1. 引⾔自助投币洗衣机
在20世纪，铜作为电极材料在电⽕花加⼯中被⼴泛使⽤。那时只有在制作⼤型电极且模具加⼯要求不⾼或粗加⼯时，⽯墨材料才会成为备选考虑。⼀些早期接触过⽯墨电极的技术⼈员曾有普遍印象：⽯墨材料脏、易掉渣、表⾯效果不好、加⼯效率不⾼等等。 激光跟踪仪靶球>绩效评估系统
随着⾼新技术的发展，⽯墨材料的制造⼯艺不断完善，能满⾜不同电⽕花加⼯需求的⽯墨材料层出不穷，市场上⽯墨⾼速铣削机床应运⽽⽣，数控电⽕花加⼯机床的⽯墨放电性能也有了全⾯的提升。当今，在制造技术领先的欧洲，模具企业超过90%的电极材料采⽤⽯墨。航空航天、汽车、家电、电⼦等模具已⼤范围采⽤⽯墨作为电极材料，这种显著变化归功于⽯墨电极可实现⾼效率、⾼品质加⼯等诸多优势。 但在中国，当前⼤多数模具企业还是选⽤铜作为主要的电极材料。根据⽯墨材料的特性，以下全⾯分析其电⽕花加⼯的优势与不⾜，介绍如何正确选择⽯墨材料、电极制作与放电加⼯的要点，并提供实际应⽤案例。
2. ⽯墨材料的电⽕花加⼯特性
2.1 放电加⼯速度
⽯墨是⼀种⾮⾦属材料，熔点极⾼，达3 650℃，⽽铜的熔点是1083 ℃，因此⽯墨电极能承受更⼤的电流设定条件。当放电⾯积与电极尺⼨缩放量越⼤时，⽯墨材料⾼效率粗加⼯的优越性越显著。⽯墨的导热系数是铜的1/3，其放电过程中产⽣的热能可更有效地⽤于去除⾦属材料，因此在中、精加⼯中，其加⼯效率也⽐铜电极要⾼。根据加⼯经验，在正确的使⽤条件下，⽯墨电极的放电加⼯速度要⽐铜电极整体快1.5~2倍。
⽯墨电极具有能承受⼤电流条件的特性，另外，在合适的粗加⼯设定条件下，含碳元素的钢⼯件在加⼯时产⽣的蚀除物和⼯作液在⾼温下产⽣的分解物中的碳颗粒，在极性效应的作⽤下，部分蚀除物、碳颗粒会粘附在电极表⾯形成⼀层保护层，保证了⽯墨电极在粗加⼯中的损耗极⼩，甚⾄是“零损耗”。电⽕花加⼯中主要的电极损耗量来⾃于粗加⼯，精加⼯设定条件虽然损耗率较⾼，但因零件预留加⼯余量不多即加⼯蚀除量较少，其总体损耗量也较少。总体⽽⾔，⽯墨电极在⼤电流的粗加⼯中损耗会少于铜电极，在精加⼯中损耗可能会稍⼤于铜电极，⼆者的电极损耗情况相当。 2.3 表⾯质量
⽯墨材料的颗粒直径直接影响电⽕花加⼯的表⾯粗糙度，直径越⼩可获得更低的表⾯粗糙度值。⼏年前使⽤颗粒直径φ5µm的⽯墨材料，电⽕花加⼯的最佳表⾯只能达到VDI18（Ra0.8 µm），现今⽯墨材料的颗粒直径已能达到φ3 µm以内，电⽕花加⼯的最佳表⾯可稳定达到VDI12（Ra0.4 µm）或者更精细的等级，但⽯墨电极⽆法进⾏镜⾯电⽕花加⼯。铜材料的电阻率较低，组织结构致密，电⽕花精加⼯易获得稳定的加⼯状态，在较困难的条件下也能稳定加⼯，表⾯粗糙度可⼩于Ra0.1 µm，能进⾏镜⾯电⽕花加⼯。
由此可见，如果放电加⼯追求极其精细的表⾯，使⽤铜材料做电极更加合适，这是铜电极较⽯墨电极的主要优势。但铜电极在⼤电流设定条件下，电极表⾯容易变得粗糙不堪，甚⾄出现裂纹，⽽⽯墨材料则没有这⽅⾯的问题，对于表⾯粗糙度要求为VDI26（Ra2.0 µm）左右的型腔加⼯，使⽤1个⽯墨电极即可完成从粗到精的加⼯过程，实现均匀⼀致的纹⾯效果，表⾯不会有缺陷。另外，由于⽯墨与铜材组织结构的不同，⽯墨电极表⾯放电的腐蚀点⽐铜电极要规则，因此在加⼯VDI20及以上相同表⾯粗糙度时，使⽤⽯墨电极加⼯的⼯件表⾯颗粒度更加分明，这种纹⾯效果要优于铜电极的放电表⾯效果。
