（机械制造及其自动化专业论文）金刚石涂层刀具高速铣削石墨电极材料切削性能研究.pdf

摘要 摘要 石墨电极在电火花加工e d m ( e l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n i n g ) 中具有 加工速度快、加工精度高、耐高温、放电损耗小等优点。可以满足汽车、 家电、通讯、电子等行业制品中对复杂曲面、加强筋板、风冷的翅片或 细网结构的加工要求。高速铣削是精密复杂形状石墨电极的主要加工方 法之一。常规硬质合金刀具高速加工石墨时磨损严重，目前不少企业尝试 使用金刚石涂层刀具高速铣削加工石墨电极。由于缺乏对石墨高速铣削 过程中金刚石涂层刀具寿命、刀具磨损机理以及高速铣削工艺参数优化 等方面的深入研究，实际应用中尚存在很多问题，不能充分发挥金刚石 涂层刀具及高速铣削的优越性。 针对石墨电极材料的特点，本文采用金刚石涂层刀具替代常规硬质 合金铣刀高速铣削加工石墨，主要研究了金刚石涂层刀具高速铣削石墨 电极材料时刀具寿命曲线，以及和t i a l n 涂层刀具和硬质合金刀具进行 对比；研究了切削速度、每齿进给量、径向切深、轴向切深、顺逆铣削 方式和不同材料刀具因素对削力影响，以及和t i a l n 涂层刀具和硬质合 金刀具进行对比；在切削力正交实验基础上对工艺参数进行优选；论文 最后开展金刚石涂层刀具和t i a l n 涂层刀具高速铣削石墨电极材料的表 面质量研究。论文主要结论如下： 金刚石涂层刀具高速铣削石墨电极材料寿命实验研究表明：( 1 ) 金刚 石涂层刀具表面并非完全均匀，表面有成团聚集的大颗粒金刚石族团。( 2 ) 切削l0 0 m 时刀具表面未见破损，刀具表面出现粘附石墨膜，切削力变化 不大；35 0 m 时，刀具出现了破损，切削力突然增大。( 3 ) 在相同切削条件 下不同材料的刀具寿命依次为：金刚石涂层刀具 t i a l n 涂层刀具 硬质 合金刀具。 切削力实验研究结果表明：( 1 ) 实时切削力出现了负切削力，同时切 削力呈现大的波动。( 2 ) 切削力随切削速度提高出现先增加后减小的趋势， 当切削速度达到2 4 0 m m i n 时切削力最大，这是由于工具系统共振引起： 每齿进给量增大时，切削分力缓慢增大，切削力波动幅值呈先增大后缓 广东工业大学r t 学硕上学位论文 慢减小的趋势；增加径向切深，切削力基本不变，但切削力波动变化显 著；切削力随轴向切深增加出现先减小后增加的规律，在切深为9 m m 时切 削切削力最小。( 3 ) 顺铣时切削力小于逆铣，推荐使用顺铣。( 4 ) 不同材料 刀具切削力大小关系为：硬质合金刀具 金刚石涂层刀具 t i a l n 涂层刀 具。( 5 ) 切削力最小的工艺参数最优组合是切削速度36 0 m m i n ，每齿进给 量o 0 3 m m z ，径向切深0 9 m m ，轴向切深3 m m 。 金刚石涂层刀具磨损破损及其机理研究发现：( 1 ) 刀具破损主要部位 主要分布在底刃。( 2 ) 金刚石涂层刀具主要磨损形式是粘附磨损和磨粒磨 损。主要破损形式是涂层脱落，崩刃为主。( 3 ) 机械冲击和石墨粉尘频繁 脱落是导致金刚石涂层刀具涂层剥落的主要原因。 对石墨高速铣削后表面表面质量的研究发现：( 1 ) 金刚石涂层刀具可 以采用较大材料去除率的切削工艺参数。( 2 ) 高速铣削石墨表面三维形貌 显示为非常不平整。( 3 ) 金刚石涂层刀具铣削石墨表面质量不如t i a l n 涂 层刀具，顺铣时石墨表面质量比逆铣好。 关键词：金刚石涂层刀具、石墨电极、高速铣削、刀具磨损、刀具破损、 切削力、表面质量。 i i a b s t r a c t a bs t r a c t g r a p h i t ee l e c t r o d eh a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha sq u i c k e re d ms p e e d ， b e t t e rm a c h i n i n ga c c u r a c y ，h i g h e rh e a tr e s i s t a n c e ，l o w e re l e c t r o d ew e a ri n e d m ( e l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n i n g ) i tc a nm e e tt h e p r o c e s s i n g r e q u i r e m e n t s o fc o m p l e xs u r f a c e ，s t i f f e n e r ，a i r c o o l e df i na n df i n em e s h s t r u c t u r ei nt h ef i e l d so fa u t o m o b i l e ，h o m ea p p l i a n c e s ，c o m m u n i c a t i o n ， e l e c t r o n i ci n d u s t