石墨機(jī)械加工工藝研究*

羅和平，汲 軍，閔 立

(沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，沈陽(yáng) 110142)

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石墨機(jī)械加工工藝研究*

羅和平，汲 軍，閔 立

(沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，沈陽(yáng) 110142)

石墨進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，容易出現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重，工件產(chǎn)生裂紋或折斷、邊角崩碎等現(xiàn)象。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)石墨機(jī)械加工的研究尚不夠深入。文章從石墨加工性能、切削工藝措施、切削刀具、切削參數(shù)及石墨加工機(jī)床等方面，研究石墨的機(jī)械加工工藝，用以指導(dǎo)石墨機(jī)械加工以及國(guó)產(chǎn)石墨加工中心的設(shè)計(jì)與制造，提高石墨機(jī)械加工的技術(shù)水平。

石墨；機(jī)械加工；加工工藝

0 引言

石墨是一種常見(jiàn)的非金屬材料，呈黑色，具有耐高低溫性、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、良好的潤(rùn)滑性和穩(wěn)定的化學(xué)特性；導(dǎo)電性好，可用做電火花加工中的電極。與傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)，在精密復(fù)雜件以及大尺寸電極加工方面表現(xiàn)出更好的適應(yīng)性，已逐步取代銅電極成為電火花加工電極的主流[1]。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(rùn)滑油，很多設(shè)備廣泛采用石墨材料制成的活塞杯，密封圈和軸承等[2]。

目前石墨材料在機(jī)械、冶金、化工、國(guó)防等領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用，石墨零件種類較多、零件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、尺寸精度及表面質(zhì)量要求較高，國(guó)內(nèi)針對(duì)石墨機(jī)械加工的研究尚不夠深入，國(guó)產(chǎn)石墨加工機(jī)床也相對(duì)較少。國(guó)外石墨加工主要采用石墨加工中心進(jìn)行高速加工，目前已成為石墨機(jī)械加工的主要發(fā)展方向。

本文主要從以下幾個(gè)方面分析了石墨的機(jī)械加工技術(shù)及加工機(jī)床。

①石墨機(jī)械加工性能分析；

②石墨常用加工工藝措施；

③加工石墨中常用刀具及切削參數(shù)；

④石墨加工行業(yè)用機(jī)床介紹。

1 石墨切削加工性能分析

石墨屬于非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的脆性材料，石墨切削加工是通過(guò)石墨材料的脆性斷裂生成不連續(xù)的切屑顆粒或粉末來(lái)實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)石墨材料的切削機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，國(guó)外學(xué)者認(rèn)為石墨切屑形成過(guò)程大致是在刀具切削刃與工件接觸時(shí)，刀尖處有擠壓破碎，形成細(xì)小切屑和細(xì)小凹坑，并產(chǎn)生了一條裂紋，裂紋會(huì)向刀尖前下方延伸擴(kuò)展，形成斷裂凹坑，工件的一部分因刀具推進(jìn)發(fā)生破碎，形成切屑。國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為石墨顆粒極其微細(xì)，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(qū)的石墨材料受刀具前刀面及刀尖部分的擠壓作用，產(chǎn)生脆性斷裂，從而形成崩碎切屑[3]。

石墨切削加工過(guò)程中，由于工件圓角或拐角處切削方向的改變、機(jī)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(dòng)等原因，對(duì)石墨工件造成一定沖擊，導(dǎo)致石墨件邊角脆性崩碎、刀具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。尤其在加工棱角以及薄窄筋類石墨件時(shí)，更容易發(fā)生工件的崩角和碎裂，這也成為石墨機(jī)械加工的一個(gè)難點(diǎn)。

2 石墨切削加工工藝

石墨材料的傳統(tǒng)機(jī)械加工方法有車削、銑削、磨削、鋸削等，但都只能實(shí)現(xiàn)形狀簡(jiǎn)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(guān)配套技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，這些傳統(tǒng)加工方法已經(jīng)逐漸被高速加工技術(shù)所取代。實(shí)踐表明：由于石墨的硬脆特性，在加工時(shí)刀具磨損較為嚴(yán)重，因此，建議使用硬質(zhì)合金或金剛石涂層的刀具。

2.1 切削加工工藝措施

由于石墨具有特殊性，為實(shí)現(xiàn)石墨零件的高質(zhì)量加工，必須采取相應(yīng)的工藝措施來(lái)保證。石墨材料粗加工時(shí)，刀具可直接在工件上進(jìn)刀，采用相對(duì)較大的切削參數(shù)；精加工時(shí)為避免崩碎的發(fā)生，經(jīng)常采取使用耐磨性好的刀具，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(shí)進(jìn)行減速加工等工藝措施[4]。切削加工時(shí)還需要合理安排走刀路線，在加工內(nèi)外形輪廓時(shí)，應(yīng)盡可能采用環(huán)繞等高切削，可使得被切削部分受力部位始終比較厚、強(qiáng)度比較高，防止工件斷裂[5]。在加工平面或槽時(shí)，盡可能選擇斜線或螺旋進(jìn)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墨切削加工的重要因素，順銑時(shí)的切削振動(dòng)小于逆銑的切削振動(dòng)，順銑時(shí)的刀具切入厚度從最大減小到零，刀具切入工件后不會(huì)出現(xiàn)彈刀現(xiàn)象，故一般石墨加工選擇順銑。

