石墨材料高速切削加工的研究现状

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国家自然科学基金资助项目(项目编号:50605008)收稿日期:2008年10月

石墨材料高速切削加工的研究现状3

周玉海1　秦　哲2　陈选民1　彭　斐1

　1广州铁路职业技术学院　2

广东工业大学

摘　要:介绍了各向同性石墨材料的制备工艺、性能特点及应用场合,综合评述了高速切削加工石墨材料的切削机理、刀具磨损、工艺参数和冷却方式的研究现状,对高速加工石墨的常用刀具进行了性能分析与比较。

关键词:石墨,　高速切削,　切削机理,　刀具磨损,　金刚石涂层刀具

Status of R esearch on H igh 2speed Cutting of G raphite Material

Zhou Y uhai Qin Zhe Chen Xuanmin et al

Abstract :The preparation technology ,per formance characteristics and application situation of is otropic graphite materials were introduced ,the research status of high 2speed cutting machining graphite materials ,including cutting mechanism ,tool wear ,process parameters and cooling ways ,was reviewed synthetically ,the cutting per formances of cutters usually used for high 2speed cutting of graphite materials were analyzed and com pared.

K eyw ords :graphite ,　high 2speed cutting ,　cutting mechanism ,　tool wear ,　diam ond 2coated tool

1　引言

各向同性石墨具有优良的润滑性、导电性、耐磨

性、耐火性、耐高低温性以及稳定的化学性质,被广泛应用于航空航天、核工业、精密模具等行业。在电火花加工领域,与传统的铜电极相比,石墨电极在精密复杂的薄壁、窄缝、沟槽、网格、微孔以及大尺寸电极加工方面表现出更好的适应性。石墨电极具有机械加工速度快、加工精度高、比重轻、耐高温、放电消耗小、热变形小、可粘结等诸多优点,可满足汽车、家电、通讯、电子等行业制品中对于复杂曲面、加强筋板、风冷翅片、细网结构等的加工要求,已逐步取代铜电极成为电火花加工电极的主流,在国外的模具制造行业中,铜电极与石墨电极的应用比例为:美国1∶9,欧洲和日本3∶7[1]。图1所示为几种精密复杂的石墨电极。可以看出,石墨电极非常适合用于加工大体积模具以及具有微细筋槽、微孔结构、复杂曲面的汽车轮胎模、窄槽薄壁(壁厚011mm )模具等。

但是,由于各向同性石墨材料具有极高的硬度和脆性,因此在对其进行机械加工时,容易出现刀具磨损严重、工件边角崩碎等现象。在加工圆角或拐角时,机床运动方向的频繁改变、刀具切入和切出时方向和角度的变化、微小的切削振动、刀具的磨损和破损等都会导致刀具对工件产生冲击,造成电极加工时出现工件崩角、崩碎甚至报废、刀具磨损严重等许多问题。

本文对各向同性石墨材料的特性、高速切削加工和刀具磨损机理、切削工艺参数和加工冷却方式等进行了综合评述,并分析了用超硬金刚石刀具加

工石墨材料存在的问题及解决方法。

图1　几种精密复杂石墨电极

2　石墨材料的制备工艺与性能指标

2.1　石墨材料的制备工艺

与传统的石墨挤压或模压制备方法不同,各向同性高性能石墨材料的制造工艺流程一般为:原料骨料→第一次粉碎、混合→混捏→第二次粉碎、混合

→冷等静压成形→一次焙烧→浸渍→二次焙烧→石墨化。各向同性石墨采用冷等静压(CIP )方法获得,

具有尺寸规格大、超微细颗粒结构、力学性能均匀等特性,可以满足精密加工大型电极的需求[2]。

2.2　石墨材料的性能指标评价石墨材料性能的指标主要包括颗粒尺寸、硬度、抗弯强度、密度、电阻率等。其中,石墨晶体平均粒径决定了石墨材料的硬度、强度等特性以及放电加工性能。市场供应的石墨电极材料粒径一般为

1～10μm 。粒径为1μm 的特微石墨电极具有高强度、良好的表面光洁度、极好的金属去除率和抗损耗特性,是加工高光洁度表面和精细工件的理想材料。目前,放电加工(E DM )用各向同性石墨材料基本上还需依靠进口,生产厂家主要有日本的东洋炭素(T oy o T ans o )、东海碳素(T okai Carbon )、美国的步高(POC O G raphite )、德国的西格里(SG L Carbon )和法国的罗兰(Carbone Lorraine )等公司。表1为步高公司生产的E DM 石墨的性能指标

。

3　石墨材料高速切削加工研究现状石墨为典型的非均质硬脆难加工材料,其机械强度差,加工时易崩碎,刀具磨损严重。常规的车削、铣削、磨削工艺只能加工简单的石墨零件,无法满足各种复杂形状电极的加工要求。高速切削加工具有切削速度快、加工精度高、切削温度低、刀具受力小、工件表面质量高、可加工复杂零件等特点,是

石墨电极较理想的加工方法。配备了吸尘装置的石墨高速加工中心的主轴转速通常在10000～60000r/min 之间,切削速度可达60m/min ,加工壁厚可小至012mm ,加工圆角可小至012mm ,加工精度和表面质

量高,是实现石墨高效高精加工的主要手段。

3.1　石墨材料的切削机理

石墨为多层状晶体脆性材料。由于脆性破碎所需要的能量小于弹性变形,因此在切削力作用下,石墨会发生脆性破碎而不产生弹性变形,即石墨切削加工的材料去除机理为层状破碎而非弹性变形。在石墨的切削过程中,未见很高的切削温度和很大的切削力[3]。

利用高速摄影观察对比烧结碳和石墨的车削过程时可以发现,切屑形成过程是在刀具切削刃与工件接触时,产生一条扩展裂纹,工件的一部分因刀具推进而破碎,形成切屑。如图2所示[4],切削烧结碳时,裂纹主要向下扩展,切屑散落于刀具表面或堆积在前刀面;切削石墨时,裂纹沿切削方向扩展,大多数切屑沿前刀面滑动。石墨的车削机理与刀具前角γ密切相关,采用正前角切削时,压应力较小,可减少已加工表面破碎,有利于提高工件表面质量。采用负前角切削时,压应力增大,可促进石墨材料的破碎,更易形成大块的断裂块屑

。

图2　烧结碳和石墨的车削过程

由高速铣削石墨的过程模型(见图3[5])可知,

石墨切屑的形成与切削陶瓷等脆性材料有很多相似之处,刀尖处会出现挤压破碎,形成细小切屑和凹坑,切削产生的裂纹会向刀尖前下方延伸,再扩展到

自由表面,形成断裂凹坑。高速铣削石墨时,切屑表面形貌为不规则断裂凹坑、微小凹坑和残留的碎断鳞片。在用T iAlN 涂层刀具高速铣削T oy oT ans o

IS O 263石墨时(切削条件:v =95m/min ,f z =0.06mm/z ,A d =015mm ,R d =1mm )[6],切屑微观形态分别为

块状、条状、近似球形和鳞片状等(见图4),尺寸约

为60～250μm ,平均粒径约为120～150μm 。随着切削厚度的增加,石墨切屑由准连续切屑向以挤压颗