往往采用随遇而就的态度，但需了解到，若能选择最合适的产品，其带来的结果一定是事半功倍的，综合效能是超预期，因此为了制造出高品质的模具，物料的选择是需要花费一定心血的，但总得看来，供应商应当具有相当的专业、专注程度，只有如此，才能长期制造出合乎最高需求的产品！。