在加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的石墨工件時(shí)，除了要按以上的考慮優(yōu)化加工工藝外，還要根據(jù)具體的情況采取一些特殊的措施，以達(dá)到最佳的切削效果。

2.2 切削加工刀具

石墨高速加工中，由于石墨材料的硬度、切屑形成的斷續(xù)性以及高速切削特性的影響，切削過(guò)程中形成交變切削應(yīng)力并產(chǎn)生一定的沖擊振動(dòng)，刀具容易發(fā)生前刀面和后刀面的磨損，嚴(yán)重影響刀具的使用壽命，因此石墨高速加工用的刀具要求具有較高的耐磨損性和抗沖擊性[6]。金剛石涂層刀具具有高硬度、高耐磨性、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，目前金剛石涂層刀具是石墨加工的最佳選擇。

石墨加工刀具還需要選擇合適的幾何角度，這樣有助于減小刀具的振動(dòng)、提高加工質(zhì)量，而且可以降低刀具磨損。德國(guó)學(xué)者對(duì)石墨切削機(jī)理研究顯示，石墨切削過(guò)程中石墨去除和刀具前角有密切關(guān)系[3]。負(fù)前角切削增加了壓應(yīng)力，有利于促進(jìn)材料的破碎，提高了加工效率，同時(shí)避免產(chǎn)生大尺寸的石墨碎片。石墨高速切削的常用刀具結(jié)構(gòu)類型有立銑刀、球頭刀和圓角銑刀。立銑刀一般主要用于平面和形狀比較簡(jiǎn)單的曲面加工，球頭銑刀是加工曲面的理想刀具，而圓角銑刀兼有球頭刀和立銑刀的特點(diǎn)，對(duì)曲面和平面都可進(jìn)行加工。

2.3切削參數(shù)

石墨高速切削時(shí)選用合理的切削參數(shù)對(duì)于工件加工質(zhì)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(guò)程非常復(fù)雜，選擇切削用量和加工策略時(shí)，需要考慮工件結(jié)構(gòu)、機(jī)床特性、刀具等多方面因素，這主要依靠大量的切削加工實(shí)驗(yàn)。對(duì)于石墨材料，在粗加工過(guò)程中需要選擇高轉(zhuǎn)速、快速進(jìn)給、大吃刀量的切削參數(shù)，可以有效提高加工效率；但由于石墨在加工過(guò)程中易產(chǎn)生崩角現(xiàn)象，尤其在棱邊等位置易形成鋸齒狀，在這些部位應(yīng)適當(dāng)降低進(jìn)給速度，不宜大吃刀量。

對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)石墨件，容易發(fā)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(dòng)所造成。降低切削力可以減少讓刀和彈刀，提高薄壁結(jié)構(gòu)石墨件的表面加工質(zhì)量，減小邊角崩碎和折斷[6]。石墨高速加工中心的主軸轉(zhuǎn)速一般較大，在機(jī)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(zhuǎn)速的情況下，每齒進(jìn)給量應(yīng)與主軸轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，以防止進(jìn)給太快吃刀量大造成崩刃現(xiàn)象。通常石墨切削加工在石墨專用機(jī)床上進(jìn)行，機(jī)床轉(zhuǎn)速一般為3000～5000r/min，進(jìn)給速度一般為0.5～1m/min，粗加工時(shí)選擇相對(duì)低的轉(zhuǎn)速，精加工時(shí)選擇高的轉(zhuǎn)速。對(duì)于石墨高速加工中心來(lái)說(shuō)，機(jī)床轉(zhuǎn)速較高，一般選擇在10000～20000r/min之間，進(jìn)給速度一般在1～10m/min之間。

3 石墨高速加工中心

石墨切削加工中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，污染環(huán)境、影響工人健康、影響機(jī)床，因此，石墨加工機(jī)床必須配備良好的防塵、除塵裝置。由于石墨是導(dǎo)電體，為防止加工過(guò)程中產(chǎn)生的石墨粉塵進(jìn)入機(jī)床電器元件中發(fā)生短路等安全事故，應(yīng)對(duì)機(jī)床的電器元件進(jìn)行必要的保護(hù)。

石墨高速加工中心為實(shí)現(xiàn)高速采用高速電主軸，為降低機(jī)床的振動(dòng)需要設(shè)計(jì)低重心結(jié)構(gòu)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)多采用高速度高精度的滾珠絲杠傳動(dòng)，設(shè)計(jì)防除塵裝置等[7]。石墨高速加工中心的主軸轉(zhuǎn)速通常在10000～60000r/min之間，進(jìn)給速度可以高達(dá)60m/min，加工壁厚可以小于0.2 mm，零件的表面加工質(zhì)量和加工精度高，是目前實(shí)現(xiàn)石墨高效高精度加工的主要手段。