r y ，e t c h i g hs p e e dm i l l i n gi so n eo ft h em a j o rp r o c e s s m e t h o d st om a n u f a c t u r ep r e c i s eg r a p h i t ee l e c t r o d ew i t hc o m p l e xs h a p e m a n ye n t e r p r i s e st r yt ou s ed i a m o n dt o o lf o rh i g hs p e e dm i l l i n go fg r a p h i t e e l e c t r o d ed u et ot h es e v e r ew e a ro fc a r b i d et 0 0 1 h o w e v e r ，b e c a u s eo fl a c k o ff u r t h e rr e s e a r c ho nt h el i f e t i m eo fd i a m o n dc o a t e dt o o lw h e nh i g hs p e e d m i l l i n go fg r a p h i t e ，t o o lw e a rm e c h a n i s ma n do p t i m i z a t i o no fh i g hs p e e d m i l l i n gt e c h n o l o g y ，t h e r e a r em a n yp r o b l e m si ni t s a p p l i c a t i o n t h e a d v a n t a g e so fd i a m o n dc o a t e dt o o l sa n dh i g hs p e e dm i l l i n gc a n tn o te x e r t f o c u s i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r a p h i t ee l e c t r o d e ，t h i sp a p e ru s e s d i a m o n dc o a t e dt o o l st op r o c e s s i n gg r a p h i t ei n s t e a do fc a r b i d et o o l s t h i s p a p e rm a i n l yr e s e a r c ho nt h el i f e t i m eo fh i g hs p e e dm i l l i n gg r a p h i t ew i t h d i a m o n dc o a t e dt o o l s ，t h ee f f e c t so fc u t t i n gs p e e d ，f e e dr a t ep e rt o o t h ， r a d i a ld e p t ho fc u t ，a x i a ld e p t ho fc u t ，a n dm a t e r i a lo ft o o l so nt h ec u t t i n g f o r c e s o p t i m a ls e l e c t e dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sb a s e do nt h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n to fc u t t i n gf o r c e t h i sp a p e rh a se v e n t u a l l ys t u d i e dt h es u r f a c e q u a l i t yo fg r a p h i t ee l e c t r o d eb yh i g hs p e e dm i l l i n gw i t hd i a m o n dc o a t e d t o o l sa n dc o m p a r i s o nw i t ht i a l nc o a t e da n dw ct o o l s t h em a i nc o n c l u s i o n o ft h i sp a p e ra r e ： t h el i f e t i m ee x p e r i m e n to fd i a m o n dc o a t e dt o o l sh i g h s p e e dm i l l i n g g r a p h i t es h o w st h a t ：( 1 ) t h es u r f a c eo fd i a m o n dc o a t e dt o o l si s n o tf u l l y h o m o g e n e o u s ，t h e r ea r eb i