摘要：提高石墨電極銑削加工效率的方法

　　高速加工中心在技術上的發(fā)展為提高石墨電極的銑削加工效率和生產(chǎn)質量奠定了基礎，特別是對形狀復雜和具有薄壁特性的小型電極的銑削加工。

　　在EDM模具加工中使用的石墨電極，需要采用高速加工中心(HSM)來對其銑削加工，因此對HSM機床的需求也在不斷地增長。但是，有一段時間由于在硬質鋼材加工方面的技術發(fā)展，似乎有可能使石墨電極成為一項過時的技術。然而，有很多因素決定需要繼續(xù)生產(chǎn)石墨電極，因此高速加工已成為模具制造業(yè)中的一個關鍵生產(chǎn)工藝。

　　與石墨電極銑削加工所需的時間相比，高剛性硬質鋼材的加工仍需要更長的時間。在硬質鋼材上銑削加工模具的凹穴、型腔和復雜的3D型面時，徑向跳動誤差和刀具的偏差往往會導致刀具斷裂。當?shù)毒邤嗔褧r，不但會中止鋼材的繼續(xù)加工，而且還會影響產(chǎn)品的質量，導致零件的報廢和材料的浪費。

　　從可以預見的未來考慮，石墨電極將會占據(jù)極高的地位，凡是采用效率最高的設備加工石墨電極的模具制造商，將會堅持不懈，擴大與那些決心使用硬質鋼材加工的制造商之間的競爭差距。

　　微型刀具的基礎

　　就石墨電極而言，對其最有魔力的一個詞就是“高速”。高速加工中心的主軸轉速可達30000~60000r/min，并能加快進給速度，以縮短加工周期，提高表面以及邊緣的質量。驅動這類主軸所需的電機都比較小，而且較輕，這有利于降低切削力度和減少刀具斷裂。這一點是十分關鍵的，因為許多電極比較復雜，它們的生產(chǎn)會涉及到小型、易斷裂的微型刀具(見圖1)。

圖1 加工石墨電極上的薄壁，如上述試樣中的圓形部分，需要采用微型刀具和有效的高速加工

　　1.主軸

　　刀具越小，所需的主軸速度越高，只有這樣才能提高零件的加工質量，避免刀具斷裂。對于轉速高達60000r/min的高頻主軸而言，采用微型刀具銑削、鉆削和雕刻石墨電極最為理想。高速加工技術就是采用特高的轉速、較小的跨距，以及大幅度提高的進給率。

　　當你將手從燃燒著的蠟燭火焰上掠過時，如果移動的速度很慢，火焰就會有足夠的時間燒傷你的手。但如果手很快地掠過火焰，那么火焰就沒有足夠的時間灼傷皮膚。采用微型刀具的高速加工原理也與此相同。移動太快，熱量就沒有足夠的時間反饋到零件內(nèi)，造成一些問題。

　　采用很小的微型刀具加工石墨或其他材料，實際上不是一件簡單容易的事情，尤其是在一臺普通的數(shù)控機床的40錐度主軸上，很難找到能夠夾持這么小刀具的夾頭。因為這種主軸是專門為夾持3in(1in=25.4mm)飛刀而設計的，用于高密度基質材料的深度切削。因此，其扭力很大，很容易使小型刀具斷裂，而且效率不高、費用很大。

　　在這種情況下，操作人員可以選用的惟一方法是降低轉速和進給率，使機床處于緩慢的工作狀態(tài)，這樣勢必功效很低，其加工周期之長是讓人無法接受的。如果以更加形象的方式比喻，這好比是一輛半動力卡車與一輛賽車之間的關系。在現(xiàn)實中，這兩者是無法相比的。因為卡車的設計是需要動力和力量來拖拉運輸大量的貨物，而賽車的設計是需要速度和機動靈活性。實質上，凡是表示其普通數(shù)控機床能夠使用微型刀具的機床制造商，就好像汽車制造商那樣，將阻流板安裝在SUV 車型上并噴上賽車條紋，然后聲稱它也具有保時捷汽車同樣的質量。事實上，在SUV車型上安裝阻流板和噴上賽車條紋后，并不能將其當作賽車使用那樣，也不能將一根翻新的高速主軸安裝到普通的機床上，希望其能成為可以使用微型刀具的高速加工機床。

