高性能石墨高速銑削加工研究

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(guó)汽車(chē)、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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。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(wèn)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)石墨正交切削和高速銑削研究，分析了石墨切屑形成過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)影響單齒最大切削
厚度來(lái)改變石墨高速銑削的切屑形成過(guò)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(duì)石墨高速銑削的切屑形成過(guò)程
的影響較??；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(duì)石墨切
屑形成過(guò)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(píng)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(duì)石墨高速銑削切屑形成過(guò)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(duì)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(shì)，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(guò)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(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)盤(pán)銷(xiāo)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(pán)銷(xiāo)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(guò)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(xiāo)表面在摩擦
過(guò)程中形成了石墨轉(zhuǎn)移膜：硬質(zhì)合金銷(xiāo)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(guò)程中WC晶粒
度、Co含量、法向載荷、滑動(dòng)速度和涂層對(duì)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(duì)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(guò)在摩擦副接觸表面上添加石墨切屑，研究了石墨切屑對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)石墨高速銑削切屑形成過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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