gp a r t i c l e so fd i a m o n dg a t h e ri n t oc l u s t e ro nt h e s u r f a c e ( 2 ) a f t e rc u t t i n g1o o m ，a n yw e a ro nt h et o o l ss u r f a c ec a nn o tb e i i i 广东丁业大学工学硕士学位论文 f o u n da n dt h ec u t t i n gf o r c ec h a n g e dl i t t l e w h e n3 5 0 m ，f a i l u r eo c c u r so n t h ec u t t i n gt o o l sa n dt h ec u t t i n gf o r c ei n c r e a s e si nas u d d e n ( 3 ) t h eo r d e r o ft h el i f e t i m eo fc u t t i n gt o o l so nt h es a m ec u t t i n gc o n d i t i o n sb u td i f f e r e n t t o o l sm a t e r i a l si s ：d i a m o n d t i a l n w c t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to ft h ei n f l u e n c eo fc u t t i n gf a c t o ro nc u t t i n g f o r c ee x p e r i m e n t d i s p l a y ：( 1 ) n e g a t i v ec u t t i n g f o r c e a p p e a rd u r i n g r e a l t i m ec u t t i n g ，a n dc u t t i n gf o r c eh a sg r e a tf l u c t u a t i o n ( 2 ) c u t t i n gf o r c e f o l l o wt h ec u t t i n gt h es p e e df i r s ti n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s e t h em a x c u t t i n gf o r c ea p p e a rw h e nt h ec u t t i n gs p e e di n c r e a s et o2 4 0 m m i n w h e n f e e d p e r r a t et o o t h i n c r e a s e s ，t h ec o m p o n e n t f o r c eo f c u t t i n g f o r c e i n c r e a s e ss l o w l y ，t h ea m p l i t u d eo ff l u c t u a t i o nt e n d st of i r s ti n c r e a s ea n d t h e nd e c r e a s e w h e nr a d i a ld e p t ho fc u ti n c r e a s e s ，c u t t i n gf o r c ei sa l m o s t i n v a r i a n t ，b u tf l u c t u a t i o no fc u t t i n gf o r c ei ss i g n i f i c a n t c u t t i n gf o r c ef i r s t i n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s ew h e na x i a ld e p t ho fc u ti n c r e a s e s ，w h e nd e p t h 9 m mr e a c ht h eo p t i m a l ( 3 ) t h ec u t t i n gf o r c eo fd o w nm i l l i n gi ss m a l l e r t h e nu pm i l l i n g ，d o w n m i l l i n g i s r e c o m m e n d e d ( 4 ) c u t t i n gf o r c e s o f d i f f e r e n tm a t e r i a l so f c u t t i n gt o o l si s ：w c d i a m o n d t i a l n ( 5 ) t h e o p t i m a lc o m b i n a t i o n o f p r o c e s sp a r a m e t e r s t h a tm a k e st h em i n