石墨加工專用刀具的特點與應用

與銅電極相比，石墨電極具有電極消耗小、加工速度快、機械加工性能好、加工精度高、熱變形小、重量輕、表面處理容易、耐高溫、加工溫度高、電極可粘結等優點。盡管石墨是一種非常容易切削的材料，但由于用作EDM電極的石墨材料必須具有足夠的強度，以免在操作和EDM加工過程中受到破壞，同時電極形狀(薄壁、小圓角、銳變等)也對石墨電極的晶粒尺寸和強度提出了較高要求，這導致在加工過程中石墨工件容易崩碎，刀具容易磨損。

刀具磨損是石墨電極加工中最重要的問題。磨損量不僅影響刀具損耗費用、加工時間、加工質量，而且影響電極EDM加工工件材料的表面質量，是優化高速加工的重要參數。石墨電極材料加工的主要刀具磨損區域為前刀面和后刀面。在前刀面上，刀具與破碎切屑區的沖擊接觸產生沖擊磨粒磨損，沿工具表面滑動的切屑產生滑動摩擦磨損。

影響刀具磨損的主要因素包括：

1 刀具材料
刀具材料是決定刀具切削性能的根
本因素，對于加工效率、加工質量、加工成本以及刀具耐用度影響很大。刀具材料越硬，其耐磨性越好，硬度越高，沖擊韌性越低，材料越脆。硬度和韌性是一對矛盾，也是刀具材料所應解決的一個關鍵問題。對于石墨刀具，普通的TiAlN涂層可在選材上適當選擇韌性相對好一點的，也就是鈷含量稍高一點的；對于金剛石涂層石墨刀具，可在選材上適當選擇硬度相對高一點的，也就是鈷含量稍低一點的。

2 刀具幾何角度

石墨專用刀具選擇合適的幾何角度，有助于減小刀具的振動，反過來，石墨工件也不容易崩缺。

2.1 前角

采用負前角加工石墨時，刀具刃口強度較好，耐沖擊和摩擦的性能好，隨著負前角絕對值的減小，后刀面磨損面積變化不大，但總體呈減小趨勢，采用正前角加工時，隨著前角的增大，刀具刃口強度被削弱，反而導致后刀面磨損加劇。負前角加工時，切削阻力大，增大了切削振動，采用大正前角加工時，刀具磨損嚴重，切削振動也較大。

2.2 后角

如果后角增大，則刀具刃口強度降低，后刀面磨損面積逐漸增大。刀具后角過大后，切削振動加強。

2.3 螺旋角

螺旋角較小時，同一切削刃上同時切入石墨工件的刃長最長，切削阻力最大，刀具承受的切削沖擊力最大，因而刀具磨損、銑削力和切削振動都是最大的。當螺旋角較大時，銑削合力的方向偏離工件表面的程度大，石墨材料因崩碎而造成的切削沖擊加劇，因而刀具磨損、銑削力和切削振動也都有所增大。因此，刀具角度變化對刀具磨損、銑削力和切削振動的影響是前角、后角及螺旋角綜合產生的，所以在選擇時一定要多加注意。

3 刀具涂層

金剛石涂層刀具具有硬度高、耐磨性好、摩擦系數低等優點。在現階段，金剛石涂層是石墨加工刀具的最佳選擇，也最能體現石墨刀具優越的使用性能。金剛石涂層硬質合金刀具的優點是：綜合了天然金剛石的硬度和硬質合金的強度及斷裂韌性。但是，目前在國內，金剛石涂層技術還處于起步階段，還有成本的投入也很大，所以金剛石涂層在近期不會有太大發展。不過，我們可以在普通刀具的基礎上，優化刀具的角度、選材和改善普通涂層的結構，在某種程度上，還是可以在石墨加工中應用的。

金剛石涂層刀具與普通涂層刀具的幾何角度有本質區別，因此，在設計金剛石涂層刀具時，由于石墨加工的特殊性，其幾何角度可適當放大，容屑槽也變大，而不會降低刀具刃口的耐磨性。對于普通的TiAlN涂層，雖然與無涂層刀具相比，其耐磨性有顯著提高，但比起金剛石涂層來說，在加工石墨時其幾何角度應適當減小，以增加其耐磨性。

對金剛石涂層來說，目前世界上眾多涂層公司均投入大量人力物力來研究開發相關技術，但迄今為止，國外技術成熟而經濟性又好的涂層公司僅限于歐洲企業。

4 刀具刃口強化

刀具刃口的鈍化是一個還不被人們普遍重視，而又十分重要的問題。用金剛石砂輪刃磨后的硬質合金刀具切削刃，存在程度不同的微觀缺口(即微小崩刃與鋸齒)。石墨的高速切削加工對刀具性能和穩定性提出了更高要求，特別是金剛石涂層刀具，在涂層前必須經過刀口鈍化處理，才能保證涂層的牢固性和使用壽命。刀具鈍化的目的，就是解決刀具刃磨后的刃口微觀缺口的問題，減小其鋒利度，達到圓滑平整，既堅固又耐用的目的。

5 切削加工條件

切削加工條件的選擇對于刀具壽命有相當大的影響。

5.1 切削方式(順銑和逆銑)

順銑的切削振動小于逆銑。順銑時，刀具切入厚度從最大減小到零，刀具切入工件后，不會出現因切不下切屑而造成的彈刀現象，工藝系統剛性好，切削振動小；逆銑時，刀具的切入厚度從零增加到最大，刀具切入初期，因切削厚度薄，將在工件表面劃擦一段路徑，此時，刃口如果遇到石墨材料中的硬質點或殘留在工件表面的切屑顆粒，都將引起刀具的彈刀或顫振，因此逆銑的切削振動較大。

5.2 吹氣(或吸塵)和浸漬電火花液加工

及時清理工件表面的石墨粉塵，有利于減小刀具二次磨損，延長刀具使用壽命，減少石墨粉塵對機床絲杠和導軌的影響。

5.3 其它事項

選擇合適的高轉速及相應的大進給量。

綜合以上各點，刀具的材料、幾何角度、涂層、刃口強化及切削加工條件，在刀具的使用壽命中扮演著不同的角色，缺一不可，相輔相成。一把好的石墨刀具，應具備流暢的石墨粉排屑槽、長的使用壽命、能夠進行深雕刻加工，能節約加工成本。