模具加工中电极材料的合理选择及应用

　　在模具加工中，特别是成形模具的型腔加工中，采用电火花加工技术目前仍然是不可替代的加工手段。其中工具电极的合理选择是一项重要的工作，这点在生产实践中并没有得到足够的重视。

　　一般来说，对于模具本身材料，在设计之初就根据所成形材料特点和生产要求等条件来合理选择。对于需要电火花加工的型腔，由于被加工模具材料性能和工具电极材料性能将影响电火花加工性能（材料去除率、工具损耗率及工件表面质量等），因此对于需要采用电火花加工的型腔来说，所用的工具电极也需要慎重对待，这样才能制造出高质量的模具。

　　由于电火花加工的应用范围不断扩展，对与之相适应的电极材料（包括相应的电极制备方法）也不断提出新的要求。随着材料科学的发展，人们对电火花加工工具电极材料不断进行着探索和创新，本文就目前生产中已经广泛使用的电极材料进行归纳总结，以期能够在实践中有具体的指导作用。

　　电火花加工用的工具电极材料必须具有导电性能好、损耗小，应满足高熔点、低热胀系数、良好的导电导热性能和力学性能，并且容易进行机械加工，具有放电加工时稳定性好、生产率高、工件表面质量好特点，当然最好材料来源丰富、价格低廉，以来降低制造成本。生产中已经广泛使用的工具电极材料主要有石墨、铜及铜合金、钢、铸铁等。

　　1. 电火花加工用石墨电极的应用特点石墨具有良好的导电导热性和可加工性，是电火花加工中广泛使用的工具电极材料。

　　（1）石墨的比重是铜的1/5，同等体积石墨的重量相对铜要轻5倍。铜制作成的大型电极由于太重，在长期使用时对电火花机床主轴精度非常不利。而石墨则不会，而且搬运也非常安全，这也是石墨在大型模具成形加工应用的一个重要原因。

　　（2）由于铜在机加工和电火花加工时容易变形，而石墨却能很容易地达到，且石墨在电火花加工时可以用较大的电流和加工速度，不用担心因温度过高产生变形而使工件受到损坏。

　　（3）石墨的修整和抛光，一般情况下石墨在加工完成后不需要进行抛光处理。这也减少了电极在成形后的精度误差，缩短了生产周期。

　　（4）石墨可以有很高的加工速度，一般石墨的加工速度较普通金属快3～5倍。而且选择硬度合适的刀具和石墨，可减少刀具的磨损和电极的损耗。

　　（5）石墨的电火花加工速度快而损耗小。因为铜的熔点是1 083℃，而EDM时的温度在1 100℃，铜电极在EDM后相对容易消耗和磨损。而石墨在3550℃才会出现升华，只要选择好合理的加工参数，石墨电极可以做到理论意义上的零损耗，从而避免了电极重复加工的次数。

　　（6）在电极的设计和编程方面，石墨电极的设计也不同。许多模具厂通常在铜电极的粗加工和精加工有不同的预留量，而石墨电极则可以使用相同的预留量，这减少了CAD/CAM的工作量和机器加工的次数。单是这个原因就足以缩短模具的设计和加工周期，而且也减少了加工中出错的概率。

　　（7）石墨具有脆性，不会容易变形，但通常难以用机械加工方法做成薄而细的形状。因此在薄而细的形状和精细复杂形状的模具上，电火花加工应用目前受到限制，随着加工技术随着机床的进步和新型石墨电极的开发，情况一直在改善。有些形状的电极用铜却不易制作，而用石墨能轻易达到，如薄片电极。在一些合资的模具厂，有逐渐放弃使用铜电极而改用石墨电极的趋势。