i m u m c u t t i n gf o r c ei s ，c u t t i n gf o r c e3 6 0 m m i n ，f e e dp e rt o o t h0 15 m m z ，r a d i a l d e p t ho fc u t0 9 m m ，a x i a ld e p t ho f9 m m t h er e s e a r c ho fd i a m o n dc o a t e dt o o l sw e a rm e c h a n i s mh a sf o u n d ( 1 ) t h et o o l sw e a ra n df a i l u r em a i n l yd i s t r i b u t eo nb a s i ck n i f e ( 2 ) t h em a i n w e a rf o r mo ft o o l si sa d h e s i o nw e a ra n da b r a s i v ew e a r t h em a i nf a i l u r e f o r m sa r ec o a t i n gs h e d d i n ga n dt i p p i n g ( 3 ) m e c h a n i c a li m p a c ta n dt h e s h e d d i n go fg r a p h i t ed u s ta r et h em a i nr e a s o nt h a tl e a d st ot h ef a i l u r eo f d i a m o n dc o a t e dt o o l s r e s e a r c ho nt h es u r f a c eq u a l i t yo fg r a p h i t eh a so b t a i n e d ：( 1 ) b i g g e r m a t e r i a lr e m o v a lr a t ec a nb eg o tb yt h ed i a m o n dc o a t e dt o o l s ( 2 ) t h e3 d p r o f i l eo ft h es u r f a c eo fh i g hs p e e dm i l l i n gg r a p h i t ee l e c t r o d ed i s p l a y s v e r yu n e v e n n e s s ( 3 ) t h es u r f a c eq u a l i t yo fg r a p h i t em i l l e db yd i a m o n d i v a b s t r a c t c o a t e dt o o l si sw o r s et h a no ft i a l nc o a t e dt o o l s ，t h es u r f a c eq u a l i t yo f g r a p h i t ed o w nm i l l i n gi sb e t t e rt h a nt h a to fu pm i l l i n g k e y w o r d s ：d i a m o n dc o a t e dt o o l s ，g r a p h i t ee l e c t r o d e ，h i g hs p e e dm i l l i n g ， t o o l sw e a r ，t o o l sf a i l u r e ，c u t t i n gf o r c e ，s u r f a c eq u a l i t y v 广东工业大学工学硕士学位论文 符号 f x f 、， f z f r a x a y a z n v f z f f o r d a f l l l 1 l 2 0 y p z v b v b m a x r a 符号表 名称 进给分力 径向分力 轴向分力 切削合力 进给分力波动幅值 径向分力波动幅值 轴向分力波动幅值 主轴转速 切削速度 每齿进给量 进给速度 频率 径向切深 轴向切深 刀具总长度 有效刃长 刀具悬长 刀具直径 前角 螺旋角 刀具齿数 后刀面磨损宽度 后刀面最大磨损宽度 表面粗糙度 v i 单位 n n n n n n n r p m m m i n m m r e v m m m i n h z m m m m m m m m m m m m 度( o ) 度( o ) 齿 m m m m “m 广东工业大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈论文是我个 人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已发表或撰写过 的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢 意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此 声明。 