高性能石墨材料對石墨刀具的影響
高性能石墨作為電極材料,具有強(qiáng)度高、電極消耗小、加工速度快、熱變形
小和加工溫度高等優(yōu)點(diǎn),在我國汽車、家電、通信和電子等行業(yè)制品的模具電火
花加工制造中應(yīng)用日益廣泛,尤其在薄壁或微細(xì)電極制造和應(yīng)用方面具有銅電極
無法比擬的優(yōu)勢。硬質(zhì)合金微銑刀高速銑削技術(shù)是實(shí)現(xiàn)薄壁或微細(xì)石墨電極高效
高精度加工的主要手段,但是由于缺乏石墨高速銑削機(jī)理、刀具磨損機(jī)理以及高
速銑削工藝優(yōu)化等方面的深入研究,實(shí)際生產(chǎn)中尚存在很多問題,不能充分發(fā)揮
高速銑削的優(yōu)越性。本文根據(jù)模具制造業(yè)對石墨高速銑削技術(shù)的迫切需要,著重
從高速銑削切屑形成機(jī)理、刀具磨損機(jī)理、表面質(zhì)量、切削力以及典型薄壁結(jié)構(gòu)
石墨電極工藝參數(shù)優(yōu)化和編程策略優(yōu)選等方面對石墨高速銑削加工進(jìn)行了系統(tǒng)深
入的理論和實(shí)驗(yàn)研究,并通過典型薄壁結(jié)構(gòu)石墨電極高速銑削加工實(shí)例驗(yàn)證了研
究成果的合理性和實(shí)用性.
在石墨高速銑削切屑形成機(jī)理研究方面,采用在線攝影法和材料微觀分析技
術(shù),分別通過石墨正交切削和高速銑削研究,分析了石墨切屑形成過程的基本特
征;結(jié)合高速銑削微銑刀的單齒最大切削厚度與進(jìn)給量和徑向切深的幾何關(guān)系,
首次建立了高速銑削加工條件與石墨切屑形態(tài)、切屑粒度分布、已加工表面形貌、
表面破碎率和表面粗糙度的關(guān)系;分析了切屑形成過程與切削力特征和刀具磨損
的關(guān)系,提出了石墨高速銑削機(jī)理模型。研究結(jié)果表明:在石墨高速銑削過程中,
隨著單齒最大切削厚度的增加,石墨切屑由以準(zhǔn)連續(xù)切屑為主逐漸向以擠壓顆粒
切屑為主和以斷裂塊屑為主轉(zhuǎn)變;每齒進(jìn)給量和徑向切深通過影響單齒最大切削
厚度來改變石墨高速銑削的切屑形成過程,降低每齒進(jìn)給量和徑向切深以及采用
逆銑加工可減小石墨表面破碎率;增大切削速度對石墨高速銑削的切屑形成過程
的影響較小;采用正前角切削更容易形成大塊斷裂塊屑,后角和螺旋角對石墨切
屑形成過程的影響較?。呵邢髁Σㄐ坞S石墨切屑形成方式的變化而變化。采用圖
像處理法計(jì)算表面破碎率,不僅作為石墨已加工表面質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo),而且作為
系統(tǒng)研究石墨高速銑削機(jī)理、切削力和刀具磨損的重要研究手段,將其有機(jī)地應(yīng)
用于本文的相關(guān)研究中。
在石墨高速銑削切削力研究方面,結(jié)合切削條件變化對石墨高速銑削切屑形成過程、
表面破碎率以及后刀面與工件表面的摩擦因數(shù)等因素的影響,研究了切
削參數(shù)、刀具幾何角度和石墨材料性能對石墨高速銑削切削力的影響,分析了切
削力的時(shí)域波形特征和頻域分量隨刀具磨損的變化趨勢,提出了減小切削力的高
速銑削工藝參數(shù)的基本選擇原則。通過基于田口方法的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),找出了影
響石墨高速銑削切削力的主要因素.獲得了以最小切削力為優(yōu)化目標(biāo)的工藝參數(shù)
最優(yōu)水平組合。
在石墨/硬質(zhì)合金副的摩擦磨損特性方面,通過采用標(biāo)準(zhǔn)盤銷式摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)
行滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn),以及采用改進(jìn)型盤銷式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行磨粒磨損實(shí)
驗(yàn),模擬石墨高速銑削時(shí)切屑和工件材料與硬質(zhì)合金刀具表面之間的摩擦磨損特
性,首次研究了石墨/硬質(zhì)合金副的滑動(dòng)摩擦磨損行為和磨粒磨損行為,為研究石
