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　　【机床商务网栏目 科技动态】电加工模具常用石墨电极。石墨是碳元素的一种同素异形体，晶体结构为蜂巢式多个六面体，由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能自由移动，因此石墨虽是非金属材料，但是导电体，能作电极用。在电加工中石墨电极比铜电极优点突出诸如：⑴金属去除率高。⑵重量只有铜电极的1/4，据需要可以做得很大。⑶形状可做得复杂，也可捆绑组成复合电极，一次加工出深而复杂模具型腔。⑷热稳定性好，如铜在1000º左右就软化变形，但石墨具有很高熔点，升温至3650º，热膨胀系数还很小，基本不变形，加工精度与余量易控制。⑸电加工时，自身损耗小，油中的碳原子分解可形成保护膜，还能补偿石墨电极的损耗，使用寿命长。⑹易抛光，用它加工，不生成毛刺，加工后续的清理工序可简化。故它的加工精度和加工表面质量均高。⑺在切削加工石墨时，切削力较低，铣削速度可高于铜电极，在制造成本方面也低于铜电极。一些特殊带薄筋的模具只有石墨电极才能加工。所以它的实用的范围比铜电极更为广泛。石墨电种牌号多，一般情况下可选择兼有良好的导电性能和被加工性能的。具有较高抗弯强度，硬度适中，粒度均匀的。
 

　　电加工用石墨电极按加工精度和表面质量要求的不同，各大公司有不同牌号的产品，产品的基本性能参数有；平均粒径、体积密度、电阻率、肖氏硬度(HS)、抗弯强度等。
 

　　用作电加工的石墨电极通常肖氏硬度Hs多在60-90间，约相当洛氏硬度HRc45-65。因此可知一般刀具和涂层刀具极易磨损，刀具寿命很短。自从开发出能将金刚石薄膜化作为涂层涂覆在刀具的表面的方法后，从而使石墨和其他如陶瓷、CFRP，GFRP、硬质合金等的非金属难加工材料的加工难题得到了突破。
 

　　表1是各种刀具涂层材料的性能比较。可知金刚石的硬度达10000HV，热传导率达2100W/m.K远超过其他材料，这二项指标，显示了金刚石抗机械磨损和热磨损的能力高。但金刚石加工铁族元素的铁、镍、钴时，这些元素易和构成金刚石的碳发生反应，会使自身耐磨性下降，但在切削铝合金、铜合金、石墨及其他非金属材料(如CFRP等)和陶瓷时，却能充分发挥他的长处。故当前在石墨电极及摸具加工、航空航天等加工业中得到广泛地应用，促进了它们的加工质量，提高了它们的加工效率。
 

　　目前主要采用CVD方法进行沉积金刚石涂层，具体可先准备原料气，原料气一般是甲烷、乙炔、一氧化碳等，将它们和氢混合后导入装置中。再激发原料气活性化，活性化的方法有多种；如加热钨丝至2000º以上，同时加热基板使之合成;可用微波激发原料气，同时用感应加热和等离子冲击在基板上合成，此法获得的金刚石纯度较高;还有用高频微波；直流放电，等离子法等合成方法。图1是用CVD方法在基板上成膜的过程。由图可见开始是核的生成，以后核不增多而进入成长阶段，后互相连接在一起，成为膜状覆盖在刀具的表面。一般随原料气浓度增大，晶粒变小，但浓度过大非金刚石成分也会增大，出现硬度下降的趋向。其他如基板的温度、合成压力、激发的状态等对涂层质量也有影响。另外在提高金刚石膜和硬质合金基体的结合强度方面，为消除硬质合金中结合相钴的不好影响等也需要注意，适当处理，这些做好了，就可形成高质量的金刚石涂层。

 

　　三菱综合材料公司针对金刚石涂层的质量，特别是分别应对航空复合材料，硬质合金和石墨电极加工的适合的金刚石涂层的不同合成方法进行了长期不懈地研究。他们应用了独特的多层微粒CVD金刚石结晶控制技术开发了型号为DFC的涂层，它兼备优异的耐磨性和平滑性，它可加工航空工业多用的CFRP等，研究开发了针对硬质合金，兼顾氧化铝，氧化锆，碳化硅，氮化硅，硅玻璃的DC涂层。另外又采用独特的等离子CVD法开发了适石墨加工型号为DF的涂层。DF涂层的D代表了金刚石，F代表了“四”即具有四方面的优点;Fixed稳定的高耐磨性，Fine高质量，Fast率，First为选择。它具有与天然金刚石相当的表皮硬度和优异的与基体结合强度。这经过拉曼光谱分析也得到了证实。(注;即利用样品分子在光入射后部分散射光频率改变，这种散射与入射光频率的改变称拉曼位移，以此定性定量地判定物质结构及性能)(图2)
 

　　石墨电极和石墨制零件主要的加工的表面是它们的型面和槽等，这些表面主要需使用各种立铣刀，进行铣削加工，在立铣刀的设计和加工中的切削用量选择方面也需特别加以注意。由于石墨制品本身刚性较差，易崩边崩角，一般应使刀具的前角增大，刃口锋利，也要注意不要使石墨切屑进入机床滑动部件间，使机床磨损老化。石墨的切屑呈粉尘状，影响环境卫生，应加以防止。目前防护性能好的石墨专用加工机床相继出现，也使这种情况得到很大的改善。三菱公司专门开发了针对石墨加工的DF金刚石涂层立铣刀系列。如图3自右至左。分别是直角头DF-4JC(Φ3-Φ12)，圆弧头DF-PSRB(Φ0.5×R0.1×4-Φ12×R0.5×40)长锥颈球头DF-3XB(R1×0.5º×30-R2×0.5º×100)，长颈球头DF-2XLB(R0.1×0.5-R3×12)，球头DF-2MB(R3×100-R6×200)，长颈直角头DF-4XL(Φ1×6-Φ12×30)立铣刀。针对航空复合材料和硬质合金等也有多种专用的DFC和DD立铣刀系列。图4是用长锥颈立铣刀对石墨模具的深雕加工。
 

　　图5是用DF-PSRB(Φ6)圆弧头立铣刀铣削牌号为ISO-63石墨的干式切削加工例，切削速度为;377m/min,即转速可达20000 mm/分，每齿进给量为0.03mm/齿，即进给速度达2500 mm/min.加工了320米，磨损高度还不到0.1mm,而老产品底刃部分局部涂层已磨去，露出硬质合金基体。ISO-63，ISO-68等为常用中等级别的石墨电极标准牌号，平均粒径为0.005，肖氏硬度分别为76和80。ISO-63兼顾良好的放电性能和切削性能。ISO-68放电性能更好，但硬度较高，被切削性能梢差。各大电极和碳素公司有自己不同粒径不同性能牌号的产品。

 

　　另一例是用DF直角头立铣刀Φ12持续加工石墨电极ISO-63，切削总长度800多米后，观察侧刃的磨损情况。加工条件是；切削速度是；271m/min，即转速可达7200转/分。进给速度;2200mm/min,0.08mm/齿。干式切削。由图6可知，试验结果可见是；DF立铣刀侧刃上出现的磨损很小不明显，可继续使用，而老产品则明显磨损了。
 

　　DF系列的立铣刀适用于石墨的加工，是为石墨电极企业研发量身定制的产品。满足了在智能化时代又有个性化的要求。
 

　　(原标题：金刚石涂层立铣刀和石墨电极的加工)