電火花加工用工具電極材料的研究進(jìn)展

　　1、引言

　　在電火花加工中，工具電極是一項(xiàng)非常重要的因素，電極材料的性能將影響電極的電火花加工性能（材料去除率、工具損耗率、工件表面質(zhì)量等），因此，正確選擇電極材料對(duì)于電火花加工至關(guān)重要。

　　電火花加工用工具電極材料應(yīng)滿(mǎn)足高熔點(diǎn)、低熱脹系數(shù)、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能等基本要求，從而在使用過(guò)程中具有較低的損耗率和抵抗變形的能力。電極具有微細(xì)結(jié)晶的組織結(jié)構(gòu)對(duì)于降低電極損耗也比較有利，一般認(rèn)為減小晶粒尺寸可降低電極損耗率。此外，工具電極材料應(yīng)使電火花加工過(guò)程穩(wěn)定、生產(chǎn)率高、工件表面質(zhì)量好，且電極材料本身應(yīng)易于加工、來(lái)源豐富及價(jià)格低廉。

　　由于電火花加工的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，對(duì)與之相適應(yīng)的電極材料（包括相應(yīng)的電極制備方法）也不斷提出新的要求。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)電火花加工工具電極材料不斷進(jìn)行著探索和創(chuàng)新，目前在研究和生產(chǎn)中已經(jīng)使用的工具電極材料有石墨、Cu或W等單金屬、Cu或W基合金、鋼、鑄鐵、Cu基復(fù)合材料、聚合物復(fù)合材料和金剛石等幾大類(lèi)。

　　2、普通電火花加工用工具電極材料

　�。�1）石墨

　　石墨具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和可加工性，是電火花加工中廣泛使用的工具電極材料。

　　石墨有不同的種類(lèi)，可按石墨粒子的大小、材料的密度和機(jī)械與電性能進(jìn)行分級(jí)。其中，細(xì)級(jí)石墨的粒子和孔隙率較小，機(jī)械強(qiáng)度較高，價(jià)格也較貴，用于電火花加工時(shí)通常電極損耗率較低，但材料去除率相應(yīng)也要低一些。市場(chǎng)上供應(yīng)的石墨等級(jí)平均粒子大小在20μm以下，選用時(shí)主要取決于電極的工作條件（粗加工、半精加工或精加工）以及電極的幾何形狀。工件加工表面粗糙度與石墨粒子的大小有直接關(guān)系，通常粒子平均尺寸在1μm以下的石墨等級(jí)專(zhuān)門(mén)用于精加工。K.L.Aas用兩種不同等級(jí)的石墨電極加工難加工材料上的深窄槽，比較了它們的材料去除率和電極損耗率。研究結(jié)果表明，石墨種類(lèi)的選擇主要取決于具體的電火花加工對(duì)材料去除率和電極損耗率哪方面的要求更高。

　　與其它電極材料相比，石墨電極可采用大的放電電流進(jìn)行電火花加工，因而生產(chǎn)率較高；粗加工時(shí)電極的損耗率較小，但精加工時(shí)電極損耗率增大，加工表面粗糙度較差。石墨電極重量輕，價(jià)格低。由于石墨具有高脆性，通常難以用機(jī)械加工方法做成薄而細(xì)的形狀，因此在精細(xì)復(fù)雜形狀電火花加工中的應(yīng)用受到限制，而采用高速銑削可以較好解決這一問(wèn)題。

　　為了改善石墨電極的電火花加工性能，O.Akira等將石墨粉燒結(jié)電極浸入熔化的金屬（Cu或Al）中，并對(duì)液態(tài)金屬施加高壓，使金屬Cu或Al填充到石墨電極的孔隙中，以改善其強(qiáng)度和導(dǎo)熱性。注入金屬后，石墨電極的密度、熱導(dǎo)率和彎曲強(qiáng)度增大，電阻率大幅度降低，電極表面粗糙度得到改善。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，這種新材料電極與常規(guī)石墨電極相比，電極損耗率和材料去除率無(wú)明顯差別，但加工表面粗糙度更小，尤其是注入Cu的石墨電極可獲得小得多的加工表面粗糙度。