墨高速銑削的刀具磨損機(jī)理提供了摩擦學(xué)理論基礎(chǔ)。(1)在石墨,硬質(zhì)合金副的滑
動(dòng)摩擦磨損特性方面,研究了滑動(dòng)摩擦磨損過程中法向載荷和滑動(dòng)速度與摩擦副
表面特征、摩擦因數(shù)和摩擦溫度的關(guān)系,研究結(jié)果表明:硬質(zhì)合金銷表面在摩擦
過程中形成了石墨轉(zhuǎn)移膜:硬質(zhì)合金銷的磨損表面具有“拋光”磨粒磨損特征:
提高法向載荷和滑動(dòng)速度,可促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜的形成,并降低摩擦因數(shù)和摩擦溫度。
(2)在石墨/硬質(zhì)合金副的磨粒磨損特性方面,研究了磨粒磨損過程中WC晶粒
度、Co含量、法向載荷、滑動(dòng)速度和涂層對摩擦副的表面顯微形貌、比磨損率和
摩擦因數(shù)的影響,研究結(jié)果表明:硬質(zhì)合金的磨損表面具有“拋光”磨粒磨損和
“微切削”磨粒磨損特征;硬質(zhì)合金的比磨損率和摩擦因數(shù)隨WC晶粒度和Co
含量的減小而顯著降低,隨法向載荷增大而增大,但受滑動(dòng)速度的影響較??;
AITiN涂層對石墨高速銑削用硬質(zhì)合金微銑刀具有抗磨減摩作用,但并不十分顯
著。(3)通過在摩擦副接觸表面上添加石墨切屑,研究了石墨切屑對摩擦副滑動(dòng)
摩擦磨損特性的影響,研究結(jié)果表明:石墨切屑可減小摩擦因數(shù)和摩擦溫度,并
使摩擦因數(shù)隨著法向載荷減小和滑動(dòng)速度提高而降低。
在硬質(zhì)合金微銑刀高速銑削石墨的刀具磨損和破損研究方面,分析了石墨高
速銑削過程中的摩擦學(xué)條件,揭示了涂層和非涂層硬質(zhì)合金微銑刀高速銑削石墨
的刀具磨損和破損形態(tài)及其機(jī)理,研究結(jié)果表明涂層早期剝落是涂層的早期破損
形式,“拋光”磨粒磨損是涂層硬質(zhì)合金微銑刀在穩(wěn)定磨損期的主要磨損機(jī)理。首
次研究了WC晶粒度和Co含量對硬質(zhì)合金微銑刀高速銑削石墨的耐磨粒磨損性
和抗沖擊性的影響,結(jié)果表明硬質(zhì)合金微銑刀的耐磨粒磨損性隨著wC晶粒度和
co含量減小而顯著提高,但Co含量太少時(shí),又使得硬質(zhì)合金微銑刀的抗沖擊性
出現(xiàn)顯著下降;7超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金O.2ttmWC--8%Co是最適合于石墨高速銑削的
硬質(zhì)合金基體材料,為涂層硬質(zhì)合金微銑刀基體材料優(yōu)選提供了依據(jù)。結(jié)合切削
條件變化對石墨高速銑削切屑形成過程、表面破碎率以及后刀面與工件表面的摩
擦因數(shù)等因素的影響,研究了切削參數(shù)、刀具幾何角度和石墨材料性能對刀具磨
損的影響,提出減小刀具磨損的工藝參數(shù)優(yōu)化策略;提出了減小刀具磨損的高速
銑削工藝參數(shù)的基本策略。通過基于田口方法的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),找出了影響石墨
高速銑削刀具磨損的主要因素,獲得了以實(shí)現(xiàn)最小刀具磨損為優(yōu)化目標(biāo)的工藝參
數(shù)最優(yōu)水平組合。 在典型薄壁結(jié)構(gòu)石墨電極的高速銑削工藝研究方面,綜合運(yùn)用全文的研究結(jié)
果,針對典型薄壁結(jié)構(gòu)石墨電極高速銑削的工藝特點(diǎn),首次制定和優(yōu)選了適用于
典型薄壁結(jié)構(gòu)石墨電極高速銑削的粗加工、半精加工和精加工編程策略、加工工 藝、工藝參數(shù)
和加工刀具,并對一個(gè)典型薄壁結(jié)構(gòu)石墨電極的高速銑削加工實(shí)例,
制定了高速銑削加工工藝,編制了CNC高速加工程序,成功地實(shí)現(xiàn)了厚度0.3ram、
厚高比為l:53_3的薄壁石墨電極的低成本高質(zhì)量高效率的高速銑削加工,表面粗
糙度Ra僅為0,17ttm。
關(guān)鍵詞:高性能石墨,高速銑削,硬質(zhì)合金微銑刀,切屑形成機(jī)理,表面破碎率,
切削力,磨粒磨損、刀具磨損和破損,工藝參數(shù)優(yōu)化,薄壁