2.4 加⼯精度
⽯墨材料的热膨胀系数⼩，铜材料的热膨胀系数是⽯墨材料的4倍，因此在放电加⼯中⽯墨电极相⽐
铜电极不易发⽣变形，可获得更稳定可靠的加⼯精度。尤其是在加⼯深窄筋位部分时，局部⾼温容易使铜电极发⽣弯曲变形，⽽⽯墨电极不会这样；对于深径⽐⼤的铜电极，在加⼯设定时还需要补偿⼀定的热膨胀值来修正尺⼨，⽽⽯墨电极不需要。
不会这样；对于深径⽐⼤的铜电极，在加⼯设定时还需要补偿⼀定的热膨胀值来修正尺⼨，⽽⽯墨电极不需要。
2.5 电极重量
喷射装置
⽯墨材料较铜的密度要⼩，相同体积的⽯墨电极重量仅为铜电极的1/5。可见体积较⼤的电极使⽤⽯墨材料⾮常合适，极⼤地减轻了电⽕花加⼯机床主轴的载荷，电极不会因为重量⼤⽽导致装夹不便、加⼯中产⽣偏摆位移等问题，可见在⼤型模具加⼯中使⽤⽯墨电极很有意义。
2.6 电极制作难度
⽯墨材料的机械加⼯性能好，切削阻⼒仅为铜的1/4，在正确的加⼯条件下，铣削加⼯⽯墨电极的效率是铜电极的2~3倍。⽯墨电极容易清⾓，可以将平时要由多个电极完成的⼯件设计成⼀个整体电极来加⼯。⽯墨材料独特的颗粒组织结构，使得电极铣削成型后不会产⽣⽑刺，对于复杂造型不便于去除⽑刺的情况直接满⾜使⽤要求，省去了⼈⼯对电极进⾏抛光的⼯序，避免了抛光导致的形状改变、尺⼨误差等。
需要注意的是，由于⽯墨是粉尘堆积物，铣削⽯墨时会产⽣⼤量的粉尘，因此铣削机床必须要有密封与吸尘装置。如果需要使⽤电⽕花线切割加⼯⽯墨电极，其加⼯性能就不如铜材料了，切割速度相⽐铜慢约40%。
2.7 电极安装与使⽤
⽯墨材料的可粘结性好，可以使⽤导电胶将⽯墨与夹具粘结的⽅法铣削电极、放电加⼯，可省去在电极材料上加⼯螺丝孔的⼯序，节省了⼯作时间。⽯墨材料⽐较脆，特别是细⼩窄长电极，在使⽤中受到外⼒作⽤时容易折断，但可以马上知晓电极发⽣了损伤。如果是铜电极则只会弯曲不会折断，这种状况在使⽤过程中⾮常危险且难以发现，很容易导致⼯件报废。
2.8 价格
铜材料是不可再⽣资源，价格趋势会越来越贵，⽽⽯墨材料的价格趋于稳定。近⼏年铜材料价格不断上涨，⽽各⼤⽯墨制造商不断改进制作⽯墨的⼯艺使其更具性价⽐优势，如今，相同体积下，通⽤性⽯墨电极材料的价格与铜电极材料的价格相当，但⽯墨所能实现的⾼效率加⼯，⽐使⽤铜电极要节省的⼤量⼯时，相当于直接地降低了⽣产成本。
综上所述，在⽯墨电极的8项电⽕花加⼯特性中，其优势明显：铣削电极与放电加⼯的效率均显著优
于铜电极，⼤电极重量⼩，尺⼨稳定性良好，薄⽚电极不容易发⽣变形，表⾯纹理优于铜。⽯墨材料的不⾜之处是不太适合
VDI12（Ra0.4 µm）以下的精细表⾯放电加⼯，使⽤电⽕花线切割制作电极的效率较低。但从实际⾓度来看，影响⽯墨材料在国内不能有效推⼴的⼀个重要原因是铣削电极需要有专门的⽯墨加⼯机，这就对模具企业的加⼯设备提出了新的要求，⼀些⼩型企业可能不具备这个条件。总体⽽⾔，⽯墨电极特性的优势涵盖了电⽕花加⼯的绝⼤多数加⼯场合，值得推⼴应⽤，长期效益可观，其精细表⾯加⼯的不⾜之可以通过使⽤铜电极来弥补。
