石墨薄片電極銑削加工研究*

張 斌，唐春華，王洪亮

(珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 珠海 519090)

0 引 言

模具上窄槽(非貫通)、深骨位、細(xì)小特征等難以直接加工到位的地方一般要拆鑲件或需放電加工，不宜拆鑲件的部位就需要放電加工，進(jìn)行放電加工就需要制作電極(銅公)。電極常用材料一般有銅和石墨兩種，因銅電極放電效率較低，銅質(zhì)地較軟，薄片電極在加工時(shí)容易變形等，石墨電極因其本身所具有的優(yōu)良性能在模具放電加工中獲得了廣泛應(yīng)用，但因石墨本身所具有的特性(如非均質(zhì)、脆性大等)，薄片石墨電極在加工中易出現(xiàn)的斷裂、崩角、刀具磨損嚴(yán)重等問題亟待解決。

1 薄片石墨電極加工難點(diǎn)分析

1.1 石墨電極優(yōu)點(diǎn)

與銅電極相比，石墨電極具有放電效率高、損耗小、重量輕、切削容易等優(yōu)點(diǎn)在模具行業(yè)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，且很多時(shí)候?yàn)楸ＷC產(chǎn)品外觀質(zhì)量，需拆整體電極，而整體電極存在各種隱性清角，利用石墨的易修整性，可大大減少了電極數(shù)量，提升放電效率[1]。

1.2 薄片石墨電極加工難點(diǎn)

相比于薄片銅電極，薄片石墨電極具有較高的硬度，加工不易變形，但因?yàn)槭嘈源螅Y(jié)構(gòu)不均勻，加工時(shí)極易發(fā)生斷裂、崩角；石墨硬度高，刀柄較長(zhǎng)容易出現(xiàn)彈刀、刀具易磨損加劇等問題[2]。常見薄片石墨電極結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常見石墨薄片電極結(jié)構(gòu)

2 影響薄片石墨電極加工質(zhì)量因素分析

2.1 石墨特性

石墨電極坯料是由顆粒在一定壓力下壓制成型的，這就造成了其結(jié)構(gòu)的不均勻、多孔性，再加上石墨比較脆，導(dǎo)致切削加工中容易出現(xiàn)崩角、斷裂。為減少石墨本身特性對(duì)加工影響，優(yōu)先采用西格里、東洋碳素等國際品牌的坯料，國產(chǎn)石墨普遍顆粒大、結(jié)構(gòu)疏松、難以制作高質(zhì)量的薄片電極，多用于粗公。

2.2 刀具因素

薄片電極由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，小的振動(dòng)、沖擊都可能導(dǎo)致加工失敗。因此，薄片電極加工切削力要盡可能小、盡可能保持切削力穩(wěn)定、減小切削沖擊，刀具選用不合理、刀具磨損均會(huì)引起切削力變化，產(chǎn)生切削沖擊。

2.3 編程策略

采用合理的編程策略、減小切削力及切削力變化引起的沖擊、振動(dòng)，提高加工過程穩(wěn)定性是獲得高質(zhì)量薄片電極的關(guān)鍵因素之一。如粗加工預(yù)留較大的加工余量，補(bǔ)強(qiáng)薄片電極剛性和強(qiáng)度，精加工一次走刀完成切削可降低斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；先加工薄片電極頂面再加工側(cè)面，可提高頂部強(qiáng)度，避免頂面加工時(shí)加工崩角現(xiàn)象等[3]。

2.4 切削參數(shù)選用

合理的加工參數(shù)對(duì)薄片電極加工質(zhì)量、刀具耐用度等有重要影響。切削力的影響因素非常多，切削方式、切削參數(shù)(切削速度、進(jìn)給速度、切削深度等)對(duì)切削力大小、切削穩(wěn)定性有顯著影響。選擇合理加工參數(shù)，減小切入、切出時(shí)切削力變化導(dǎo)致的振動(dòng)、沖擊可減少薄片電極崩角、斷裂的發(fā)生，刀具切入切出刀應(yīng)盡量采用沿輪廓的切向或斜向切入方式，減小切削力變化引起的振動(dòng)、沖擊。

