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石墨加工用PCD刀具的选择(包含加工工艺与切削参数)

关键词 石墨 , PCD刀具|2022-02-28 09:57:28|技术信息|来源 金属切削
摘要 石墨是一种常见的非金属材料,呈黑色,具有耐高低温性、良好的导电导热性、良好的润滑性和稳定的化学特性,导电性好,可用做电火花加工中的电极。与传统的铜电极相比,石墨具有耐高温、放电消耗...

       石墨是一种常见的非金属材料,呈黑色,具有耐高低温性、良好的导电导热性、良好的润滑性和稳定的化学特性,导电性好,可用做电火花加工中的电极。与传统的铜电极相比,石墨具有耐高温、放电消耗小、热变形小等诸多优点,在精密复杂件以及大尺寸电极加工方面表现出更好的适应性,已逐步取代铜电极成为电火花加工电极的主流。另外,石墨耐磨材料能在高速、高温、高压的条件下使用,不需要润滑油,很多设备广泛采用石墨材料制成的活寒杯,密封圈和轴承等。

       目前石墨材料在机械、冶金、化工、国防等领域都得到广泛的应用,石墨零件种类较多、零件结构较复杂、尺寸精度及表面质是要求较高,国内针对石墨机械加工的研究尚不够深入,进行机械加工时,容易出现刀具磨损严重,工件产生裂纹或折断、边角崩碎等现象。国产石墨加工机床也相对较少。国外石墨加工主要采用石墨加工中心进行高速加工,目前已成为石墨机械加工的主要发展方向。


       石墨切削加工性能分析

       石墨属于非均质结构的脆性材料,石墨切削加工是通过石墨材料的脆性断裂生成不连续的切屑颗粒或粉末来实现的。针对石墨材料的切削机理,国内外学者做了大量研究,国外学者认为石墨切屑形成过程大致是在刀具切削刃与工件接触时,刀尖处有挤压破碎,形成细小切屑和细小凹坑,并产生了一条裂纹,裂纹会向刀尖前下方延伸扩展,形成断烈凹坑,工件的一部分因刀具推进发生破碎,形成切屑。国内学者认为石墨颗粒极其微细,刀具切削刃的刀尖圆弧较大,因而切削刃的作用类似于挤压,刀具——工件接触区的石墨材料受刀具前刀面及刀尖部分的挤压作用,产生脆性断裂,从而形成崩碎切屑。

       石墨切削加工过程中,由于工件圆角或拐角处切削方向的改变、机床加速度的变化、刀具切入和切出的方向和角度变化、切削振动等原因,对石墨工件造成一定冲击,导致石墨件边角脆性崩碎、刀具磨损严重等问题。尤其在加工棱角以及薄窄筋类石墨件时,更容易发生工件的崩角和碎裂,这也成为石墨机械加工的一个难点。


       石墨切削加工工艺

       石墨材料的传统机械加工方法有车削、铁削、磨削、锯削等,但都只能实现形状简单,精度不高的石墨件加工。随着石墨高速加工中心、刀具以及相关配套技术的快速发展和应用,这些传统加工方法已经逐渐被高速加工技术所取代。实践表明:由干石墨的硬脆特性,在加工时刀具磨损较为严重,因此,建议使用金刚石涂层的刀具(PCD刀具)。


  • 切削加工工艺措施


       由于石墨具有特殊性,为实现石墨零件的高质量加工,必须采取相应的工艺措施来保证。石墨材料粗加工时,刀具可直接在工件上进刀,采用相对较大的切削参数;精加工时为避免崩碎的发生,经常采取使用耐磨性好的刀具,且减小刀具的切入量,并保证切削刀具的螺距切入量小于刀具直径1/2,加工两端部时进行减速加工等工艺措施。切削加工时还需要合理安排走刀路线,在加工内外形轮廊时,应尽可能采用环绕等高切削,可使得被切削部分受力部位始终比较厚、强度比较高,防止工件断裂。在加工平面或槽时,尽可能选择斜线或螺旋进刀;避免在零件工作面上形成岛屿 避免在工作面上切离工件。另外,切削方式也是影响石器切削加工的重要因素,顺铣时的切削振动小于逆铣的切削振动,顺铣时的刀具切入厚度从最大减小到零,刀具切入工件后不会出现弹刀现象,故一般石墨加工选择顺铣。