3. 电⽕花加⼯⽤⽯墨电极材料的选择
对于⽯墨材料，主要有以下4个指标直接决定着材料的使⽤性能：
1）材料的平均颗粒直径
材料的平均颗粒直径直接影响到材料放电的状况。⽯墨材料的平均颗粒越⼩，材料的放电越均匀，则放电状况越稳定，表⾯质量越好，损耗情况越⼩；平均颗粒越⼤，在粗加⼯中能获得更好的去除率，但精加⼯表⾯效果较差，电极损耗较⼤。
2）材料的抗折强度
材料的抗折强度是材料强度的直接体现，显⽰材料内部结构的紧密程度。强度⾼的材料，其放电的耐损耗性能相对较好，对于精度要求⾼的电极，尽可能选择强度较好的材料。
3）材料的肖⽒硬度
⽯墨的硬度⽐⾦属材料要⾼，在切削时⼑具的损耗⽐切削⾦属要⼤些。与此同时，硬度⾼的⽯墨材料在放电损耗⽅⾯的
⽯墨的硬度⽐⾦属材料要⾼，在切削时⼑具的损耗⽐切削⾦属要⼤些。与此同时，硬度⾼的⽯墨材料在放电损耗⽅⾯的控制⽐较优秀。
4）材料的固有电阻率
固有电阻率较⼤的⽯墨材料，放电速度会⽐电阻率⼩的慢。固有电阻率越⾼，电极损耗就越⼩，但固有电阻率偏⾼时，放电的稳定性会受到影响。
⽬前全球知名的⽯墨供应商中不同供应商有多种不同牌号的⽯墨可供选择。通常根据⽯墨材料的平均颗粒直径来分类，颗粒直径≤φ4 µm的定义为细⽯墨，颗粒在φ5~φ10 µm定义为中⽯墨，颗粒在10 µm以上定义为粗⽯墨。颗粒直径越⼩材料的价格越贵，可以根据电⽕花加⼯要求与成本选择合适的⽯墨材料。
4. ⽯墨电极的制作
模具制造中的⽯墨电极主要⽤铣削加⼯的⽅法制作完成。从加⼯⼯艺的⾓度看，⽯墨与铜是2种不同的材料，应该掌握它们不同的切削特性。如果使⽤加⼯铜电极的⼯艺来加⼯⽯墨电极，必然会出现问题，如薄⽚经常发⽣断裂，这就要求采⽤合适的切削⼑具与切削参数。
加⼯⽯墨电极⽐铜电极的⼑具磨损要⼤，就经济性考虑，选⽤硬质合⾦⼑具是最经济的，选择⾦刚⽯涂层⼑具（称⽯墨⼑）价格较昂贵，但⾦刚⽯涂层⼑具使⽤寿命长，加⼯精度⾼，整体经济效益不错。⼑具的前⾓⼤⼩也影响其使⽤寿命，前⾓0°的⼑具会⽐前⾓15°的⼑具⾼出多达50%的使⽤寿命，切削的稳定性也较好，但是斜⾓越⼤，加⼯表⾯越好，使⽤15°斜⾓的⼑具能达到最佳的加⼯表⾯。加⼯时的⾛⼑速度可按电极的形状来调整，通常为10m／min，与加⼯铝或塑料类似，粗加⼯时⼑具可直接在⼯件上下⼑，精加⼯易发⽣崩⾓、碎裂的现象，常采⽤轻⼑快⾛的⽅式。
⽯墨电极在切削加⼯中会产⽣⼤量的粉尘，为避免⽯墨颗粒吸⼊机床主轴和丝杠，⽬前解决⽅案主要有2种，⼀种是使⽤专门的⽯墨加⼯机，另⼀种是将普通的加⼯中⼼改装，配置专门的吸尘装置。市场上专门的⽯墨⾼速铣削机床铣削效率⾼，可轻松完成复杂电极的制造，电极精度⾼，表⾯质量佳。
如果需要使⽤电⽕花线切割来制作⽯墨电极，推荐使⽤颗粒直径更⼩的细⽯墨材料。⽯墨材料的电⽕花线切割加⼯性能较差，其颗粒直径越⼩时可获得相对较⾼的切割效率，避免出现频繁断丝、表⾯条
纹等异常问题。
5. ⽯墨电极的电⽕花加⼯参数
防过敏皮带⽯墨与铜材料的电⽕花加⼯参数选⽤有较⼤差异。电⽕花加⼯参数主要包括电流、脉冲宽度、脉冲间隙、极性。以下介绍合理使⽤这些主要参数的依据。催化剂评价
