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      石墨加工用PCD刀具的選擇(包含加工工藝與切削參數)

      關鍵詞 石墨 , PCD刀具|2022-02-28 09:57:28|技術信息|來源 金屬切削
      摘要 石墨是一種常見的非金屬材料,呈黑色,具有耐高低溫性、良好的導電導熱性、良好的潤滑性和穩定的化學特性,導電性好,可用做電火花加工中的電極。與傳統的銅電極相比,石墨具有耐高溫、放電消耗...

             石墨是一種常見的非金屬材料,呈黑色,具有耐高低溫性、良好的導電導熱性、良好的潤滑性和穩定的化學特性,導電性好,可用做電火花加工中的電極。與傳統的銅電極相比,石墨具有耐高溫、放電消耗小、熱變形小等諸多優點,在精密復雜件以及大尺寸電極加工方面表現出更好的適應性,已逐步取代銅電極成為電火花加工電極的主流。另外,石墨耐磨材料能在高速、高溫、高壓的條件下使用,不需要潤滑油,很多設備廣泛采用石墨材料制成的活寒杯,密封圈和軸承等。

             目前石墨材料在機械、冶金、化工、國防等領域都得到廣泛的應用,石墨零件種類較多、零件結構較復雜、尺寸精度及表面質是要求較高,國內針對石墨機械加工的研究尚不夠深入,進行機械加工時,容易出現刀具磨損嚴重,工件產生裂紋或折斷、邊角崩碎等現象。國產石墨加工機床也相對較少。國外石墨加工主要采用石墨加工中心進行高速加工,目前已成為石墨機械加工的主要發展方向。


             石墨切削加工性能分析

             石墨屬于非均質結構的脆性材料,石墨切削加工是通過石墨材料的脆性斷裂生成不連續的切屑顆?;蚍勰﹣韺崿F的。針對石墨材料的切削機理,國內外學者做了大量研究,國外學者認為石墨切屑形成過程大致是在刀具切削刃與工件接觸時,刀尖處有擠壓破碎,形成細小切屑和細小凹坑,并產生了一條裂紋,裂紋會向刀尖前下方延伸擴展,形成斷烈凹坑,工件的一部分因刀具推進發生破碎,形成切屑。國內學者認為石墨顆粒極其微細,刀具切削刃的刀尖圓弧較大,因而切削刃的作用類似于擠壓,刀具——工件接觸區的石墨材料受刀具前刀面及刀尖部分的擠壓作用,產生脆性斷裂,從而形成崩碎切屑。

             石墨切削加工過程中,由于工件圓角或拐角處切削方向的改變、機床加速度的變化、刀具切入和切出的方向和角度變化、切削振動等原因,對石墨工件造成一定沖擊,導致石墨件邊角脆性崩碎、刀具磨損嚴重等問題。尤其在加工棱角以及薄窄筋類石墨件時,更容易發生工件的崩角和碎裂,這也成為石墨機械加工的一個難點。


             石墨切削加工工藝

             石墨材料的傳統機械加工方法有車削、鐵削、磨削、鋸削等,但都只能實現形狀簡單,精度不高的石墨件加工。隨著石墨高速加工中心、刀具以及相關配套技術的快速發展和應用,這些傳統加工方法已經逐漸被高速加工技術所取代。實踐表明:由干石墨的硬脆特性,在加工時刀具磨損較為嚴重,因此,建議使用金剛石涂層的刀具(PCD刀具)。


      • 切削加工工藝措施


             由于石墨具有特殊性,為實現石墨零件的高質量加工,必須采取相應的工藝措施來保證。石墨材料粗加工時,刀具可直接在工件上進刀,采用相對較大的切削參數;精加工時為避免崩碎的發生,經常采取使用耐磨性好的刀具,且減小刀具的切入量,并保證切削刀具的螺距切入量小于刀具直徑1/2,加工兩端部時進行減速加工等工藝措施。切削加工時還需要合理安排走刀路線,在加工內外形輪廊時,應盡可能采用環繞等高切削,可使得被切削部分受力部位始終比較厚、強度比較高,防止工件斷裂。在加工平面或槽時,盡可能選擇斜線或螺旋進刀;避免在零件工作面上形成島嶼 避免在工作面上切離工件。另外,切削方式也是影響石器切削加工的重要因素,順銑時的切削振動小于逆銑的切削振動,順銑時的刀具切入厚度從最大減小到零,刀具切入工件后不會出現彈刀現象,故一般石墨加工選擇順銑。