　　2.幾何形狀

　　如同普通的數(shù)控機床一樣，不可能翻修成為可以有效使用微型刀具的機床，普通刀具(大型刀具)的幾何形狀也不可能按比例縮小成微型刀具。用于銑削加工電極的刀具，其幾何形狀對加工電極的質量和效率起著非常關鍵的作用。按比例縮小大型刀具的幾何形狀而制成的小格式刀具，其進給速度和加工的表面質量是無法讓人滿意的。

　　當?shù)毒叩闹睆娇s小，并且主軸的速度降低時，對刀具的要求也發(fā)生了變化。使用鑲刀片的普通刀具不適合作為微型刀具。這主要是因為其高轉速，而不是刀具的直徑。

　　3.刀具的磨損

　　增加轉速需要適當?shù)仄胶獾毒?，以大幅度提高切削的空間，保證切屑能夠很好的排除。在銑削加工石墨時，刀具的幾何形狀有利于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。但由于這種材料的固有研磨特性，因此刀具的磨損仍然是一個令人關注的問題。專用涂層是保護刀具過度磨損的有力武器?？梢钥紤]使用的涂層有金剛砂涂層、鋼材加工中使用的氮化鈦鋁合金涂層(TiAlN)，以及氮化鋁鉻合金涂層(AlCrN)。一般用于高硬度鋁材(如鑄鋁或砂鑄鋁)的加工，總之這種涂層對加工其他研磨性基質材料(如玻璃纖維)顯示出了很好的優(yōu)勢。

　　系統(tǒng)性能的考慮

　　1.防塵措施

　　由于石墨是一種研磨性材料，因此對數(shù)控機床加工件的保護，使其免受石墨粉塵的侵害是極為重要的(見圖2)。有些機床制造商研發(fā)一種解決方案，它可以滿足這些特殊應用的需要。

圖2 在這臺高速銑床上，圍繞石墨工件和主軸周圍的是一個氣缸，從這里能吹出一股螺旋式氣流(或渦流)，這樣就能使灰塵保持運動狀態(tài)，使其沒有沉降的機會，從而達到吸塵的目的

　　尋求石墨加工機床應滿足以下要求：

　　(1)線性導軌和滾珠絲杠應采用正壓氣流保護，防止高速加工中心的運動機構內(nèi)進入研磨性粉塵。

　　(2)所有運動控制電子元件和電機需采用密封保護，防止機床的控制系統(tǒng)受到污染。

　　(3)帶有安全鎖的全密封罩需配備氣流吸塵系統(tǒng)。這種加工系統(tǒng)適合于加工石墨、玻璃纖維復合材料、陶瓷或任何帶有研磨性的材料(見圖3)。

圖3 這臺高速石墨加工銑床使用微型刀具非常理想，其線性導軌和滾珠絲杠配有密封保護套和正壓氣流保護，所有的運動控制電子元件和電機也配有密封保護套和氣流吸塵系統(tǒng)，可防止帶研磨性的石墨粉塵進入

　　2.刀具長度測量

　　先進的機床還應該具備另外一個特性，機床應該有利于石墨的銑削加工，其刀具的長度測量值應該能補償?shù)毒叩哪p。這種刀具傳感器/補償替換系統(tǒng)由三個獨立，但又相互關聯(lián)的元件組成：

　　(1)刀具交換裝置。刀具交換裝置是設有備用刀具空間的一個刀架或一個刀盤，以及用于放置斷裂刀具的空置刀位。機床操作人員可以將備用刀具存放到刀架上，這樣便于在夜班無燈光操作或無人化操作時，如刀具發(fā)生斷裂，可以自動更換。

　　(2)刀具檢查裝置。刀具檢查裝置實際上是一種測量刀具長度的機械傳感器。這是一種可實際測試刀具磨損和斷裂情況的儀器。

　　(3)軟件。軟件是一個宏指令程序，可對其進行設置，使其在執(zhí)行一系列代碼線以后，運行刀具檢查程序。例如，一個刀具檢查的宏指令程序可以在每500代碼線以后執(zhí)行一次檢查。這種檢查稱為“如果/那么”的陳述，換句話說，它需要有這樣的一個過程：“測量這把刀具，如果長度低于所列參數(shù)，那么就需要更換這把刀具。”

　　因此，當加工中心以單步方式逐步向硬質鋼材高效銑削加工的最終目標前進時，在提供石墨電極銑削加工所需的效率和質量方面，高速加工中心的技術發(fā)展停留在曲線的前面。在模具制造中，這種工藝是很有幫助的，而且將在較長的一段時間內(nèi)成為工業(yè)的主流工藝。