⽯墨电极的电流密度⼀般为10~12 A/cm2，⽐铜电极要⼤得多，因此在对应⾯积允许的电流⼤⼩范围内，电流选⽤越⼤，则⽯墨放电加⼯速度越快，电极损耗越⼩，但表⾯粗糙度会变粗。
脉冲宽度选⽤越⼤，电极损耗会降低。但较⼤的脉冲宽度会使加⼯稳定性变差，同时使加⼯速度变慢，表⾯变粗糙。粗加⼯时为保证电极低损耗，通常使⽤较⼤的脉冲宽度，其取值在100～300 us时可有效实现⽯墨电极的低损耗加⼯。精加⼯时，为获得精细表⾯与稳定的放电效果，宜选⽤较⼩的脉冲宽度。⼀般⽯墨电极⽐铜电极加⼯时选取的脉冲宽度要减少约40%
脉冲间隙主要影响放电加⼯速度和加⼯稳定性，其值越⼤加⼯稳定性越好，对获得较好的表⾯均匀性有帮助，但加⼯速度会降低。在保证加⼯稳定的情况下，选⽤较⼩的脉冲间隙可获得较⾼的加⼯效率，但放电状态不稳定时，脉冲间隙选取较⼤些可获得更⾼的加⼯效率。⽯墨电极放电加⼯中通常将脉冲间隙与脉宽宽度按1:1来设定，⽽通常铜电极加⼯中脉冲间隙与脉宽宽度按1:3来设定。在⽯墨加
⼯稳定的情况下，可以将脉冲间隙与脉宽宽度的搭配⽐例调整到2:3。脉冲间隙较⼩的情况下，有利于在电极表⾯形成覆盖层，对降低电极损耗有⼀定的帮助。
⽯墨电极电⽕花加⼯中极性的选⽤与铜电极基本相同。根据电⽕花加⼯的极性效应，在加⼯模具钢时通常选⽤正极性加⼯，也就是电极接电源的正极，⼯件接电源的负极。使⽤较⼤电流和脉冲宽度，选择正极性加⼯可以获得极低的电极损耗效果，如果将极性选错将会导致电极损耗变得⾮常⼤。只有在表⾯要求⼩于VDI18（Ra0.8µm）的精细加⼯，采⽤极⼩的脉冲宽度，才选⽤负极性加⼯以获得较好的表⾯质量，但电极损耗较⼤。
现在的数控电⽕花加⼯机床都配有⽯墨放电加⼯参数。电参数的使⽤是智能化的，可以通过机床的专家系统来⾃动⽣成。通常是在编程时选择材料对、应⽤类型、表⾯粗糙度值，输⼊加⼯⾯积、加⼯深度、电极尺⼨缩放量等，机床就能配置出优化的加⼯参数。机床针对⽯墨电极的放电加⼯设有丰富的加⼯参数库，材料类型⾥可选择粗⽯墨、中⽯墨、细⽯墨对应多种⼯件材料，将应⽤类型细分为标准、深槽、尖点、⼤⾯积、⼤型腔、微细等，还提供了低损耗、标准、⾼效率等多种加⼯优先权选择。
6. ⽯墨电极加⼯应⽤案例
下图所⽰⼿机模具零件的材料S136钢料，加⼯形状包含形状复杂的加强筋。使⽤⽯墨电极，精加⼯电
极使⽤TTK-4⽯墨，电极数量2个，粗加⼯电极尺⼨缩放量单边0.08 mm，精加⼯电极尺⼨缩放量单边0.08 mm。粗加⼯时间3H，精加⼯时间53 min，表⾯粗糙度VDI18（Ra 0.8µm）。加⼯说明：利⽤⽯墨的特性将不同形状，将不同⾼低的众多薄加强筋组合在⼀个电极上进⾏放电加⼯，可减少电极原材料、夹具的投⼊成本，降低电极的装夹次数和定位⼯作量，放电时间⽐使⽤铜电极加⼯缩短40%。
7. 结束语
新型⽯墨电极材料值得⼤⼒推⼴，其优越性将逐渐被国内模具制造⾏业认识和接受。正确选⽤⽯墨电极材料，并配合改进相关⼯艺环节，将为模具制造企业带来⾼效率、⾼品质、低成本效益。
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