【機(jī)床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動(dòng)態(tài)】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(jié)構(gòu)為蜂巢式多個(gè)六面體，由于每個(gè)碳原子均會(huì)放出一個(gè)電子，那些電子能自由移動(dòng)，因此石墨雖是非金屬材料，但是導(dǎo)電體，能作電極用。在電加工中石墨電極比銅電極優(yōu)點(diǎn)突出諸如：⑴金屬去除率高。⑵重量只有銅電極的1/4，據(jù)需要可以做得很大。⑶形狀可做得復(fù)雜，也可捆綁組成復(fù)合電極，一次加工出深而復(fù)雜模具型腔。⑷熱穩(wěn)定性好，如銅在1000º左右就軟化變形，但石墨具有很高熔點(diǎn)，升溫至3650º，熱膨脹系數(shù)還很小，基本不變形，加工精度與余量易控制。⑸電加工時(shí)，自身損耗小，油中的碳原子分解可形成保護(hù)膜，還能補(bǔ)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(xù)的清理工序可簡化。故它的加工精度和加工表面質(zhì)量均高。⑺在切削加工石墨時(shí)，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(shí)用的范圍比銅電極更為廣泛。石墨電種牌號(hào)多，一般情況下可選擇兼有良好的導(dǎo)電性能和被加工性能的。具有較高抗彎強(qiáng)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(zhì)量要求的不同，各大公司有不同牌號(hào)的產(chǎn)品，產(chǎn)品的基本性能參數(shù)有；平均粒徑、體積密度、電阻率、肖氏硬度(HS)、抗彎強(qiáng)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(dāng)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(fā)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(zhì)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。可知金剛石的硬度達(dá)10000HV，熱傳導(dǎo)率達(dá)2100W/m.K遠(yuǎn)超過其他材料，這二項(xiàng)指標(biāo)，顯示了金剛石抗機(jī)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(shí)，這些元素易和構(gòu)成金剛石的碳發(fā)生反應(yīng)，會(huì)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(shí)，卻能充分發(fā)揮他的長處。故當(dāng)前在石墨電極及摸具加工、航空航天等加工業(yè)中得到廣泛地應(yīng)用，促進(jìn)了它們的加工質(zhì)量，提高了它們的加工效率。
 

　　目前主要采用CVD方法進(jìn)行沉積金剛石涂層，具體可先準(zhǔn)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(dǎo)入裝置中。再激發(fā)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(shí)加熱基板使之合成;可用微波激發(fā)原料氣，同時(shí)用感應(yīng)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(jìn)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(huì)增大，出現(xiàn)硬度下降的趨向。其他如基板的溫度、合成壓力、激發(fā)的狀態(tài)等對(duì)涂層質(zhì)量也有影響。另外在提高金剛石膜和硬質(zhì)合金基體的結(jié)合強(qiáng)度方面，為消除硬質(zhì)合金中結(jié)合相鈷的不好影響等也需要注意，適當(dāng)處理，這些做好了，就可形成高質(zhì)量的金剛石涂層。

 

　　三菱綜合材料公司針對(duì)金剛石涂層的質(zhì)量，特別是分別應(yīng)對(duì)航空復(fù)合材料，硬質(zhì)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(jìn)行了長期不懈地研究。他們應(yīng)用了獨(dú)特的多層微粒CVD金剛石結(jié)晶控制技術(shù)開發(fā)了型號(hào)為DFC的涂層，它兼?zhèn)鋬?yōu)異的耐磨性和平滑性，它可加工航空工業(yè)多用的CFRP等，研究開發(fā)了針對(duì)硬質(zhì)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(dú)特的等離子CVD法開發(fā)了適石墨加工型號(hào)為DF的涂層。DF涂層的D代表了金剛石，F(xiàn)代表了“四”即具有四方面的優(yōu)點(diǎn);Fixed穩(wěn)定的高耐磨性，F(xiàn)ine高質(zhì)量，F(xiàn)ast率，F(xiàn)irst為選擇。它具有與天然金剛石相當(dāng)?shù)谋砥び捕群蛢?yōu)異的與基體結(jié)合強(qiáng)度。這經(jīng)過拉曼光譜分析也得到了證實(shí)。(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(zhì)結(jié)構(gòu)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(jìn)行銑削加工，在立銑刀的設(shè)計(jì)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(yīng)使刀具的前角增大，刃口鋒利，也要注意不要使石墨切屑進(jìn)入機(jī)床滑動(dòng)部件間，使機(jī)床磨損老化。石墨的切屑呈粉塵狀，影響環(huán)境衛(wèi)生，應(yīng)加以防止。目前防護(hù)性能好的石墨專用加工機(jī)床相繼出現(xiàn)，也使這種情況得到很大的改善。三菱公司專門開發(fā)了針對(duì)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(duì)航空復(fù)合材料和硬質(zhì)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(duì)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(hào)為ISO-63石墨的干式切削加工例，切削速度為;377m/min,即轉(zhuǎn)速可達(dá)20000 mm/分，每齒進(jìn)給量為0.03mm/齒，即進(jìn)給速度達(dá)2500 mm/min.加工了320米，磨損高度還不到0.1mm,而老產(chǎn)品底刃部分局部涂層已磨去，露出硬質(zhì)合金基體。ISO-63，ISO-68等為常用中等級(jí)別的石墨電極標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)，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(hào)的產(chǎn)品。

 

　　另一例是用DF直角頭立銑刀Φ12持續(xù)加工石墨電極ISO-63，切削總長度800多米后，觀察側(cè)刃的磨損情況。加工條件是；切削速度是；271m/min，即轉(zhuǎn)速可達(dá)7200轉(zhuǎn)/分。進(jìn)給速度;2200mm/min,0.08mm/齒。干式切削。由圖6可知，試驗(yàn)結(jié)果可見是；DF立銑刀側(cè)刃上出現(xiàn)的磨損很小不明顯，可繼續(xù)使用，而老產(chǎn)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(yè)研發(fā)量身定制的產(chǎn)品。滿足了在智能化時(shí)代又有個(gè)性化的要求。
 

　　(原標(biāo)題：金剛石涂層立銑刀和石墨電極的加工)