提高石墨电极铣削加工效率的方法

摘要：提高石墨电极铣削加工效率的方法

　　高速加工中心在技术上的发展为提高石墨电极的铣削加工效率和生产质量奠定了基础，特别是对形状复杂和具有薄壁特性的小型电极的铣削加工。

　　在EDM模具加工中使用的石墨电极，需要采用高速加工中心(HSM)来对其铣削加工，因此对HSM机床的需求也在不断地增长。但是，有一段时间由于在硬质钢材加工方面的技术发展，似乎有可能使石墨电极成为一项过时的技术。然而，有很多因素决定需要继续生产石墨电极，因此高速加工已成为模具制造业中的一个关键生产工艺。

　　与石墨电极铣削加工所需的时间相比，高刚性硬质钢材的加工仍需要更长的时间。在硬质钢材上铣削加工模具的凹穴、型腔和复杂的3D型面时，径向跳动误差和刀具的偏差往往会导致刀具断裂。当刀具断裂时，不但会中止钢材的继续加工，而且还会影响产品的质量，导致零件的报废和材料的浪费。

　　从可以预见的未来考虑，石墨电极将会占据极高的地位，凡是采用效率最高的设备加工石墨电极的模具制造商，将会坚持不懈，扩大与那些决心使用硬质钢材加工的制造商之间的竞争差距。

　　微型刀具的基础

　　就石墨电极而言，对其最有魔力的一个词就是“高速”。高速加工中心的主轴转速可达30000~60000r/min，并能加快进给速度，以缩短加工周期，提高表面以及边缘的质量。驱动这类主轴所需的电机都比较小，而且较轻，这有利于降低切削力度和减少刀具断裂。这一点是十分关键的，因为许多电极比较复杂，它们的生产会涉及到小型、易断裂的微型刀具(见图1)。

图1 加工石墨电极上的薄壁，如上述试样中的圆形部分，需要采用微型刀具和有效的高速加工

　　1.主轴

　　刀具越小，所需的主轴速度越高，只有这样才能提高零件的加工质量，避免刀具断裂。对于转速高达60000r/min的高频主轴而言，采用微型刀具铣削、钻削和雕刻石墨电极最为理想。高速加工技术就是采用特高的转速、较小的跨距，以及大幅度提高的进给率。

　　当你将手从燃烧着的蜡烛火焰上掠过时，如果移动的速度很慢，火焰就会有足够的时间烧伤你的手。但如果手很快地掠过火焰，那么火焰就没有足够的时间灼伤皮肤。采用微型刀具的高速加工原理也与此相同。移动太快，热量就没有足够的时间反馈到零件内，造成一些问题。

　　采用很小的微型刀具加工石墨或其他材料，实际上不是一件简单容易的事情，尤其是在一台普通的数控机床的40锥度主轴上，很难找到能够夹持这么小刀具的夹头。因为这种主轴是专门为夹持3in(1in=25.4mm)飞刀而设计的，用于高密度基质材料的深度切削。因此，其扭力很大，很容易使小型刀具断裂，而且效率不高、费用很大。

　　在这种情况下，操作人员可以选用的惟一方法是降低转速和进给率，使机床处于缓慢的工作状态，这样势必功效很低，其加工周期之长是让人无法接受的。如果以更加形象的方式比喻，这好比是一辆半动力卡车与一辆赛车之间的关系。在现实中，这两者是无法相比的。因为卡车的设计是需要动力和力量来拖拉运输大量的货物，而赛车的设计是需要速度和机动灵活性。实质上，凡是表示其普通数控机床能够使用微型刀具的机床制造商，就好像汽车制造商那样，将阻流板安装在SUV 车型上并喷上赛车条纹，然后声称它也具有保时捷汽车同样的质量。事实上，在SUV车型上安装阻流板和喷上赛车条纹后，并不能将其当作赛车使用那样，也不能将一根翻新的高速主轴安装到普通的机床上，希望其能成为可以使用微型刀具的高速加工机床。