论文作者签字：周玉潍 指删蚴 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景与意义 精密模具广泛应用于汽车仪表、电子仪器、航空、通信、家电、建 筑等行业。由于成型后的模具需在高温高压及热冲击情况下重复使用， 模具材料一般使用高硬度的淬火钢。为了保证精密模具尺寸精度和表面 质量，高速铣削h s m ( h i g hs p e e dm i l l i n g ) 和电火花加工e d m ( e l e c t r i c d i s c h a r g em a c h i n i n g ) 是精密模具制造的两种主要方法。 高速铣削采用比常规铣削高出5 10 倍的加工速度，刀具受力小，刀 具切削工件材料去除机理产生改变，铣削过程中大部分热量由切屑带走。 具有高加工精度和良好表面质量，高生产率，可加工范围广等特点，在 精密模具制造得以广泛应用。 ( a ) 压铸模类石墨电极( b ) 特殊形状石墨电极( c ) 组合模具 图1 1 精密复杂石墨电极 f i g 1 一lp r e c is ec o m l 9 le xg r a p h i t ee le c t r o d os 但是在处理一些特殊零部件如加工淬火后的深、小型腔模具，e d m 仍是必不可少的方法。常用e d m 电极材料主要有铜和石墨【2 】。在复杂精 密薄壁、窄缝、沟糟、汽车喇叭网微细孔以及大尺寸电极加工方面。铜 电极的机械加工性能问题突出，放电性能有一定局限性。而石墨电极具 有加工速度快、加工精度高、耐高温、放电损耗小等优点【3 1 。如图卜1 所示，石墨电极广泛用于电加工修整大体积模具、微细筋槽、微细孔特 殊结构、复杂曲面的汽车轮胎模、窄槽的薄壁( 壁厚0 1m m ) 模具。石 广东工业大学工学硕上论文 墨电极在国外模具制造中应用广泛，铜电极和石墨电极的应用比：日本 为3 ：7 ，美国为1 ：9 ，欧洲为3 ：7 。可以满足汽车、家电、通讯、电子等行 业制品中对复杂曲面、加强筋板、风冷的翅片或细网结构的加工要求【4 】。 石墨为典型层状结构脆性材料，材料机械强度差，加工时易崩碎， 刀具磨损严重，为典型难加工材料。常规的车、铣、磨加工只能加工简 单形状的石墨零件，无法满足各种复杂形状电极要求【5 】。高速铣削具有 加工速度高、切削力小、温度低以及加工工件表面质量好等特点，可以 用于加工复杂形状的电极，是精密复杂石墨电极的主要加工方法之一。 石墨高速铣削刀具有硬质合金刀具、硬质合金涂层刀具、聚晶金刚 石刀具等【6 】。硬质合金刀具高速铣削石墨时刀具磨损严重，需要及时检 查刀具磨损状况和频繁更换刀具，在大尺寸或精密电极加工方面应用有 限。t i a l n 涂层刀具加工石墨时寿命未见明显提高。聚晶金刚石刀具磨损 较小，但刀具形状难以满足复杂电极要求。在高速加工精密复杂石墨电 极方面应用有限。由于常规刀具高速加工石墨时磨损严重，因此需要寻 找高性能超硬刀具替代常规刀具。而金刚石是精密和超精密加工的超硬 刀具材料之一，可以尝试金刚石刀具来高速铣削石墨，但金刚石刀具本身 类型繁多，性能差异显著。 金刚石涂层刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模 量、高热导、低热膨胀系数及与非铁金属亲和力小等优点。可以用于加 工非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它 韧性有色金属材料的精密加工。 目前金刚石涂层刀具加工石墨还处于试验阶段。金刚石涂层工艺还 不够成熟，刀具昂贵。国内外有关于金刚石涂层刀具高速切削石墨电极 工艺参数选用标准，以及刀具切削性能尚均未深入研究。而且金刚石涂 层与刀具基体的附着力过低，造成刀具切削性能不稳定，离散性大。当 金刚石与基体间的附着力不足以抗拒切削力的破坏时，金刚石膜就会脱 落，工件表面粗糙度一般大于r a 0 2 “m 【7 1 。 因此开展金刚石涂层刀具高速铣削石墨电极材料切削性能研究具有 重要理论意义和工程价值。本论文通过实验研究和理论分析，研究金刚 石涂层刀具高速铣削石墨电极材料时刀具磨损、破损机理和加工工艺参 2 第一章绪论 数对切削力以及石墨加工表面质量的影响。从而实现缩短电极制造周期， 提升产品市场竞争力，将对整个模具制造行业产生重要影响。 1 2 石墨材料特性及其切削加工研究现状 1 2 1 石墨材料特性 距 1 胁层面a 层面b ( a ) 理想结构示意图( b ) 石墨晶体六角环结构 图1 2 石墨晶体结【8 1 f i g 1 - 2g r a p h i t ec r y s t a ls t r u c t u r e 石墨具有典型的层状构造，其晶体呈现二维平面性拓扑结构。如图 1 2 ( b ) 所示，石墨晶体由碳原子组成六角环网状结构的多层叠和体。在六 角环中，c c 键长为o 141n m ，比金刚石的碳原子间距o 15 4 n m 还小，因 此位于石墨同一层面内的相邻原子比金刚石原子间的结合还要紧密，比 金刚石的原子间隙还要小；而相邻六角网格层面，相互错开六角形对角 线的一半，上层面网的碳原子对着下层面网六方环的中心，叠合为 a b a b 三维空间有序排列，如图1 2 ( a ) 所示。