天阳模具有限公司 广东揭阳 522000
模具在汽车，机电，航天航空等工业领域日益成为工业化批量生产的主要工艺设备，承担了这些工业中60%-90%的产品零部件的加工生产，而且比重会越来越大。虽然近年来高速铣削突破了传统铣削难以加工高硬，高强，高韧材料的限制，但电火花加工（EDM）工艺的特点，特别是在复杂，尖角，精密，薄壁，窄缝，高硬材料的模具型腔加工中的优势是高速铣削所不能比拟的。
现如今信息的发达和交通工具的提速，全球化公开公平的竞争越来越激烈，给各个行业是一个机会，也是一个挑战——优胜劣汰。中国制造的这个词越来越响，作为我们轮胎模具来说，竞争也在日益的增强，无可避免。摆在面前的是：交货期，价格，质量的竞争。所以如何缩短制作周期，降低成本，提高质量是必须重点解决的问题，也是竞争的关键所在。
电火花加工是轮胎模具花纹加工过程中的重要工序，电极材料是电火花加工中的关键因素。电极用于传输电脉冲，蚀除工件多余材料，而电极本身尽量不损耗。电极材料能直接决定电加工的质量，如加工速度，表面粗糙度，加工精度等。为了实现这些目的，电极应该具有加工速度快，损耗低，精密加工且加工成本低等优点。众所周知，针对不同的加工类型和不同的工件材料，各种电极的性能也不同，因此电极的优选显得尤为重要。
可用作电火花加工电极的材料很多，其中最常用的有黄铜，紫铜，铜钨合金和石墨。铜的导电传热性能好，钨的熔点高，损耗小，他们的合金则结合了二者的优点，但成本高。由于铜电极自身种种条件的限制，已越来越不能满足模具行业的发展要求，而石墨是一种非常特殊的材料，它兼有金属和非金属特性，具有较高的高温强度、较好的可加工性和良好的热、电导率、热膨胀极小、高切削性、重量轻、损耗小、修整容易等特性，高质量的石墨具有颗粒小、均匀、强度高等优点，随着石墨技术的不断提高和EDM机床的改善以及合金刀具的越来越便宜，选择石墨材料是必然的趋势。
国外电火花加工所用的电极主要是石墨，铜电极和石墨电极的应用比，在日本为3：7，美国为1：9，欧洲为3：7，而我国对石墨电极认识不够，使用的是铜电极较多，比例为7：3，近几年石墨高速加工中心的应用解决了机加工石墨电极的复杂形状问题，使石墨电极的应用更为广泛。欧美和日本等国基本不用铜电极了，而国内现在也大体上用石墨了，特别在轮胎模具的花纹加工方面得到普遍推广。
第一，石墨的选取：
1、速度方面：
A、机加工速度：石墨的机加工速度比铜快，切削阻力为铜的1/4，加工效率是铜的2-3倍，同时石墨的硬度高，完全可以避免切削过程的电极变形。
B、毛刺的处理：铜由于它的高韧性导致加工电极后存在很多毛刺，需要消耗大量的手工修毛刺，而石墨不存在毛刺，可以省去电极处理毛刺的工序。
C、放电速度：石墨的放电速度快，由于能承受更高的温度而不变形，石墨升华温度3650摄氏度，而铜的熔点才1083摄氏度，放电粗加工为铜的1.5-3倍
2、质量方面：
A、放电加工的过程，石墨的热膨胀系数小，模具的加工精度高，相反铜的热膨胀系数大，模具的加工精度相对低。
B、电极可以粘接，满足大件和复杂模具的需要。
C、石墨表面容易用砂纸处理加工纹，极大避免电极形状和尺寸受外力造成的形状失真。
D、比重小，只有铜电极的～1.8g/cm3石墨/8.9g/cm3铜=1/5，所以可以用于大型电极。
E、石墨电极的损耗小于铜电极，相同的加工装备和加工条件情况下为铜的1/3-1/5。
3、价格方面：红铜价格成本大约是石墨价格成本的2.5倍。
从上面这3个层面来看，不论是速度，质量还是价格我们都能看得出，石墨比铜更适合作为我们制造轮胎模具的电极材料进行生产。
由于石墨有上述特大的优势，那选择石墨做为电极材料是对的，接下来要解决的是如何处理机加工石墨电极。石墨材料应用的普遍推广，导致围绕石墨加工的刀具、石墨雕刻机和对应的EDM机床以及相关的实验配套很快兴盛起来。但良莠不齐，这里不做赘述。我这里要谈的是自我试验和选取更合适的工具。
第二，雕刻石墨刀具的选取：
