高性能石墨高速铣削加工研究

【摘要】： 高性能石墨作为电极材料，具有强度高、电极消耗小、加工速度快、热变形小和加工温度高等优点，在我国汽车、家电、通信和电子等行业制品的模具电火花加工制造中应用日益广泛，尤其在薄壁或微细电极制造和应用方面具有铜电极无法比拟的优势。硬质合金微铣刀高速铣削技术是实现薄壁或微细石墨电极高效高精度加工的主要手段，但是由于缺乏石墨高速铣削机理、刀具磨损机理以及高速铣削工艺优化等方面的深入研究，实际生产中尚存在很多问题，不能充分发挥高速铣削的优越性。本文根据模具制造业对石墨高速铣削技术的迫切需要，着重从高速铣削切屑形成机理、刀具磨损机理、表面质量、切削力以及典型薄壁结构石墨电极工艺参数优化和编程策略优选等方面对石墨高速铣削加工进行了系统深入的理论和实验研究，并通过典型薄壁结构石墨电极高速铣削加工实例验证了研究成果的合理性和实用性。 在石墨高速铣削切屑形成机理研究方面，采用在线摄影法和材料微观分析技术，分别通过石墨正交切削和高速铣削研究，分析了石墨切屑形成过程的基本特征；结合高速铣削微铣刀的单齿最大切削厚度与进给量和径向切深的几何关系，首次建立了高速铣削加工条件与石墨切屑形态、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关系；分析了切屑形成过程与切削力特征和刀具磨损的关系，提出了石墨高速铣削机理模型。研究结果表明：在石墨高速铣削过程中，随着单齿最大切削厚度的增加，石墨切屑由以准连续切屑为主逐渐向以挤压颗粒切屑为主和以断裂块屑为主转变；每齿进给量和径向切深通过影响单齿最大切削厚度来改变石墨高速铣削的切屑形成过程，降低每齿进给量和径向切深以及采用逆铣加工可减小石墨表面破碎率；增大切削速度对石墨高速铣削的切屑形成过程的影响较小；采用正前角切削更容易形成大块断裂块屑，后角和螺旋角对石墨切屑形成过程的影响较小；切削力波形随石墨切屑形成方式的变化而变化。采用图像处理法计算表面破碎率，不仅作为石墨已加工表面质量的评价指标，而且作为系统研究石墨高速铣削机理、切削力和刀具磨损的重要研究手段，将其有机地应用于本文的相关研究中。 在石墨高速铣削切削力研究方面，结合切削条件变化对石墨高速铣削切屑形成过程、表面破碎率以及后刀面与工件表面的摩擦因数等因素的影响，研究了切削参数、刀具几何角度和石墨材料性能对石墨高速铣削切削力的影响，分析了切削力的时域波形特征和频域分量随刀具磨损的变化趋势，提出了减小切削力的高速铣削工艺参数的基本选择原则。通过基于田口方法的正交实验设计，找出了影响石墨高速铣削切削力的主要因素，获得了以最小切削力为优化目标的工艺参数最优水平组合。 在石墨／硬质合金副的摩擦磨损特性方面，通过采用标准盘销式摩擦实验机进行滑动摩擦磨损实验，以及采用改进型盘销式摩擦磨损实验装置进行磨粒磨损实验，模拟石墨高速铣削时切屑和工件材料与硬质合金刀具表面之间的摩擦磨损特性，首次研究了石墨／硬质合金副的滑动摩擦磨损行为和磨粒磨损行为，为研究石墨高速铣削的刀具磨损机理提供了摩擦学理论基础。(1)在石墨／硬质合金副的滑动摩擦磨损特性方面，研究了滑动摩擦磨损过程中法向载荷和滑动速度与摩擦副表面特征、摩擦因数和摩擦温度的关系，研究结果表明：硬质合金销表面在摩擦过程中形成了石墨转移膜；硬质合金销的磨损表面具有“抛光”磨粒磨损特征；提高法向载荷和滑动速度，可促进转移膜的形成，并降低摩擦因数和摩擦温度。(2)在石墨／硬质合金副的磨粒磨损特性方面，研究了磨粒磨损过程中WC晶粒度、Co含量、法向载荷、滑动速度和涂层对摩擦副的表面显微形貌、比磨损率和摩擦因数的影响，研究结果表明：硬质合金的磨损表面具有“抛光”磨粒磨损和“微切削”磨粒磨损特征；硬质合金的比磨损率和摩擦因数随WC晶粒度和Co含量的减小而显著降低，随法向载荷增大而增大，但受滑动速度的影响较小；AlTiN涂层对石墨高速铣削用硬质合金微铣刀具有抗磨减摩作用，但并不十分显著。(3)通过在摩擦副接触表面上添加石墨切屑，研究了石墨切屑对摩擦副滑动摩擦磨损特性的影响，研究结果表明：石墨切屑可减小摩擦因数和摩擦温度，并使摩擦因数随着法向载荷减小和滑动速度提高而降低。 在硬质合金微铣刀高速铣削石墨的刀具磨损和破损研究方面，分析了石墨高速铣削过程中的摩擦学条件，揭示了涂层和非涂层硬质合金微铣刀高速铣削石墨的刀具磨损和破损形态及其机理，研究结果表明涂层早期剥落是涂层的早期破损形式，“抛光”磨粒磨损是涂层硬质合金微铣刀在稳定磨损期的主要磨损机理。首次研究了WC晶粒度和Co含量对硬质合金微铣刀高速铣削石墨的耐磨粒磨损性和抗冲击性的影响，结果表明硬质合金微铣刀的耐磨粒磨损性随着WC晶粒度和Co含量减小而显著提高，但Co含量太少时，又使得硬质合金微铣刀的抗冲击性出现显著下降；超细晶粒硬质合金0.2μmWC—8％Co是最适合于石墨高速铣削的硬质合金基体材料，为涂层硬质合金微铣刀基体材料优选提供了依据。结合切削条件变化对石墨高速铣削切屑形成过程、表面破碎率以及后刀面与工件表面的摩擦因数等因素的影响，研究了切削参数、刀具几何角度和石墨材料性能对刀具磨损的影响，提出减小刀具磨损的工艺参数优化策略；提出了减小刀具磨损的高速铣削工艺参数的基本策略。通过基于田口方法的正交实验设计，找出了影响石墨高速铣削刀具磨损的主要因素，获得了以实现最小刀具磨损为优化目标的工艺参数最优水平组合。 在典型薄壁结构石墨电极的高速铣削工艺研究方面，综合运用全文的研究结果，针对典型薄壁结构石墨电极高速铣削的工艺特点，首次制定和优选了适用于典型薄壁结构石墨电极高速铣削的粗加工、半精加工和精加工编程策略、加工工艺、工艺参数和加工刀具，并对一个典型薄壁结构石墨电极的高速铣削加工实例，制定了高速铣削加工工艺，编制了CNC高速加工程序，成功地实现了厚度0.3mm、厚高比为1：53.3的薄壁石墨电极的低成本高质量高效率的高速铣削加工，表面粗糙度Ra仅为0.17μm。