其中c c 键长为0 14 1n m ， 层间距0 335 4 n m ，晶胞边长0 2 4 6 n m ，晶胞高为0 6 7 0 8 n m 。六角环c c 键的平均键能为6 2 7 k j m o l ，而层与层的键能仅为5 4 k j m o l ，层间碳原子 的结合力要比同层内碳原子间的结合力小一百多倍。因此沿石墨层面方 向( a 向) ，原子间结合力强，强度和弹性模量高，而层与层之间结合力 弱，且层间距较大，容易滑动，故石墨可作为润滑剂。 石墨主要是根据晶体粒径来分类，平均粒径( “) 决定了石墨材料硬度， 广东工业大学工学硕士论文 强度以及放电加工等性能。粒径越小，e d m 放电性能越好，放电加工零 件精度高，表面质量好，但在机械加工过程中刀具磨损严重，相对难加 工。目前市场供应石墨电极材料粒径一般为1 10 9 m 。国外e d m 电极石 墨材料生产厂家主要有日本t o y ot a n s o ，i b i d e n ，c a r b o n ，美国p o c o 等。p o c o 推出特微e d m a f 5 石墨，如表1 1 所示，具有高强度，良好 表面光洁度，极好金属去除率和抗损耗特性，是加工高光洁度表面和精 细工件的理想材料。除额外指出外，本文后面统一用石墨来表示石墨电 极材料。 表1 1p o c oe d m 石墨材料性能以及牌号【9 1 t a b l ei 一1 p r o p e r t ya n db r a n do fp o c oe d mg r a p h i t e 石墨等级代号 e d m 一2 0 0e d m 4e d m a f 5 平均粒径( p ) 抗弯强度( m p a ) 抗压强度( m p a ) 肖氏硬度( s h o r e ) 电阻率( u o m ) 电极应用场合 电极材料特点 1o 8 l 6 2 5 8 0 锻模、压铸模、 大型吹塑优质粗 电极，公差较低。 超微粒石墨、强 度高、表面加工 精细、耐磨性好。 t i a l n w c 。 c a ) 硬质合金( w c ) 刀具( b ) t i a i n 涂层刀具 图3 6 石墨切削刀具表面形貌 f i g 3 - 6s u r f a c eo fg r a p h i t ec u t t i n gt o o l s 如图3 6 所示，实验结束后拍摄刀具表面s e m 形貌，硬质合金刀具 w c 颗粒分布均匀，刀具表面光滑。t i a l n 涂层刀具表面由于为涂层刀具 原因，表面较粗糙。硬质合金刀具高速铣削石墨电极过程中，由于铣刀 的切削刃刃口尖而薄，以及硬质合金刀具的脆性本质，刀具在高速旋转 条件下其刃口极易受石墨材料的冲击作用而形成冲蚀磨损。硬质合金的 冲蚀磨损表面是有由残留形状大小不一的w c 晶粒、和受冲击作用产生 断裂和剥落后残留的剥落凹坑构成1 7 】。而对于t i a l n 涂层刀具而言，刀 具表层硬度过低导致摩擦磨损为主要失效形式。由于本文重点不在这两 种刀具，在此就不深入分析。 3 3 高速铣削石墨寿命实验切削力特征 切削力在寿命实验过程中变化如图3 7 所示。切削力在前10 0 m 基本 保持恒定不变，切削过程稳定，这表面刀具尚未产生明显磨损或者破损 现象，这属于磨损初期阶段。结合刀具磨损过程观测刀具磨损状况可知。 在初期磨损阶段，刀具表面尚未产生磨损，切削力保持稳定。这主 要是由于金刚石涂层刀具表面存在许多微细突出金刚石颗粒也参与切削 过程。但是该颗粒为致密金刚石聚集团，具有良好的耐磨损性能。在刀 具磨损初期出现了石墨膜的吸附，如图3 3 ( b ) 、( c ) 所示可以观察到金刚 3 4 第三章会刚石涂层刀具寿命研究 石涂层刀具表面开始粘附部分石墨膜。 图3 7 金刚石涂层刀具寿命实验切削力 f i g3 7 c u t t i n gf o r c e so fd i a m o n dc o a t e dt o o l si nl i f et e s t 从1o o m 到15o m 区间，刀具切削力开始突然增加。根据图3 3 ( d ) 图 可以看到，此时金刚石涂层刀具已经磨损，刀尖部位率先开始出现微崩 刃。刀尖产生磨损后造成刀具变钝，刀具切入能力降低。刀尖部位产生 磨损和破损后会直接影响刀具的切入性能，因此切削力明显增加。 15 0 m 到3o o m 期间切削理力基本保持不变状态，表面在此阶段刀具 表面处于稳定阶段。而在30 0 m 到35 0 m 阶段，切削明显增加。原因是刀 具开始出现破损，在此阶段还会出现涂层剥落失效、涂层冲蚀磨损和微 崩刃等失效形式。切削路程为35 0 m 时，可观察到靠近刀尖的一小块区域 涂层产生剥落现象，硬质合金基体被暴露( 图3 3 中( k ) ，( 1 ) ) 。 3 4 本章小结 本章主要研究金刚石涂层刀具高速加工石墨时刀具寿命，研究在寿 命实验中刀具磨损过程以及对应各阶段的切削力特性以及刀具表面磨损 状况。金刚石涂层刀具寿命实验主要结论有： ( 1 ) 金刚石涂层刀具表面并非完全均匀，在扫描电镜下观察到表面有 成团聚集的大颗粒金刚石族团。 ( 2 ) 切削1o o m 时刀具表面未见明显磨损。但是刀具表面发现有粘附 石墨。35o m 时，刀具已经出现明显的破损情况。 ( 3 ) 切削力在前1o o m 基本保持恒定不变，切削过程较稳定。3o o m 广东工业大学工学硕十论文 到35o m 阶段，切削力明显增加。 ( 4 ) 同样切削条件下，刀具寿命排序依次为：金刚石涂层刀具 t i a l n 涂层刀具 硬质合金刀具刀具。 3 6 第四章金刚石涂层刀具高速铣削石墨切削力研究 第四章金刚石涂层刀具高速铣削石墨切削力研究 本章通过金刚石涂层刀具高速铣削石墨切削力单因素实验，研究切 削速度，每齿进给量、径向切深、轴向切深切削参数和顺铣、逆铣方式 因素对切削力的影响。在相同的切削条件下，与t i a l n 涂层刀具和硬质 合金刀具高速铣削石墨切削力进行对比。通过正交实验，以最小切削力 为目标分析实验金刚石涂层刀具高速铣削石墨的切削因素的影响显著 度，最终得到优化的工艺参数组合。 ( a ) 变切削速度( b ) 变轴向切深 图4 1 高速铣削石墨切削力实验实物图 f i g 4 - ls h a p eo fh s mg r a p h i t ei nc u t t i n gf o r c e se x p e r i m e n t 4 1 高速铣削石墨切削力特性研究 实验方案参考论文第二章，切削力单因素实验后石墨电极形状见图 4 1 。其中图4 1 ( a ) 图中材料去除部分依次为改变切削速度、每齿进给量， 径向切深铣削石墨时形状。而图4 1 ( b ) 图部分为改变轴向切深参数时实 验后石墨规格，具体的尺寸参考表2 4 。 石墨为典型高硬度硬脆材料，内部结构复杂。其加工过程中切削力 特征完全不同于一般金属切削，石墨切削加工过程复杂，研究切削力特 征对石墨材料切削机理研究会提供一定的参考。 4 1 1 负切削力 广东工业大学硕士学位论文 采用金刚石涂层刀具高速铣削石墨电极切削分力及合力特征如图 4 2 所示。金刚石涂层刀具高速铣削石墨实时切削力一般可以划分空切， 切入，切削，切出四个部分组成。分别对应图4 2 ( a ) 分力图中的四段， 其中主要研究的重点是关注切削过程中切削力特征。 由图4 2 ( b ) 可以看出：石墨高速切削过程中实时切削力不同于金属 切削，各切削分力均出现了负值即横轴下面部分出现了负切削力特有现 象。这一现象在其他一些研究者采用金刚石涂层刀具加工脆性材料( 岩 石材料) 实验中也有过相关报道【5 8 】。 石墨切削过程出现负切削力的主要原因是由于石墨材料本身所引起 的。石墨为典型脆性硬材料，加工时材料去除机理不同于金属。 m a c h i n e ：d m u6 0 tw o r kp i e c em a t e r i a l s ：t o y o i a n s o l s o 一6 3 c u u i n gc o n d i t i o n 。d r ym i l l i n g t o o l ：c v dd i a m o n dc o a t e de n d m i l ld i a m e t e r ：6 r a mn u m b e ro l f l u t e s ：3 r o t a t i o ns p e e dn12 7 3 2 r m i nf e e dp e rt o o t hf z + 00 9 m m zr a d i a ld e p t ho fc u tr d ：n 3 m m a x i a ld e 乜t no f c u ta d ：9 m m 一 一一 4 2 金刚石涂层刀具高速切削石墨切削力特性 f i g 4 - 2 c h a r a c t e ro fc u t t i n gf o r c ew i t hd i a m o n dc o a t e dt o o l s 实验过程中测试到切削力有正负值，而且基本是呈轴线对称( 考虑 到测力系统零点漂移，并不一定是零线) 。分析原因是由于测力系统中的 第四章金刚石涂层刀具高速铣削石墨切削力研究 传感器为双向线压电陶瓷，故在+ x ，x 等轴产生电信号方向恰好像反。 对于出现负切削力，首先需要确定的是切削力是为一个矢量负数代表切 削的方向和标定的正方向相反，因此在计算整段切削力的作用力时不能 直接进行求数学平均值做为最后结果而是求绝对值后的平均值。 m a c h i n e ：d m u6 0 tw o r kp i e c em a t e r i a l s ：t o y ot a n s o i s o - 6 3 c u t t i n gc o n d i t i o n ：d r ym i l l i n g t o o l ：t i 认i nc o a t e de n d - r a i l ld i a m e t e r 6 m mn u m b e ro f f l u t e s ：3 r o t a t i o ns p e e dn ：1 2 7 3 2 r r a i nf e e dp e rt o o t h ：o 0 9 m m zr a d i a ld e p t ho f c u tr d ：o 3 m m 垒亟l d 碰o f c t ) ) 一a d o m 一m _一 u u 6 0 f b ) 4 0 f l u c t u a t i o no f c u t t i n gf o r c e ， ：2 0 t 1 山d 山l “- j t i e “i - h - h j j 山l 。 