石墨电极质硬而脆，在C N C加工时对刀具的磨损较为严重，一般建议使用硬质合金或金刚石涂层的刀具。但由于性价比的考虑，选择适合的刀具更重要。一般选用刀具后，都要试出相关刀具的转速进给，尽量发挥刀具的性能同时延长刀的使用寿命，找到速度跟寿命的契合点，努力发挥刀具最佳点。石墨在粗加工时刀具可直接在工件上下刀，精加工时为避免崩角、碎裂的发生，常采用轻刀快走的方式加工。一般而言，石墨在切深小于0.2mm的情况下很少发生崩碎，还会获得较好的侧壁表面质量，但在使用4刃刀具时，留量可以适当加大到0.30mm或以上，以免刀具在加工过程中出现不同刃切削力不同而震动致使加工面留下波纹现象。
测试目标：测试刀具的性价比，就是价格与刀具的加工时间，加工参数，由于都是新刀，所以采用精加工雕刻石墨进行对比。
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试验结果说明：表中主要看性价比，数值越大，性价比越高。
第三，电极的制作对雕刻机床的要求
专业的石墨电极制作要求采用高速CNC机床来加工，转速n在20000转以上，机床稳定性要好，三轴运动要均匀稳定不振动，而且像主轴这些回转精度也要尽可能的好。现在这种雕刻机很普遍了，一般的机床也都可以完成电极的加工，主要是刀路的选择和处理是关键，同时编写刀路的工艺与铜电极有所不同。不同的花纹形状采用对应的刀具路径，考虑均匀性是重点，机加工的参数如转速，进给，刀具夹长等的配合，尽量使刀具和机床的受力均匀，不要产生瞬间力的加减，防止高速旋转的主轴和刀具出现震动和偏刀的产生，影响加工面的质量。另外石墨电极CNC加工时产生的灰尘比较大，可能入侵到机床的导轨丝杆和主轴等。所以要求石墨加工机床的密封性要好，并有相应的处理石墨灰尘的装置（专业吸尘机），不然容易磨损相关零部件。
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图1
第四，电火花机的要求和其参数的甄选
电火花加工所选取的工艺参数直接决定加工效果，而工艺参数和工艺效果之间的关系异常复杂，解决工艺参数选择难的关键是建立一个合理有效的电火花加工系统，一般比较好点的EDM机里面都有集成工艺参数的自动优化选取功能，这是厂家经过长期的实验结果的集成，但如何甄选适合的参数就是关键中的关键。EDM机选择上注意主轴性能，脉冲电源和其控制，智能控制系统，加工波及其过滤波处理和冲洗方式等，由于电火花机有一个自适应的问题，所以积碳，拉弧以及残渣或者电火花液的过滤对加工速度的影响也非常大，加工波段的过滤优化也非常重要。而试验电极和相关适合的参数就是我们要具体做的事情。
做为专业的轮胎模具公司，通过自身不断的实验，采用合适的材料和合适的机床，合理的电加工参数以及合理的雕刻电极的参数和刀具选择是势在必行。下面是不同国外电极材料在进口EDM机采用相同又合适的优化参数下的对比选择
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应用放电加工参数和加工工艺路线：
分为粗加工、半精加工、精加工、精修、修角五种电加工工艺路线，实现加工目的。
EDM放电加工技术值得进一步试验的地方，瑞士最近有发现了石墨最新的技术，就是损耗很小的所谓“零损耗”，这是由于碳离子的自动补偿功能所致，但对速度有限制。
第五，石墨电极制作过程的实例
1、造型：如图2所示的是某轮胎模具石墨电极的造型，其毛坯尺寸为258mm×72mm×100mm，这种类型电极的外形尺寸较大，形状难度一般，角度较陡，在石墨电极中为较普遍的模型。整个模型制作，按平面图纸的尺寸和要求进行造型。讲究的是在满足客户尺寸，公差等要求的情况下，将造型做得顺滑，美观，流畅，舒服这是很关键的，因为这是轮胎的卖相。
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图2