2.5 機(jī) 床

高速銑削與常規(guī)銑削相比，效率提升30%以上，切削力下降30%以上，刀具壽命提高了70%，切削振動(dòng)幾乎消失[4]。采用高速機(jī)進(jìn)行加工、機(jī)床主軸精度高、振動(dòng)小、切削力小、表面質(zhì)量好、熱變形小、可有效減少因切削沖擊、表面凹坑導(dǎo)致的折斷、崩角現(xiàn)象。

3 常見薄片石墨電極加工工藝

3.1 加工工藝性分析

薄片電極的結(jié)構(gòu)與尺寸如圖2所示。

圖2 薄片電極結(jié)構(gòu)及尺寸

薄片部分高度25 mm，頂部厚度只有0.6 mm，再考慮電極的放電間隙、實(shí)際厚度更小(0.5 mm)，高度厚度之比達(dá)到42：1，屬于典型的薄片電極，加工難度大?；谇懊娴姆治鍪牧线x用東洋碳素ISO-63、刀具選用耐磨性好的金剛石涂層刀具、機(jī)床選用森瑪?shù)耂MD-600高速專用石墨機(jī)。減小機(jī)床、刀具和石墨材料本身特性對(duì)薄片石墨電極加工的影響。

3.2 擬定加工路線，選擇編程策略、加工參數(shù)

薄片電極因其結(jié)構(gòu)上的特殊性，加工難度大，程序編制需根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合理的編程策略和加工參數(shù)，合理安排粗加工、半精加工和精加工的加工路線。經(jīng)過工藝分析，此電極的加工工藝路線編排如圖3所示，編程策略及加工參數(shù)設(shè)置如表1、2所列[5]。

圖3 薄片電極加工工藝路線

表1 薄片電極刀具選用及編程策略

如圖3所示：圖3(a)為輪廓粗加工(頂面、側(cè)壁及基準(zhǔn)開粗)；圖3(b)為二次開粗(D12刀加工不到的，改用D3刀開粗)；圖3(c)為側(cè)壁、基準(zhǔn)精加工；圖3(d)為刻字。先精加工頂面，因頂面較薄,是強(qiáng)度最最弱的部位,先加工頂面可利用側(cè)面尚未切削的余量來提高頂部的強(qiáng)度、避免崩角。再二次開粗加工，D12刀切削不到的地方，然后采用等高和平行區(qū)域清除策略精加工側(cè)面和基準(zhǔn)面，因側(cè)面小面厚度太薄加工時(shí)易出現(xiàn)崩角，精加工切深控制在0.2 mm以內(nèi)，最后刻字完成薄片電極加工。

表2 薄片電極加工參數(shù)設(shè)置

3.3 刀路仿真及檢查

該電極程序采用Powermill軟件編制，刀具路徑如圖4所示。

圖4 薄片電極刀路仿真及檢查

3.4 加工效果展示

薄片電極最終加工成品如圖5所示，在對(duì)零件進(jìn)行工藝分析的基礎(chǔ)上，通過采用合理的編程策略、設(shè)置合理的工藝路線和加工參數(shù)有效解決了石墨薄片電極加工中容易出現(xiàn)斷裂、崩角現(xiàn)象。

圖5 薄片電極加工

4 結(jié) 語

放電作為模具加工中幾種最常用加工方式之一，在模具窄槽、骨位等部位加工中具有不可替代的作用，薄片石墨電極因石墨材料自身特性和薄片電極結(jié)構(gòu)特殊性，加工難度較大。通過采用合理的編程策略、設(shè)置合理的切削參數(shù)、選用合理的切削刀具，取得了良好的加工效果，有效解決了石墨薄片電極加工中容易出現(xiàn)斷裂、崩角現(xiàn)象，對(duì)縮短模具交期著、降低成本、提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。同時(shí)也為為類似結(jié)構(gòu)薄片石墨電極加工提供了有益參考。