　　（8）石墨不像铜电极能回收利用。当然，使用石墨电极，特别是从事精密加工时，需要了解该如何使用石墨材料，以及要考虑其他许多因素。石墨分为不同等级，在特别应用程序使用适当等级石墨和机器参数，才可达到理想的效果。如使用石墨电极的机器操作人员使用与铜电极相同的设定，结果是令人失望的。当然对于模具制造来说，还是要根据生产实际情况和条件，合理地选择石墨电极，取得合理的综合经济效益。EDM石墨电极由于其较高的速度和良好的性能表现，在一些高科技工业国家，如欧洲和日本使用比较普遍。

　　2. 电火花加工用铜及铜合金电极应用特点

　　（1）纯铜电极

　　纯铜俗称紫铜、红铜，是最为常用的电极，纯铜以无杂质锻打的电解铜最好，质地细密、加工稳定性好，相对电极耗损较小，适应性一般模具钢的加工。尤其是加工有色金属材料时，常用它作为工具电极材料，加工表面粗糙度值可达到Ra≤0.1μm ，因此特别适于镜面加工。

　　对于贯通模和型腔模的电火花也非常适用。一般对于模具上的小孔，则采用细管电极来放电加工。对于精密花纹模的制造，由于铜蚀出来的纹比较均匀相对电极耗损较小，可用电铸法作出电极的复杂三维曲面形状后，通过电火花加工可达到理想效果。

　　（2）黄铜电极

　　最适宜于中小规准情况下加工，稳定性好，制造也较容易，但缺点是黄铜电极的耗损率较一般电极都大，不容易使被加工件一次成形，通常还是考虑加工成本问题，所以只用在简单的、精度要求不高的模具加工，或通孔加工、取断丝锥等。

　　（3）铸铁电极

　　这是目前国内广泛应用的一种材料，主要特点是制造容易，价格低廉、材料来源丰富，放电加工稳定性较好，机械加工性能好，与凸模粘接在一起成形磨削也较方便，特别适用于复合式脉冲电源加工，电极损耗一般达20%以下，对加工冷冲模具最适合。

　　（4）钢质电极

　　这也是我国应用比较广泛的电极，和铸铁电极相比，加工稳定性差，效率也较低，但它可以把电极和冲头合为一体，一次成形，精度易保证，可减少冲头与电极的制造工时。电极耗损与铸铁相似，大部分适用适合“钢打钢”冷冲模加工。

　　（5）钨铜电极

　　钨铜合金是一种耐高温烧蚀的复合材料。由金属钨和铜粉经溶渗制作而成，它具备了高熔点、高比热及耐磨耗，由于铜的添加，相应具备热和电的良导性。

　　钨铜电极的材质特性如下：①硬度高、消耗低，可缩短电极长度。②导电率高，加工速度快。③高硬度加上高导电率，使一般铜无法放电的钨碳钢材质变得可顺利加工。④抗拉强度高，适合复杂形状加工。⑤长时间放电，一样可以保持电极形状的完整性，提高模具的精度。⑥组织均匀，接触面损耗小。⑦高速运转时稳定性大。钨铜电极主要应用范围：①放电加工。②多孔放电加工。③复杂模具放电加工。④精密放电加工。⑤微细电火花打孔和铣削加工。比如对于铜线的螺线拉丝模具（钨钢材料所制造），如果采用纯铜加工，积碳较为严重，损耗大，加工效率低和精度差，达不到使用要求，往往采用钨铜电极来加工，其中的钨、铜含量比一般为25∶75。但由于钨铜电极的价格比普通的铜或石墨电极高，在生产中成本较高，往往应用在重要、精密的模具中。

　　3. 结语

　　采用不同电极材料得到的加工效果是不同的，当然和加工工艺参数条件都有着密切关系，人们根据各种电火花加工的需要，已研究和应用了多种电极材料，电极材料的发展又推动着电火花加工工艺的进步。一些新的电极材料还需作进一步的研究和改进才能得到实际应用。选用电极材料时，需要综合考虑加工工艺方法、工件材料与形状、加工要求、经济性等多方面因素，这样才有可能取得更多的经济效益。  

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