2、定义加工：如图3---图7所示，采用适合的刀具路径进行加工，赋予刀具加工参数，如果脆性太大而蹦角的电极形状，可以在加工之前先在煤油中浸泡数小时，降低其脆性，这是有代价的，虽然石墨的脆性降低了，但石墨电极在EDM时的损耗会加大。CAM的加工策略为：先走四周，粗加工弧面，开粗沟，精加工沟和清角，保证精加工成形具体工艺要求的尺寸，并用后处理将刀具路径转换成机器能识别的CNC程序，作为加工准备。
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图3
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图4
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图5
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图6
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图7
3、模拟仿真：如图8---图11所示的是用专业软件将上部分的CNC程序进行模拟加工，检验程序的运行情况，检查的项目有，会不会撞机，刀路会不会过切，调刀时会不会在工件内进行，空刀会不会太多而浪费时间，加工的理论尺寸是否符合设计的工艺要求，加工的时间是多少，程序用不用进行进一步的优化处理等等，如下图所示
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图8
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图9
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图10
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图11
4、工艺辅助：接下来是做一些加工过程的一些生产工艺要求的样板塞规等工具，对加工的整个过程进行监控，保证加工过程的质量得到控制。
5、编辑加工作业指导书和工艺表，（工艺图略）如下图表
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6、石墨电极的机加工
按照上面所提供的CNC程序和作用指导书，进行下料，雕刻加工，最后放样板和检查数据，结果如图12
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图12
7、石墨电极的EDM及其检查
按照作用指导书和工艺表进行校正模具基准，粗精电火花，按公差表检查表面粗糙度和加工尺寸的精度，加工后的面和角部损耗如图13-图14
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图13
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图14
第六、结束语
针对未来轮胎模具行业的发展趋势，谁能在最短的时间里完成模具的制作，谁就赢得了客户，赢得了市场。降低加工整个过程中的每个细节的成本，会使竞争力增强。保证质量，美观的模具会赢得客户的依赖。这三个层次都很重要。在细节决定成败的这个时代，其实说明的是重视整件事情的过程，而非重视结果的一种诠释。如果说缩短制作周期，降低成本，提高质量是竞争的内部细节的核心力量，那么把视野放宽，走出我们整个轮胎模具行业再来看我们这个行业的发展过去、现在和未来未尝不是一种境界的提升。我们的价格压的很低，结果是给整个行业的一种伤害，同时也是一种洗牌，我们忽视了定价权的作用，也很少思考这个问题，更不用说去实际操作了。由于石墨电极（与铜相比）有电极消耗少、放电加工速度快、机械加工性能好、重量轻、热膨胀系数小等优越性，已经被大家逐步认识并接受。数据显示石墨与铜的比例正在不断的增加，日本，美国，欧洲在模具行业几乎全部用石墨了，而我们中国在轮胎模具这个行业也基本上全部用石墨电极。这个趋势还会继续扩大到其他行业。在另一种新的材料或者工艺出来之前，石墨将不可替代，而且有发展趋势。