童0 彗严孵f 可t r 丌1 ”1 p r 7 - - i 。 r ” 三一2 0 r 4 0 - 6 0 4 1 2 波动切削力 由图4 2 对比三个方向分力可以看出：切削力在时域上切削力变化 幅度大，波动明显。同时在同一具体的时刻，也会有比较大的波动，见 图4 2 ( d ) 。对脆性材料石墨来说，切削力波动很大，目前在这方面还没 有专门研究或者相关的文献报道。但是有学者研究了其他脆性材料( 如 岩石等) 加工的机理，广东工业大学王成勇教授对岩石破碎过程的研究 表明：脆性岩石结构特征使其在切削过程中压碎域可以传递切削力【5 9 1 。 3 9 广东工业大学硕士学位论文 结合这一结论对石墨材料硬脆性对切削力波动解释如下：由于石墨为典 型硬脆材料，产生压实域并非为固定实体，主要是依靠破碎石墨粉尘颗 粒之间的相互粘附和摩擦来维持和保持切削力平衡和传递切削力。随切 削过程不断进行，压碎域形状、大小以及压碎域内石墨粉尘粘附状况、 摩擦挤压情况时刻变化，它所传递切削力也在时刻产生变化。从而造成 石墨出现随机变化切削力。 m a c h i n ed m i 。，t6 01w o r kp i e c em a t e r i a lst o j0ia n s o i s o 一6 3 c u t t i n gc o n d i t i o nd r ym i l l i n g t o o l 7 ( e n d f 1 1 1 1 1d i a m e t e r6 r a mn u m b e r0 ff l u t e s ：3 r o t a t i o ns p e e dn12 7 3 2 r m l nf e e dp e r t o o t hf 100 9 m n l zr a d i a ld e p t ho lc u tr d03 m m 1 5 0 10 0 l 2 5 0 芎 一 挈0 三 = j 一5 0 图4 4 硬质合金刀具高速切削石墨切削力特性 f i g 4 4c h a r a c t e ro fc u t t i n gf o r c e sw i t hw ct o o l s 切削力合力和对应的分力随切削时间( 数据采集点数) 呈现波动现 象。根据切削力这一特征可以把切削力分为切削趋势量和切削力随机量 两个部分。前者在时域上按照一定幅值和频率规律变化，后者以小尖峰 形式围绕趋势量上下随机波动。在时域范围内切削力可以看成是两者波 动的叠加结果。 石墨切削加工时的切削力与金属切削力相比较具有较大的波动性， 第四章金刚石涂层刀具高速铣削石墨切削力研究 且波动频率和幅度较大，其主要原因分析如下：( 1 ) 石墨材料为典型硬 脆材料，室温拉伸不存在塑性变形阶段，只是很小的弹性变形后立即产 生脆性断裂。脆性断裂破坏特性是石墨切削力波动性的主要原因。见本 文第六章如图6 3 ( a ) 所示，当脆性材料( 如石墨) 出现大规模挤裂时切 削力会出现比较大的波动；( 2 ) 石墨材料的结构组成不均匀，刀具切削 刃在切削过程中的每个不同瞬间所切削的石墨材料颗粒都是不相同的， 不同颗粒具有不同的强度、硬度、脆性等特性，所以切削力不稳定；( 3 ) 此外，石墨材料存在显微缺陷，如气孔，石墨的断裂强度随着气孔率增 大而降低，并且随气孔形状与外载方向的变化而变化，同时气孔在石墨 中的位置分布也是不均匀的，其大小和形状相对切削刀具的作用方向是 随机的，这也使得石墨切削变得不稳定，从而导致了切削力的波动性， 并产生一定的切削振动；( 4 ) 石墨中存在的各种硬质点和软质点会造成 切削情况产生变化，也会引起切削力波动现象。( 5 ) 金刚石涂层刀具表 面存在聚集的金刚石颗粒，在局部区域出现突出点，刀具表面不光滑也 会引起切削力波动。( 6 ) 切削力出现波动也还可以参考脆性材料切削机 理来分析，但研究两者关系比较复杂，有待于继续深入研究。 如图4 3 ，图4 4 所示，为t i a l n 涂层刀具和硬质合金刀具高速铣削 石墨时切削实力的特征。对比图4 2 可见，t i a l n 涂层刀具和硬质合金刀 具高速加工石墨实时切削力特征一致，三者切削力显示为同样的规律， 但是三者切削力大小存在差异。 切削力波动过大会造成切削不稳定同时会引起工具系统出现振动现 象，此外，切削力波动过大会对石墨电极质量和尺寸精度造成影响，特 别是在一些薄片精加工时切削力波动会造成电极异常断裂和石墨破损等 后果。到目前为至，石墨加工过程中出现负切削力和比较大波动研究机 理理论仍未完全建立，在这方面的石墨切削机理方面研究还有待继续深 入。 4 2 高速铣削工艺参数对切削力的影响 4 2 1 切削速度 4 1 广东工业大学硕士学位论文 z 一 盎 2 2 量 = j u 三 、一 8 2 2