　�。�2）Cu、Cu基合金及Cu基復(fù)合材料

　　純Cu（電解銅，俗稱(chēng)紫銅）也是一種常用的電極材料，尤其是加工有色金屬材料時(shí)，常用電解銅作為工具電極材料。

　　Cu的熔點(diǎn)較低，電極損耗率較大，因此需要引入另一種高熔點(diǎn)材料來(lái)降低電極損耗率。Cu－W合金兼有Cu的高導(dǎo)熱性和W的高熔點(diǎn)、低熱脹系數(shù)和耐電火花侵蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使其成為一種高性能的工具電極材料。Cu－W電極主要用于加工模具鋼和WC工件，其中的Cu、W含量比一般為25:75。但由于Cu－W電極的價(jià)格比普通的Cu或石墨電極高，因此目前在生產(chǎn)中應(yīng)用并不多。

　　S.Singh等采用Cu、Cu－W合金、黃銅和Al電極加工一種淬硬工具鋼，結(jié)果表明，Cu和Al電極的加工速度和加工精度較高，Cu和Cu－W電極的損耗率最小，黃銅的電極損耗率最大。相比而言，Cu是一種較好的電極材料，它能獲得較高的加工精度和較好的加工表面粗糙度，且有高的材料去除率和低的電極損耗率。Al的性能僅次于Cu，在加工表面粗糙度要求不高時(shí)可以選用。雍耀維等[7]以Cu、W和Cu－W合金作為電極材料加工硬質(zhì)合金，結(jié)果表明，Cu－W合金電極可明顯提高加工速度，且在較低的加工電壓下電極損耗并不大，因此Cu－W合金是加工硬質(zhì)合金的理想電極材料。

　　TiC是一種高硬度耐火材料，熔點(diǎn)高，耐熱沖擊和磨損性能好。L.Li等研究了燒結(jié)Cu/TiC、Cu－W/TiC電極中TiC對(duì)工具電極電火花加工性能的影響，結(jié)果表明，含5％～45％TiC的Cu/TiC電極損耗率均低于常規(guī)的Cu電極。綜合考慮加工性能，25％的TiC是較理想的成分比例。Cu－W/TiC電極材料也顯示出良好的性能，其大多數(shù)電火花加工表面的粗糙度優(yōu)于Cu－W電極加工表面，因而可用于精加工。對(duì)于Cu－W/TiC電極材料，添加15％的TiC可獲得最佳效果。

　　ZrB2和TiSi具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和高熔點(diǎn)，H.M.Zaw等研究了用不同含量的Cu與ZrB2或TiSi采用粉末冶金法制作電火花加工工具電極，并與石墨、Cu和Cu－W等電極材料的電火花加工性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，TiSi/Cu電極損耗嚴(yán)重、加工速度低、加工表面粗糙，因而該材料不適合用作電火花加工電極。ZrB2/Cu可用作電極材料，但Cu基體與ZrB2之間的結(jié)合力較差，ZrB2的含量和電極制作工藝參數(shù)會(huì)影響這種電極的電火花加工性能。

　　TiB2顆粒具有熔點(diǎn)高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性良好、熱脹系數(shù)低等特性，TiB2/Cu復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性、耐高溫性和力學(xué)性能，符合電火花加工工具電極材料的基本要求。邱彥等采用粉末冶金TiB2/Cu復(fù)合材料電極進(jìn)行了電火花加工試驗(yàn)，分析了復(fù)合材料的電火花加工損耗機(jī)理，結(jié)果表明，TiB2/Cu電極的電火花加工特性與其它Cu基復(fù)合材料電極類(lèi)似，TiB2體積分?jǐn)?shù)為5％時(shí)電極材料的電火花加工效果較好。