大型壳形石墨电极的设计与加工

石墨作为电火花加工（Electrical Discharge Ma- chining，简称 EDM）电极材料，以其易加工修整、重量轻、放电效率高、热膨胀系数小、损耗小、不易拉弧等优点，在模具行业已得到越来越广泛的应用[1]。为降低机床负荷和人工调整工艺装备难度，大型电极更适宜采用石墨材料。大型电极，若使用紫铜则重量较大，通常要分拆开为小电极，但有的因精准度也要求很高而不宜分拆；若工件较小，可把工件固定在机械头上，电极固定在机台上，反“极性”加工。若以上条件不具备时只能使用石墨电极。
现代塑料模具型腔具有越来越大的趋势，型腔数量也越来越多，石墨因其比重轻，不但更适合于制作大型工具电极，而且能设计加工成大型组合电极。

电火花加工也具有局限性，最突出的是加工速度较慢和存在电极损耗[2]，从而影响加工的效率和质量。为提高电火花加工的效率和质量，应研发并使用大型壳形石墨工具电极。
所谓壳形工具电极，就是把工具电极设计加工成为薄壳形状。壳形石墨工具电极具有很多优点，如减轻电极重量，增加材料的利用率，减少电极损耗，延长电极寿命，减少能耗，提高电火花加工效率和加工精度，降低成本。

1 应用石墨壳形工具电极的效果

1.1 解决提高加工效率与减少电极损耗的矛盾
石墨电极不仅热学性能好，而且在长脉冲粗加工时能吸附游离碳来补偿电极的损耗，相对损耗率低。提高电火花加工速度的途径在于：提高脉冲频率，增加单个脉冲能量，设法提高工艺系数[3]。由于消电离时间的制约，通过提高脉冲频率来提高加工速度的空间非常小；在相同工艺条件下，对大型电极而言，提高加工速度的最有效途径在于增加单个脉冲能量。增加单个脉冲能量主要依靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度。但当脉冲电流增长率太高时，对在热冲击波作用下易于脆裂的工具电极（如石墨）的损耗，影响尤为显著，为降低电极损耗，应在放电初期限制脉冲电流的增长率[2]。无疑，存在着提高加工效率与减少电极损耗的矛盾。
文献[3]对电极表面温度场分布的研究表明，电极表面放电点瞬时温度不仅与瞬时放电总热量（与放电能量成正比）有关，而且与电极材料的导热性能有关。如果石墨工具电极加工成壳形，减少工具电极的热量，壳形薄壁更利于热传递，即使采用较大的脉冲宽度和较大的脉冲电流进行加工，电极表面温度仍相对较低，依然损耗较少，而工件表面温度仍较高而遭到高效蚀除，即进一步降低损耗比。因此石墨电极加工成壳形，有利于发挥传热效应的作用，既提高了加工效率，又减少电极损耗。

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4 结语

大型壳形石墨工具电极具有如下优点：
1）增加了材料的利用率，减轻了电极重量。
本实例中，经计算机辅助设计软件分析可知，传统工具电极的石墨体积为 1.81×107 mm3，壳形电极的石墨体积为 4.69×106 mm3，约为原体积的 1/4，掏出来的余料还可他用。
2）减少电极损耗，延长电极寿命，提高电火花加工效率和加工精度。
大型壳形石墨工具电极的设计与加工，看起来比传统的要费时很多，但其内切断刀、环槽刀、电极夹具设计制作后可适用于其他的电极加工。
本实例的大型壳形石墨工具电极已投入电火花加工实验，实验中不分粗加工电极、中加工电极和精加工电极，只使用一个电极，通过改变不同的电火花加工工艺参数，在放电粗加工时增加单个脉冲能量，对余量 0.30 mm 的型腔加工后尺寸精度和表面质量能达到预期的要求，而电极损耗较小。
总而言之，使用该技术，减轻电极重量，增加材料的利用率，减少电极损耗，延长电极寿命，减少能耗，提高电火花加工效率和加工精度，降低成本，在模具工业中具有良好的应用前景。

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