隨著石墨材料的廣泛應(yīng)用以及石墨高速加工技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外高性能的石墨加工設(shè)備逐漸增多。圖1所示為國(guó)內(nèi)外一些廠家生產(chǎn)的石墨高速加工中心。OKK公司的GR400采用低重心、橋式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床最小化的機(jī)械振動(dòng)；采用C3級(jí)精密絲杠及滾柱導(dǎo)軌，可以保證機(jī)床的高加速度，縮短加工時(shí)間，采用加裝防濺擋板及機(jī)頂蓋的全封閉式鈑金設(shè)計(jì)防止石墨粉塵。海城VMC-7G1所采取的防塵手段，不是常用的吸塵方法，而是用水簾密封形式，并加裝特殊的粉塵分離裝置，在導(dǎo)軌、絲桿等運(yùn)動(dòng)部位，還配備有護(hù)套與強(qiáng)力刮屑裝置，以確保機(jī)床長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

圖1 石墨高速加工中心

項(xiàng) 目單位海城VMC-7G1牧野SNC64OKKGR400X/Y/Z軸行程mm700×450×500600×400×400580×410×360工作臺(tái)尺寸mm500×950750×400800×410工作臺(tái)最大負(fù)載kg600250500主軸功率kW9/77.5/5.57.5/5.5快進(jìn)速度m/min151624最高轉(zhuǎn)速r/min180002000030000切削進(jìn)給速度(X/Y/Z)m/min101216刀具容量把161512

從表1石墨高速加工中心的規(guī)格參數(shù)可以看出，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度都很大，這是石墨高速加工的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)石墨加工中心與國(guó)外相比，機(jī)床規(guī)格相差不大，由于機(jī)床裝配、工藝及設(shè)計(jì)等方面原因，造成機(jī)床加工精度相對(duì)較低。隨著石墨在制造業(yè)中的廣泛使用，石墨高速加工中心越來(lái)越受到關(guān)注，設(shè)計(jì)制造出高性能、高效率的石墨加工中心，采用優(yōu)化的加工工藝，充分發(fā)揮其特點(diǎn)和性能，可以提高石墨件的加工效率和質(zhì)量，對(duì)提高我國(guó)石墨切削加工技術(shù)具有重大意義。

4 總結(jié)

本文主要從石墨特性、切削加工工藝和石墨高速加工中心的結(jié)構(gòu)等方面，對(duì)石墨機(jī)械加工工藝進(jìn)行探討。隨著機(jī)床技術(shù)和刀具技術(shù)的不斷發(fā)展，石墨高速加工技術(shù)需通過(guò)切削試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行深入研究，在理論和實(shí)踐方面提高石墨機(jī)械加工的技術(shù)水平。

[1] 周玉海,秦哲,陳選民,等.石墨材料高速切削加工的研究現(xiàn)狀[J].工具技術(shù),2009,43(5):3-7.

[2] 閻秋生.燒結(jié)石墨的切削加工性研究[J].汕頭大學(xué)學(xué)報(bào),1994,9(2):53-57.

[3] 王成勇,秦哲,李文紅,等.石墨電極的高速加工[C].特種加工技術(shù)-2001年中國(guó)工程機(jī)械學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2001:437-442.

[4] 彭浩舸,鄧奕,謝騏.某塑料模具的石墨電極數(shù)控加工工藝[J].現(xiàn)代制造工程,2005(5):41-42.

[5] 郭忠,張虹,王連祥.電火花加工用石墨電極的數(shù)控加工方法研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2009(3):26-27.

[6] 周莉,王成勇,王曉軍,等.精密薄壁石墨電極的高速銑削刀具應(yīng)用技術(shù)[J].工具技術(shù),2009,43(7):3-7.

[7] 袁慧,王成勇,秦哲.石墨高速加工機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀[J].模具制造,2007(8):7-10.

(編輯 李秀敏)

Research on Mechanical Machining of Graphite Material

LUO He-ping， JI Jun， MIN Li

(Shenyang Machine Tool Co.,Ltd.，Shenyang 110142，China)

In Graphite material machining, serious tool wear, workpiece crack or break, corner collapse broken may probably happen. At present, the research on graphite material machining is still not deep enough in China. From the machining performance, the cutting process measures, cutting tools, cutting parameters and graphite machine tools, graphite material machining process are researched to guide the machining of graphite material, as well as the design and manufacture of graphite machining center, which will improve the graphite machining technology level.

graphite material；mechanical machining；machining process

1001-2265(2017)07-0149-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.07.036

2016-10-19；

2017-03-15

高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)(2013ZX04001-031)

羅和平(1979—),男，山東鄆城人，沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛脩艄に嚰夹g(shù)、自動(dòng)化生產(chǎn)線和加工單元集成技術(shù)，(E-mail)heping_luo@smtcl.com。

TH16；TG506

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