       在加工结构复杂的石墨工件时,除了要按以上的考虑优化加工工艺外,还要根据具体的情况采取一些特殊的措施,以达到最佳的切削效果。


  • 切削加工刀具


       石墨属于非金属材料,所以一般多采用金刚石刀具进行加工,金刚石刀具具有极高的硬度与耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数,以及与非铁金属亲和力小等优点,金刚石刀具分为天然金刚石、单晶金刚石、PCD金刚石和CVD金刚石四类结构,其中用于加工石墨的主要以PCD刀具为主。


       PCD刀具是人工合成的一种多晶金刚石刀具,可以制成PCD车刀片、PCD铣刀片、PCD钻头、PCD铰刀等。对于石墨相关部件的加工,常用的有PCD车刀、PCD铣刀、PCD钻头以及金刚石涂层刀具。


       石墨铣刀刀具材质影响着高速铣削加工技术的广泛使用。现在适用于高速铣削的刀具有:涂层石墨铣刀、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具、聚晶金刚石(PCD)刀具等。刀具材质的选择对加工效率、加工质量以及加工成本和石墨电极刀具的寿数等有着重要的影响。经过大量的实验及应用,金刚石石墨铣刀是目前高速铣削加工石墨电极较为理想的刀具材质,金刚石石墨铣刀促进石墨电极高速铣削加工的优势:高的硬度和耐磨性:· 高速铣削加工石墨电极,刀具材质的硬度有必要远高于石墨材料的硬度。刀具材料的硬度愈高,其耐磨性愈好,而金刚石是目前发现的最硬的超硬材料,如CDW025和CDW302粒度的金刚石刀具的耐磨性是最好的;高的强度和耐性:· 金刚石刀具材质有很高的强度和耐性,可接受较大切削力、振动和冲击,聚晶金刚石(PCD)刀具和CVD金刚石涂层刀具,均是采用硬质合金刀具为基体,在切削部位焊接或涂覆金刚石材质,结合金刚石的高硬度和硬质合金的高韧性,避免刀具脆性断裂;

HPD石墨铣刀常用的规格型号




  • 切削参数


       石墨高速切削时选用合理的切削参数对于工件加工质量、效率的提高有着重要的意义,由于石墨高速加工的切削过程非常复杂,选择切削用量和加工策略时,需要考虑工件结构、机床特性、刀具等多方面因素,这主要依靠大量的切削实验。对于石墨材料,在粗加工程中需要选择高转速、快速进给、大吃刀量的切削参数,可以有效提高加工效率,但由于石墨在加工过程中易产生崩角现象,尤其在棱边等位置易形成锯齿状,在这些部位应适当降低进给速度,不宜大吃刀量。

       对于薄壁结构石墨件,容易发生边角崩碎的原因主要是由切削冲击、让刀和弹刀以及切削力波动所造成。降低切削力可以减少让刀和弹刀,提高薄壁结构石墨件的表面加工质量,减小边角崩碎和折断。石墨高速加工中心的主轴转速一般较大,在机床主轴功率允许的前提下,选取较高的切削速度可有效地降低切削力,加工效率也可得到显著提高;在选定主轴转速的情况下,每齿进给量应与主轴转速相适应,以防止进给太快吃刀量大造成崩刃现象。通常石墨切削加工在石墨专用机床上进行,机床转速一般为3000~5000r/min,进给速度一般为0.5~1m/min,粗加工时选择相对低的转速,精加工时选择高的转速。对于石墨高速加工中心来说机床转速较高,一般选择在10000~20000r/min之间,进给速度一般在1~10m/min之间。


 

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