對石墨電極的高速加工探討

王貴先

摘 要：石墨具備優良的導電、導熱及耐高溫性能，作為一種常見電極材料，在工業生產領域有著廣泛的應用。本文探討石墨電極的高速加工，研究影響高速加工過程的主要因素，并為高速加工提出合理優化建議，供相關人員參考借鑒。

關鍵詞：石墨電極;高速加工;銑削

引言：受石墨材質的影響，石墨電極加工過程中易出現崩角、折斷等問題，對加工刀具的磨損也比較嚴重，給加工過程帶來一定困難。為此，行業試圖通過銑削加工參數的合理化選取，降低石墨電極加工難度、提高加工精密性，并減輕對加工刀具的磨損，有效控制加工成本。

1石墨電極高速加工簡介

1.1石墨電極銑削過程

石墨電極銑削過程中，因石墨本身脆性較大，刀具與石墨高速接觸、推進過程中，導致石墨開裂，并伴隨碎屑的產生。過程中產生的裂紋具備發展性特點，且會沿著切削的方向逐漸擴大。產生的碎屑與刀具間相互運動，導致刀具表面出現月牙狀的磨損。另有學者認為，石墨銑削過程與陶瓷等材料相類似，會導致刀具尖端磨損，形成細小的坑洼。

1.2石墨電極高速加工切削力

切削力是影響石墨電極切削的主要參數，它也是金屬及非金屬物質在被切削時產生的一種物理現象。切削力主要作用在加工機床、刀具等位置，影響加工工具的使用壽命，并在很大程度上決定著石墨電極高速加工的效果。合理計算切削力，能夠輔助找到最佳的刀具選用參數及切削用量。材料加工過程中發生形變，進而產生抗力，且產生的碎屑與工件之間相互摩擦，引發切削力。由此看來，任何導致抗力及摩擦改變的因素都可能成為影響切削力的原因。相較于銅、鋁等金屬材料，石墨切削過程中產生的切削力很小，因此該因素并沒有被作為影響加工過程的主要因素。另外，在切削溫度上，切削不會導致石墨材料發生較大的溫度變化，且溫度與加工速度之間存在穩定的線性關系。按照實際加工能力來看，加工速度一般很難達到400～500m/min，引發的切削溫度也不會對加工過程造成明顯的影響。

2石墨電極高速加工探討

2.1刀具磨損

前文總結，切削力、切削溫度等都不是影響石墨電極高速加工過程的主要原因，因此對其高速加工的探討依然要放在刀具磨損問題上。在實際加工過程中，刀具受磨損比較嚴重的部位集中在前刀面和后刀面，其中導致前刀面磨損的主要原因是碎屑與刀面之間的沖撞摩擦，而后刀面磨損主要是由于碎屑與刀面的滑動摩擦[1]。加工刀具的材質、切削速度、切削量、切削角度等都是刀具磨損程度的主要影響因素。

2.2刀具磨損影響因素

2.2.1切削刀具材質

石墨電極高速加工最常用的刀具材料包括硬質合金、聚晶金剛石以及金剛石涂層材料。以硬質合金刀具的磨損為例，在切削過程中，刀具與石墨材料之間相互運動的部分因疲勞導致磨損出現，并逐漸發展成為裂紋甚至折斷。聚晶金剛石刀具發生磨損的原理是由于切削過程產生石墨碎屑，碎屑附著在刀具表面，導致磨損。另外，金剛石材料本身脫落的碎屑也會導致其發生磨損。金剛石涂層刀具在切削石墨是過程中，石墨碎屑會大量黏貼在其表面，不會帶來月牙形的磨損坑洼，這種磨損屬于沖擊磨損。相比較來說，金剛石涂層刀具的使用壽命優勢明顯，相較于一般的硬質合金材質刀具來說，其使用壽命可達到100倍以上。因此以上三種刀具當中，性能最優、最適合用于石墨電極高速加工的刀具為金剛石涂層刀具，即將金剛石材料與硬質合金材料相結合。

2.2.2切削速度

石墨高速加工的切削速度與刀具磨損程度之間存在一定的正相關關系，即選用的切削速度越大，可能產生的磨損程度也越大。但該規律僅適用于刀具的大范圍磨損。例如月牙形磨損，其磨損截面會隨著切削速度的上升而減小。如此看來，適當提高切削速度有利于刀具磨損程度的控制，可有效延長刀具使用壽命。其原理解釋如下：石墨切削速度上升，摩擦面上形成的石墨潤滑層的厚度也隨之增加，可降低刀具與加工材料之間的磨損系數，進而達到延長刀具使用壽命的目的。以上原理也是石墨電極加工為什么優選高速加工工藝的一大原因。

2.2.3切削量

切削量指的是加工過程中銑刀每齒的進給量，也可通俗的稱之為每齒選擇的切削厚度。當進給量上升時，石墨電極的平均切削厚度上升，由此帶來的沖摩擦也上升，導致刀具磨損加速。

2.2.4切削角度

切削角度分為刀具的前角和后角。若前角上升，則石墨碎屑的沖擊摩擦角度也隨之改變。若后角上升，相當于提高了刀具刀刃的鋒利程度，可有效減輕刀面磨損。若選擇改變主偏角，則切削受力方向及刀具與石墨之間的接觸面同時被改變，且隨著主偏角的上升，刀具磨損程度減小，使用壽命延長。

2.2.5刀具類型

石墨電極高速加工采用的刀具多為球頭銑刀及平底銑刀。當選用球頭銑刀時，由于加工面為弧形，因此產生的切削速度從外向內逐漸降低，導致刀具頂部磨損嚴重。若選用平底銑刀，該種類型的刀具可用于臺面輪廓的加工，產生較大的余量波動，引發的刀具磨損程度更為嚴重，但平底銑刀要比球頭銑刀的切削距離更長。

3加工建議

3.1高速精加工

精加工對加工精度及穩定性要求較高，影響加工質量的因素主要是銑削方向。若以曲面形式進行銑削，容易出現拉銑及鉆銑的問題，帶來較大的加工誤差，建議采用平面銑削的方法。此外，存在以下加工偏差規律：順銑>逆銑、拉銑>鉆銑[2]。綜上，最佳的高速精加工方法應為平面銑削結合逆銑及鉆銑。

3.2高速粗加工

高速粗加工常用方法包括仿形銑削和輪廓銑削兩種。其中，仿形銑削選用球頭銑刀，加工過程中的切削深度及寬度均處于不斷變化的狀態，切削深度有限，且需要較長的加工時間，帶來的刀具磨損程度也比較大;輪廓銑削則采用平底銑刀，相對而言加工深度大、所需時間短、刀具磨損程度低。建議粗加工選用輪廓銑削，并盡量以“之”字形方式推進。

除石墨加工方式的優化選擇外，選取適當方法對加工過程產生的碎屑進行清理也可明顯提升加工質量、延長刀具使用壽命。例如，對加工過程進行強風干擾，清除積留的碎屑，降低二次磨損的發生概率。

結論：本文對石墨電極高速加工工藝進行了分析。隨著社會工業生產精細化程度的提高，石墨加工工藝也將得到進一步的發展。合理選取加工參數及加工刀具，在確保電極加工精度的同時，控制加工成本。

參考文獻：

[1]周玉海，王成勇.CIP石墨高速加工關鍵技術及應用研究進展[J].工具技術，2018，52（09）：3-9.

[2]李立軍，席明龍，李杰華.薄壁石墨電極高速銑削加工工藝優化研究[J].三峽大學學報（自然科學版），2015，37（04）：90-93.