【機床商務網欄目 科技動態】電加工模具常用石墨電極。石墨是碳元素的一種同素異形體，晶體結構為蜂巢式多個六面體，由于每個碳原子均會放出一個電子，那些電子能自由移動，因此石墨雖是非金屬材料，但是導電體，能作電極用。在電加工中石墨電極比銅電極優點突出諸如：⑴金屬去除率高。⑵重量只有銅電極的1/4，據需要可以做得很大。⑶形狀可做得復雜，也可捆綁組成復合電極，一次加工出深而復雜模具型腔。⑷熱穩定性好，如銅在1000º左右就軟化變形，但石墨具有很高熔點，升溫至3650º，熱膨脹系數還很小，基本不變形，加工精度與余量易控制。⑸電加工時，自身損耗小，油中的碳原子分解可形成保護膜，還能補償石墨電極的損耗，使用壽命長。⑹易拋光，用它加工，不生成毛刺，加工后續的清理工序可簡化。故它的加工精度和加工表面質量均高。⑺在切削加工石墨時，切削力較低，銑削速度可高于銅電極，在制造成本方面也低于銅電極。一些特殊帶薄筋的模具只有石墨電極才能加工。所以它的實用的范圍比銅電極更為廣泛。石墨電種牌號多，一般情況下可選擇兼有良好的導電性能和被加工性能的。具有較高抗彎強度，硬度適中，粒度均勻的。
 

　　電加工用石墨電極按加工精度和表面質量要求的不同，各大公司有不同牌號的產品，產品的基本性能參數有；平均粒徑、體積密度、電阻率、肖氏硬度(HS)、抗彎強度等。
 

　　用作電加工的石墨電極通常肖氏硬度Hs多在60-90間，約相當洛氏硬度HRc45-65。因此可知一般刀具和涂層刀具極易磨損，刀具壽命很短。自從開發出能將金剛石薄膜化作為涂層涂覆在刀具的表面的方法后，從而使石墨和其他如陶瓷、CFRP，GFRP、硬質合金等的非金屬難加工材料的加工難題得到了突破。
 

　　表1是各種刀具涂層材料的性能比較?？芍饎偸挠捕冗_10000HV，熱傳導率達2100W/m.K遠超過其他材料，這二項指標，顯示了金剛石抗機械磨損和熱磨損的能力高。但金剛石加工鐵族元素的鐵、鎳、鈷時，這些元素易和構成金剛石的碳發生反應，會使自身耐磨性下降，但在切削鋁合金、銅合金、石墨及其他非金屬材料(如CFRP等)和陶瓷時，卻能充分發揮他的長處。故當前在石墨電極及摸具加工、航空航天等加工業中得到廣泛地應用，促進了它們的加工質量，提高了它們的加工效率。
 

　　目前主要采用CVD方法進行沉積金剛石涂層，具體可先準備原料氣，原料氣一般是甲烷、乙炔、一氧化碳等，將它們和氫混合后導入裝置中。再激發原料氣活性化，活性化的方法有多種；如加熱鎢絲至2000º以上，同時加熱基板使之合成;可用微波激發原料氣，同時用感應加熱和等離子沖擊在基板上合成，此法獲得的金剛石純度較高;還有用高頻微波；直流放電，等離子法等合成方法。圖1是用CVD方法在基板上成膜的過程。由圖可見開始是核的生成，以后核不增多而進入成長階段，后互相連接在一起，成為膜狀覆蓋在刀具的表面。一般隨原料氣濃度增大，晶粒變小，但濃度過大非金剛石成分也會增大，出現硬度下降的趨向。其他如基板的溫度、合成壓力、激發的狀態等對涂層質量也有影響。另外在提高金剛石膜和硬質合金基體的結合強度方面，為消除硬質合金中結合相鈷的不好影響等也需要注意，適當處理，這些做好了，就可形成高質量的金剛石涂層。

 

