如何提高石墨電極高速銑削加工技術(shù)水平？
本文針對(duì)硬質(zhì)合金微銑刀高速銑削石墨過程中存在的刀具磨損嚴(yán)重、石墨電極邊角碎裂、刀具及其幾何參數(shù)的選擇缺乏理論指導(dǎo)等問題。采用摩擦學(xué)、切削力學(xué)和材料學(xué)理論，以及在線攝影技術(shù)、材料微觀分析技術(shù)和測(cè)試分析技術(shù)，通過大量的正交切削實(shí)驗(yàn)、高速銑削實(shí)驗(yàn)和摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，深入研究了石墨正交切削和高速銑削的切屑形成機(jī)理，提出了石墨切削機(jī)理模型。系統(tǒng)研究了石墨硬質(zhì)合金副的滑動(dòng)摩擦和磨粒磨損行為，揭示了硬質(zhì)合金刀具基體材料和石墨涂層的摩擦磨損機(jī)理。分析研究了刀具材料、幾何角度和工藝參數(shù)對(duì)表面加工質(zhì)量、切削力和刀具磨損的影響，優(yōu)化了石墨高速銑削的工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，以低成本和高成本實(shí)現(xiàn)了典型的薄壁石墨電極。這些研究對(duì)提高石墨電極高速銑削加工技術(shù)水平具有重要意義，也將為我國(guó)模具制造業(yè)的發(fā)展帶來巨大的推動(dòng)力和一定的經(jīng)濟(jì)效益。
石墨是一種由石墨碳組成的碳材料，是當(dāng)今工業(yè)材料中發(fā)展最快的材料之一。不僅在傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)(冶金、化工、機(jī)械)中的應(yīng)用日益增多，而且其應(yīng)用已擴(kuò)展到更廣泛的高科技領(lǐng)域，如航天、航空、電子、電化學(xué)、通訊、核工業(yè)、精密機(jī)械、生物工程、環(huán)境保護(hù)等。本文研究的石墨材料是冷等靜壓成型用于電火花加工的各向同性高性能石墨電極材料(除非另有說明，本文研究的所有石墨材料簡(jiǎn)稱石墨)，在國(guó)外應(yīng)用廣泛。美國(guó)95%以上的電火花加工用戶選擇石墨作為電極材料，在日本、瑞士等其他工業(yè)化國(guó)家石墨也占據(jù)主要地位。近年來，石墨作為一種電極材料，在我國(guó)汽車、家電、通訊、電子等行業(yè)的產(chǎn)品模具電火花加工制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。石墨的密度約為1.55-1.859/em3，僅為銅的1/5。同時(shí)石墨可以粘結(jié)，所以可以用來制造形狀復(fù)雜的大型電極。與銅電極材料相比，石墨具有強(qiáng)度高、電極消耗低、熱變形小等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于制造薄壁、翅片、微孔等特殊結(jié)構(gòu)復(fù)雜型腔模具的電極。石墨電極材料已逐漸取代銅電極成為電火花加工的主流電極材料。
目前，在國(guó)內(nèi)石墨電極高速加工企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)過程中，工藝參數(shù)的選擇主要依靠程序員的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。由于石墨高速銑削技術(shù)缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，難以根據(jù)不同的加工方法、刀具材料、工件材料和形狀及時(shí)合理地選擇高速銑削工藝參數(shù)，這是制約石墨電極進(jìn)一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。因此，如何從基礎(chǔ)理論研究上探索石墨加工刀具的磨損機(jī)理和加工過程中工件的破碎機(jī)理，如何合理選擇高速銑削工藝實(shí)現(xiàn)低成本、高精度、高效率的石墨加工，是當(dāng)前急需解決的重要應(yīng)用基礎(chǔ)研究問題。
石墨的傳統(tǒng)加工方法包括車削、銑削、磨削和鋸切等。，但都只能實(shí)現(xiàn)形狀簡(jiǎn)單、精度低的電極加工。隨著石墨高速加工中心、刀具及相關(guān)配套技術(shù)的快速發(fā)展、推廣和應(yīng)用，這些傳統(tǒng)的加工方式逐漸被高速加工技術(shù)所取代。石墨高速加工中心的主軸轉(zhuǎn)速通常在10000-60000 r/min之間，進(jìn)給速度可達(dá)60m/rain，加工壁厚可小于0.2RAM，最小圓角可小于0.2RAM，表面加工質(zhì)量和加工精度高，是目前實(shí)現(xiàn)石墨高效高精加工的主要手段[61。隨著模具行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向大型化、精密化、復(fù)雜化和高效化方向的快速發(fā)展，對(duì)具有深槽、窄縫和微群孔的精密微結(jié)構(gòu)模具的需求急劇增加，這也對(duì)制造精密復(fù)雜模具的石墨電極高速加工技術(shù)提出了巨大的需求和更高的更新要求。石墨是一種典型的非均質(zhì)脆性材料，高速銑削過程中產(chǎn)生的石墨屑通常是顆粒狀的微細(xì)粉塵。即使是強(qiáng)有力的吸塵系統(tǒng)，也很容易散落、堆積、粘附在前后刀面和加工面上，與被加工的石墨材料一起對(duì)刀具產(chǎn)生劇烈的摩擦，因此石墨切削時(shí)刀具磨損和損壞非常嚴(yán)重。通常刀具磨損引起的刀具成本占總加工成本的三分之一以上，這也導(dǎo)致工件的尺寸精度和表面質(zhì)量難以保證。在石墨高速銑削過程中，由于以下原因，可能會(huì)對(duì)石墨工件造成切削沖擊，導(dǎo)致石墨電極角部脆斷:
(1)工件圓角處銑削方向的改變；
(2)機(jī)床加速度突然變化:
(3)刀具切削方向和角度的改變；
(4)斷續(xù)銑削中的切削振動(dòng)；
(5)工具磨損和損壞等。