　　2.几何形状

　　如同普通的数控机床一样，不可能翻修成为可以有效使用微型刀具的机床，普通刀具(大型刀具)的几何形状也不可能按比例缩小成微型刀具。用于铣削加工电极的刀具，其几何形状对加工电极的质量和效率起着非常关键的作用。按比例缩小大型刀具的几何形状而制成的小格式刀具，其进给速度和加工的表面质量是无法让人满意的。

　　当刀具的直径缩小，并且主轴的速度降低时，对刀具的要求也发生了变化。使用镶刀片的普通刀具不适合作为微型刀具。这主要是因为其高转速，而不是刀具的直径。

　　3.刀具的磨损

　　增加转速需要适当地平衡刀具，以大幅度提高切削的空间，保证切屑能够很好的排除。在铣削加工石墨时，刀具的几何形状有利于提高生产效率和产品质量。但由于这种材料的固有研磨特性，因此刀具的磨损仍然是一个令人关注的问题。专用涂层是保护刀具过度磨损的有力武器。可以考虑使用的涂层有金刚砂涂层、钢材加工中使用的氮化钛铝合金涂层(TiAlN)，以及氮化铝铬合金涂层(AlCrN)。一般用于高硬度铝材(如铸铝或砂铸铝)的加工，总之这种涂层对加工其他研磨性基质材料(如玻璃纤维)显示出了很好的优势。

　　系统性能的考虑

　　1.防尘措施

　　由于石墨是一种研磨性材料，因此对数控机床加工件的保护，使其免受石墨粉尘的侵害是极为重要的(见图2)。有些机床制造商研发一种解决方案，它可以满足这些特殊应用的需要。

图2 在这台高速铣床上，围绕石墨工件和主轴周围的是一个气缸，从这里能吹出一股螺旋式气流(或涡流)，这样就能使灰尘保持运动状态，使其没有沉降的机会，从而达到吸尘的目的

　　寻求石墨加工机床应满足以下要求：

　　(1)线性导轨和滚珠丝杠应采用正压气流保护，防止高速加工中心的运动机构内进入研磨性粉尘。

　　(2)所有运动控制电子元件和电机需采用密封保护，防止机床的控制系统受到污染。

　　(3)带有安全锁的全密封罩需配备气流吸尘系统。这种加工系统适合于加工石墨、玻璃纤维复合材料、陶瓷或任何带有研磨性的材料(见图3)。

图3 这台高速石墨加工铣床使用微型刀具非常理想，其线性导轨和滚珠丝杠配有密封保护套和正压气流保护，所有的运动控制电子元件和电机也配有密封保护套和气流吸尘系统，可防止带研磨性的石墨粉尘进入

　　2.刀具长度测量

　　先进的机床还应该具备另外一个特性，机床应该有利于石墨的铣削加工，其刀具的长度测量值应该能补偿刀具的磨损。这种刀具传感器/补偿替换系统由三个独立，但又相互关联的元件组成：

　　(1)刀具交换装置。刀具交换装置是设有备用刀具空间的一个刀架或一个刀盘，以及用于放置断裂刀具的空置刀位。机床操作人员可以将备用刀具存放到刀架上，这样便于在夜班无灯光操作或无人化操作时，如刀具发生断裂，可以自动更换。

　　(2)刀具检查装置。刀具检查装置实际上是一种测量刀具长度的机械传感器。这是一种可实际测试刀具磨损和断裂情况的仪器。

　　(3)软件。软件是一个宏指令程序，可对其进行设置，使其在执行一系列代码线以后，运行刀具检查程序。例如，一个刀具检查的宏指令程序可以在每500代码线以后执行一次检查。这种检查称为“如果/那么”的陈述，换句话说，它需要有这样的一个过程：“测量这把刀具，如果长度低于所列参数，那么就需要更换这把刀具。”

　　因此，当加工中心以单步方式逐步向硬质钢材高效铣削加工的最终目标前进时，在提供石墨电极铣削加工所需的效率和质量方面，高速加工中心的技术发展停留在曲线的前面。在模具制造中，这种工艺是很有帮助的，而且将在较长的一段时间内成为工业的主流工艺。