电火花加工用工具电极材料的研究进展

1、引言

　　在电火花加工中，工具电极是一项非常重要的因素，电极材料的性能将影响电极的电火花加工性能（材料去除率、工具损耗率、工件表面质量等），因此，正确选择电极材料对于电火花加工至关重要。

　　电火花加工用工具电极材料应满足高熔点、低热胀系数、良好的导电导热性能和力学性能等基本要求，从而在使用过程中具有较低的损耗率和抵抗变形的能力。电极具有微细结晶的组织结构对于降低电极损耗也比较有利，一般认为减小晶粒尺寸可降低电极损耗率。此外，工具电极材料应使电火花加工过程稳定、生产率高、工件表面质量好，且电极材料本身应易于加工、来源丰富及价格低廉。

　　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，目前在研究和生产中已经使用的工具电极材料有石墨、Cu或W等单金属、Cu或W基合金、钢、铸铁、Cu基复合材料、聚合物复合材料和金刚石等几大类。

　2、普通电火花加工用工具电极材料

　　（1）石墨

　　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。

　　石墨有不同的种类，可按石墨粒子的大小、材料的密度和机械与电性能进行分级。其中，细级石墨的粒子和孔隙率较小，机械强度较高，价格也较贵，用于电火花加工时通常电极损耗率较低，但材料去除率相应也要低一些。市场上供应的石墨等级平均粒子大小在20μm以下，选用时主要取决于电极的工作条件（粗加工、半精加工或精加工）以及电极的几何形状。工件加工表面粗糙度与石墨粒子的大小有直接关系，通常粒子平均尺寸在1μm以下的石墨等级专门用于精加工。K.L.Aas用两种不同等级的石墨电极加工难加工材料上的深窄槽，比较了它们的材料去除率和电极损耗率。研究结果表明，石墨种类的选择主要取决于具体的电火花加工对材料去除率和电极损耗率哪方面的要求更高。

　　与其它电极材料相比，石墨电极可采用大的放电电流进行电火花加工，因而生产率较高；粗加工时电极的损耗率较小，但精加工时电极损耗率增大，加工表面粗糙度较差。石墨电极重量轻，价格低。由于石墨具有高脆性，通常难以用机械加工方法做成薄而细的形状，因此在精细复杂形状电火花加工中的应用受到限制，而采用高速铣削可以较好解决这一问题。

　　为了改善石墨电极的电火花加工性能，O.Akira等将石墨粉烧结电极浸入熔化的金属（Cu或Al）中，并对液态金属施加高压，使金属Cu或Al填充到石墨电极的孔隙中，以改善其强度和导热性。注入金属后，石墨电极的密度、热导率和弯曲强度增大，电阻率大幅度降低，电极表面粗糙度得到改善。实验研究结果表明，这种新材料电极与常规石墨电极相比，电极损耗率和材料去除率无明显差别，但加工表面粗糙度更小，尤其是注入Cu的石墨电极可获得小得多的加工表面粗糙度。

　　（2）Cu、Cu基合金及Cu基复合材料

　　纯Cu（电解铜，俗称紫铜）也是一种常用的电极材料，尤其是加工有色金属材料时，常用电解铜作为工具电极材料。

　　Cu的熔点较低，电极损耗率较大，因此需要引入另一种高熔点材料来降低电极损耗率。Cu－W合金兼有Cu的高导热性和W的高熔点、低热胀系数和耐电火花侵蚀能力强的特点，使其成为一种高性能的工具电极材料。Cu－W电极主要用于加工模具钢和WC工件，其中的Cu、W含量比一般为25:75。但由于Cu－W电极的价格比普通的Cu或石墨电极高，因此目前在生产中应用并不多。

　　S.Singh等采用Cu、Cu－W合金、黄铜和Al电极加工一种淬硬工具钢，结果表明，Cu和Al电极的加工速度和加工精度较高，Cu和Cu－W电极的损耗率最小，黄铜的电极损耗率最大。相比而言，Cu是一种较好的电极材料，它能获得较高的加工精度和较好的加工表面粗糙度，且有高的材料去除率和低的电极损耗率。Al的性能仅次于Cu，在加工表面粗糙度要求不高时可以选用。雍耀维等[7]以Cu、W和Cu－W合金作为电极材料加工硬质合金，结果表明，Cu－W合金电极可明显提高加工速度，且在较低的加工电压下电极损耗并不大，因此Cu－W合金是加工硬质合金的理想电极材料。

　　TiC是一种高硬度耐火材料，熔点高，耐热冲击和磨损性能好。L.Li等研究了烧结Cu/TiC、Cu－W/TiC电极中TiC对工具电极电火花加工性能的影响，结果表明，含5％～45％TiC的Cu/TiC电极损耗率均低于常规的Cu电极。综合考虑加工性能，25％的TiC是较理想的成分比例。Cu－W/TiC电极材料也显示出良好的性能，其大多数电火花加工表面的粗糙度优于Cu－W电极加工表面，因而可用于精加工。对于Cu－W/TiC电极材料，添加15％的TiC可获得最佳效果。

　　ZrB2和TiSi具有良好的导电导热性和高熔点，H.M.Zaw等研究了用不同含量的Cu与ZrB2或TiSi采用粉末冶金法制作电火花加工工具电极，并与石墨、Cu和Cu－W等电极材料的电火花加工性能进行了比较。结果表明，TiSi/Cu电极损耗严重、加工速度低、加工表面粗糙，因而该材料不适合用作电火花加工电极。ZrB2/Cu可用作电极材料，但Cu基体与ZrB2之间的结合力较差，ZrB2的含量和电极制作工艺参数会影响这种电极的电火花加工性能。

　　TiB2颗粒具有熔点高、导电导热性良好、热胀系数低等特性，TiB2/Cu复合材料具有良好的导电性、耐高温性和力学性能，符合电火花加工工具电极材料的基本要求。邱彦等采用粉末冶金TiB2/Cu复合材料电极进行了电火花加工试验，分析了复合材料的电火花加工损耗机理，结果表明，TiB2/Cu电极的电火花加工特性与其它Cu基复合材料电极类似，TiB2体积分数为5％时电极材料的电火花加工效果较好。