             在加工結構復雜的石墨工件時,除了要按以上的考慮優化加工工藝外,還要根據具體的情況采取一些特殊的措施,以達到最佳的切削效果。


      • 切削加工刀具


             石墨屬于非金屬材料,所以一般多采用金剛石刀具進行加工,金剛石刀具具有極高的硬度與耐磨性、低摩擦系數、高彈性模量、高熱導、低熱膨脹系數,以及與非鐵金屬親和力小等優點,金剛石刀具分為天然金剛石、單晶金剛石、PCD金剛石和CVD金剛石四類結構,其中用于加工石墨的主要以PCD刀具為主。


             PCD刀具是人工合成的一種多晶金剛石刀具,可以制成PCD車刀片、PCD銑刀片、PCD鉆頭、PCD鉸刀等。對于石墨相關部件的加工,常用的有PCD車刀、PCD銑刀、PCD鉆頭以及金剛石涂層刀具。


             石墨銑刀刀具材質影響著高速銑削加工技術的廣泛使用?,F在適用于高速銑削的刀具有:涂層石墨銑刀、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具、聚晶金剛石(PCD)刀具等。刀具材質的選擇對加工效率、加工質量以及加工成本和石墨電極刀具的壽數等有著重要的影響。經過大量的實驗及應用,金剛石石墨銑刀是目前高速銑削加工石墨電極較為理想的刀具材質,金剛石石墨銑刀促進石墨電極高速銑削加工的優勢:高的硬度和耐磨性:· 高速銑削加工石墨電極,刀具材質的硬度有必要遠高于石墨材料的硬度。刀具材料的硬度愈高,其耐磨性愈好,而金剛石是目前發現的最硬的超硬材料,如CDW025和CDW302粒度的金剛石刀具的耐磨性是最好的;高的強度和耐性:· 金剛石刀具材質有很高的強度和耐性,可接受較大切削力、振動和沖擊,聚晶金剛石(PCD)刀具和CVD金剛石涂層刀具,均是采用硬質合金刀具為基體,在切削部位焊接或涂覆金剛石材質,結合金剛石的高硬度和硬質合金的高韌性,避免刀具脆性斷裂;

      HPD石墨銑刀常用的規格型號




      • 切削參數


             石墨高速切削時選用合理的切削參數對于工件加工質量、效率的提高有著重要的意義,由于石墨高速加工的切削過程非常復雜,選擇切削用量和加工策略時,需要考慮工件結構、機床特性、刀具等多方面因素,這主要依靠大量的切削實驗。對于石墨材料,在粗加工程中需要選擇高轉速、快速進給、大吃刀量的切削參數,可以有效提高加工效率,但由于石墨在加工過程中易產生崩角現象,尤其在棱邊等位置易形成鋸齒狀,在這些部位應適當降低進給速度,不宜大吃刀量。

             對于薄壁結構石墨件,容易發生邊角崩碎的原因主要是由切削沖擊、讓刀和彈刀以及切削力波動所造成。降低切削力可以減少讓刀和彈刀,提高薄壁結構石墨件的表面加工質量,減小邊角崩碎和折斷。石墨高速加工中心的主軸轉速一般較大,在機床主軸功率允許的前提下,選取較高的切削速度可有效地降低切削力,加工效率也可得到顯著提高;在選定主軸轉速的情況下,每齒進給量應與主軸轉速相適應,以防止進給太快吃刀量大造成崩刃現象。通常石墨切削加工在石墨專用機床上進行,機床轉速一般為3000~5000r/min,進給速度一般為0.5~1m/min,粗加工時選擇相對低的轉速,精加工時選擇高的轉速。對于石墨高速加工中心來說機床轉速較高,一般選擇在10000~20000r/min之間,進給速度一般在1~10m/min之間。


       

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