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(shù)上的發(fā)展為提高石墨電極的銑削加工效率和生產(chǎn)質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)，特別是對(duì)形狀復(fù)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(duì)其銑削加工，因此對(duì)HSM機(jī)床的需求也在不斷地增長(zhǎng)。但是，有一段時(shí)間由于在硬質(zhì)鋼材加工方面的技術(shù)發(fā)展，似乎有可能使石墨電極成為一項(xiàng)過時(shí)的技術(shù)。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(gè)關(guān)鍵生產(chǎn)工藝。

　　與石墨電極銑削加工所需的時(shí)間相比，高剛性硬質(zhì)鋼材的加工仍需要更長(zhǎng)的時(shí)間。在硬質(zhì)鋼材上銑削加工模具的凹穴、型腔和復(fù)雜的3D型面時(shí)，徑向跳動(dòng)誤差和刀具的偏差往往會(huì)導(dǎo)致刀具斷裂。當(dāng)?shù)毒邤嗔褧r(shí)，不但會(huì)中止鋼材的繼續(xù)加工，而且還會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量，導(dǎo)致零件的報(bào)廢和材料的浪費(fèi)。

　　從可以預(yù)見的未來考慮，石墨電極將會(huì)占據(jù)極高的地位，凡是采用效率最高的設(shè)備加工石墨電極的模具制造商，將會(huì)堅(jiān)持不懈，擴(kuò)大與那些決心使用硬質(zhì)鋼材加工的制造商之間的競(jìng)爭(zhēng)差距。

　　微型刀具的基礎(chǔ)

　　就石墨電極而言，對(duì)其最有魔力的一個(gè)詞就是“高速”。高速加工中心的主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)30000~60000r/min，并能加快進(jìn)給速度，以縮短加工周期，提高表面以及邊緣的質(zhì)量。驅(qū)動(dòng)這類主軸所需的電機(jī)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(diǎn)是十分關(guān)鍵的，因?yàn)樵S多電極比較復(fù)雜，它們的生產(chǎn)會(huì)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(zhì)量，避免刀具斷裂。對(duì)于轉(zhuǎn)速高達(dá)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(shù)就是采用特高的轉(zhuǎn)速、較小的跨距，以及大幅度提高的進(jìn)給率。

　　當(dāng)你將手從燃燒著的蠟燭火焰上掠過時(shí)，如果移動(dòng)的速度很慢，火焰就會(huì)有足夠的時(shí)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(shí)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(dòng)太快，熱量就沒有足夠的時(shí)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(shí)際上不是一件簡(jiǎn)單容易的事情，尤其是在一臺(tái)普通的數(shù)控機(jī)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?yàn)檫@種主軸是專門為夾持3in(1in=25.4mm)飛刀而設(shè)計(jì)的，用于高密度基質(zhì)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(fèi)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(zhuǎn)速和進(jìn)給率，使機(jī)床處于緩慢的工作狀態(tài)，這樣勢(shì)必功效很低，其加工周期之長(zhǎng)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(dòng)力卡車與一輛賽車之間的關(guān)系。在現(xiàn)實(shí)中，這兩者是無法相比的。因?yàn)榭ㄜ嚨脑O(shè)計(jì)是需要?jiǎng)恿土α縼硗侠\(yùn)輸大量的貨物，而賽車的設(shè)計(jì)是需要速度和機(jī)動(dòng)靈活性。實(shí)質(zhì)上，凡是表示其普通數(shù)控機(jī)床能夠使用微型刀具的機(jī)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(shí)捷汽車同樣的質(zhì)量。事實(shí)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(dāng)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(jī)床上，希望其能成為可以使用微型刀具的高速加工機(jī)床。

　　2.幾何形狀

　　如同普通的數(shù)控機(jī)床一樣，不可能翻修成為可以有效使用微型刀具的機(jī)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(duì)加工電極的質(zhì)量和效率起著非常關(guān)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(jìn)給速度和加工的表面質(zhì)量是無法讓人滿意的。

　　當(dāng)?shù)毒叩闹睆娇s小，并且主軸的速度降低時(shí)，對(duì)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?yàn)槠涓咿D(zhuǎn)速，而不是刀具的直徑。

　　3.刀具的磨損

　　增加轉(zhuǎn)速需要適當(dāng)?shù)仄胶獾毒撸源蠓忍岣咔邢鞯目臻g，保證切屑能夠很好的排除。在銑削加工石墨時(shí)，刀具的幾何形狀有利于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)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(gè)令人關(guān)注的問題。專用涂層是保護(hù)刀具過度磨損的有力武器。可以考慮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(duì)加工其他研磨性基質(zhì)材料(如玻璃纖維)顯示出了很好的優(yōu)勢(shì)。

　　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(duì)數(shù)控機(jī)床加工件的保護(hù)，使其免受石墨粉塵的侵害是極為重要的(見圖2)。有些機(jī)床制造商研發(fā)一種解決方案，它可以滿足這些特殊應(yīng)用的需要。

圖2 在這臺(tái)高速銑床上，圍繞石墨工件和主軸周圍的是一個(gè)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使其沒有沉降的機(jī)會(huì)，從而達(dá)到吸塵的目的

　　尋求石墨加工機(jī)床應(yīng)滿足以下要求：

　　(1)線性導(dǎo)軌和滾珠絲杠應(yīng)采用正壓氣流保護(hù)，防止高速加工中心的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)進(jìn)入研磨性粉塵。

　　(2)所有運(yùn)動(dòng)控制電子元件和電機(jī)需采用密封保護(hù)，防止機(jī)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(fù)合材料、陶瓷或任何帶有研磨性的材料(見圖3)。

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

　　2.刀具長(zhǎng)度測(cè)量

　　先進(jìn)的機(jī)床還應(yīng)該具備另外一個(gè)特性，機(jī)床應(yīng)該有利于石墨的銑削加工，其刀具的長(zhǎng)度測(cè)量值應(yīng)該能補(bǔ)償?shù)毒叩哪p。這種刀具傳感器/補(bǔ)償替換系統(tǒng)由三個(gè)獨(dú)立，但又相互關(guān)聯(lián)的元件組成：

　　(1)刀具交換裝置。刀具交換裝置是設(shè)有備用刀具空間的一個(gè)刀架或一個(gè)刀盤，以及用于放置斷裂刀具的空置刀位。機(jī)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(shí)，如刀具發(fā)生斷裂，可以自動(dòng)更換。

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

　　(3)軟件。軟件是一個(gè)宏指令程序，可對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，使其在執(zhí)行一系列代碼線以后，運(yùn)行刀具檢查程序。例如，一個(gè)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(gè)過程：“測(cè)量這把刀具，如果長(zhǎng)度低于所列參數(shù)，那么就需要更換這把刀具。”

　　因此，當(dāng)加工中心以單步方式逐步向硬質(zhì)鋼材高效銑削加工的最終目標(biāo)前進(jìn)時(shí)，在提供石墨電極銑削加工所需的效率和質(zhì)量方面，高速加工中心的技術(shù)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(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)成為工業(yè)的主流工藝。