　　三菱綜合材料公司針對金剛石涂層的質量，特別是分別應對航空復合材料，硬質合金和石墨電極加工的適合的金剛石涂層的不同合成方法進行了長期不懈地研究。他們應用了獨特的多層微粒CVD金剛石結晶控制技術開發了型號為DFC的涂層，它兼備優異的耐磨性和平滑性，它可加工航空工業多用的CFRP等，研究開發了針對硬質合金，兼顧氧化鋁，氧化鋯，碳化硅，氮化硅，硅玻璃的DC涂層。另外又采用獨特的等離子CVD法開發了適石墨加工型號為DF的涂層。DF涂層的D代表了金剛石，F代表了“四”即具有四方面的優點;Fixed穩定的高耐磨性，Fine高質量，Fast率，First為選擇。它具有與天然金剛石相當的表皮硬度和優異的與基體結合強度。這經過拉曼光譜分析也得到了證實。(注;即利用樣品分子在光入射后部分散射光頻率改變，這種散射與入射光頻率的改變稱拉曼位移，以此定性定量地判定物質結構及性能)(圖2)
 

　　石墨電極和石墨制零件主要的加工的表面是它們的型面和槽等，這些表面主要需使用各種立銑刀，進行銑削加工，在立銑刀的設計和加工中的切削用量選擇方面也需特別加以注意。由于石墨制品本身剛性較差，易崩邊崩角，一般應使刀具的前角增大，刃口鋒利，也要注意不要使石墨切屑進入機床滑動部件間，使機床磨損老化。石墨的切屑呈粉塵狀，影響環境衛生，應加以防止。目前防護性能好的石墨專用加工機床相繼出現，也使這種情況得到很大的改善。三菱公司專門開發了針對石墨加工的DF金剛石涂層立銑刀系列。如圖3自右至左。分別是直角頭DF-4JC(Φ3-Φ12)，圓弧頭DF-PSRB(Φ0.5×R0.1×4-Φ12×R0.5×40)長錐頸球頭DF-3XB(R1×0.5º×30-R2×0.5º×100)，長頸球頭DF-2XLB(R0.1×0.5-R3×12)，球頭DF-2MB(R3×100-R6×200)，長頸直角頭DF-4XL(Φ1×6-Φ12×30)立銑刀。針對航空復合材料和硬質合金等也有多種專用的DFC和DD立銑刀系列。圖4是用長錐頸立銑刀對石墨模具的深雕加工。
 

　　圖5是用DF-PSRB(Φ6)圓弧頭立銑刀銑削牌號為ISO-63石墨的干式切削加工例，切削速度為;377m/min,即轉速可達20000 mm/分，每齒進給量為0.03mm/齒，即進給速度達2500 mm/min.加工了320米，磨損高度還不到0.1mm,而老產品底刃部分局部涂層已磨去，露出硬質合金基體。ISO-63，ISO-68等為常用中等級別的石墨電極標準牌號，平均粒徑為0.005，肖氏硬度分別為76和80。ISO-63兼顧良好的放電性能和切削性能。ISO-68放電性能更好，但硬度較高，被切削性能梢差。各大電極和碳素公司有自己不同粒徑不同性能牌號的產品。

 

　　另一例是用DF直角頭立銑刀Φ12持續加工石墨電極ISO-63，切削總長度800多米后，觀察側刃的磨損情況。加工條件是；切削速度是；271m/min，即轉速可達7200轉/分。進給速度;2200mm/min,0.08mm/齒。干式切削。由圖6可知，試驗結果可見是；DF立銑刀側刃上出現的磨損很小不明顯，可繼續使用，而老產品則明顯磨損了。
 

　　DF系列的立銑刀適用于石墨的加工，是為石墨電極企業研發量身定制的產品。滿足了在智能化時代又有個性化的要求。
 

　　(原標題：金剛石涂層立銑刀和石墨電極的加工)