高性能石墨高速銑削加工研究

高性能石墨作為電極（jí）材料（liào），具有強度高、電極消耗小（xiǎo）、加工速度快（kuài）、熱變形
小（xiǎo）和加工溫度高（gāo）等優點，在我國（guó）汽車、家電、通信和電子等行業製品的模具電火
花加工製造中應用日益廣泛，尤其在薄壁或微細電極製造和應用方麵具有銅電極
無法比擬的優勢。硬質合金微銑刀高速銑削技術是實現薄壁或微細石（shí）墨電極高效
高精度加工（gōng）的主要（yào）手段，但是由於缺乏石（shí）墨高（gāo）速銑削機理、刀具磨損機理以及高
速銑削（xuē）工藝優化等方麵的深入研究，實際生產中尚存在很多問題，不能充分發揮
高速銑削的優越性。本文根（gēn）據模（mó）具製造業對石墨高速銑削技（jì）術（shù）的迫切需要，著重
從高速銑削切屑形成（chéng）機理、刀具磨損機理、表麵質量、切削力以及典型薄壁（bì）結構
石（shí）墨電極工藝參（cān）數優化和編程策略優選等（děng）方麵對石墨（mò）高速銑削加工進行了係統深
入的理論和實驗研究，並（bìng）通過典型薄壁結構石墨電極高速銑削加工（gōng）實例驗證了研
究成果（guǒ）的合理性和實用性．
在石墨高速銑削切屑形成機理（lǐ）研究方麵，采用在線攝影法和材料微觀分析技
術，分別通過石墨（mò）正交切削和高速銑削研究，分析了（le）石墨切屑形成過程的基本特
征；結合高速銑削微銑刀的單（dān）齒（chǐ）最大切削（xuē）厚度與進給量和徑向切深的幾何（hé）關係（xì），
首（shǒu）次建立了高速銑削加（jiā）工條件（jiàn）與石（shí）墨切屑形態、切屑粒度分布、已加工表麵形貌、
表麵破碎率和表麵粗糙度的關係；分析了切屑形成過程與切削力特征和刀具磨損（sǔn）
的關係，提出了石墨高速銑削機理模型。研究結果表明（míng）：在石墨高速銑削過程中，
隨著單齒最大切削厚度的增加，石墨切屑由以準連續切屑為主逐漸向以擠壓顆粒
切屑為主和以斷裂塊屑為主轉（zhuǎn）變；每齒進給量和徑向切深通過影響單齒最大切削
厚度來改變石墨高（gāo）速（sù）銑（xǐ）削的切屑形成過（guò）程，降低每齒進給量（liàng）和徑向切深以（yǐ）及采用
逆（nì）銑加工可（kě）減小石墨（mò）表麵破碎率（lǜ）；增大切削速度對石墨高速銑削的切（qiē）屑形成過程
的影響較小；采用正前角切削更容易形成大（dà）塊斷裂塊屑，後（hòu）角和螺（luó）旋角對石墨切
屑形成過程的影響較小：切削力波形（xíng）隨石墨切屑（xiè）形成方式（shì）的變化而變化。采用圖
像處理法計算表麵破碎率，不僅作為石墨已加工表麵質量的評價指標，而且作為
係統研究石墨高速銑（xǐ）削機理、切削力和刀具磨損的重要研究手段，將其有機地應
用於本文的相關研（yán）究中。
在石墨高速銑削切削力（lì）研究方麵，結合切削條件變化對石墨高速（sù）銑削切屑形成過程、表麵破碎率以及後刀麵與工件（jiàn）表麵的（de）摩擦因數（shù）等因素的影響，研究了切

削參數、刀具幾何角度（dù）和石（shí）墨（mò）材料性能對石墨高速銑削切削力的（de）影響，分析了（le）切
削力的時域波形特征和頻域分量隨刀具磨損（sǔn）的變化趨勢，提出了減小切削力的高 速銑削工藝參數的基本選（xuǎn）擇原則。通（tōng）過基於（yú）田口方法的正交實驗設計，找出了影（yǐng）
響石墨（mò）高速銑削切削力的（de）主要（yào）因素．獲得了以最小切（qiē）削力為優化目標的工藝參數
最優水平組（zǔ）合。
在石墨／硬質合金副的摩擦磨損特性方麵，通過采用標準盤（pán）銷式摩擦實驗機進（jìn）
行（háng）滑動摩擦磨損實驗，以及采用改（gǎi）進型盤銷式摩（mó）擦磨損實驗裝（zhuāng）置進行磨粒磨損實
驗（yàn），模擬石墨高速銑削時切屑和工件（jiàn）材料與硬質合金刀具表麵（miàn）之間的摩擦磨損特
性，首次研究了（le）石墨／硬質（zhì）合金副的滑動摩擦磨（mó）損行為和磨粒磨損行為，為研究石
墨高速銑削的刀具磨損機理提供（gòng）了摩（mó）擦學理論基（jī）礎。(1)在石墨，硬質合金副的滑
動摩擦磨損特性方麵（miàn），研究了滑動摩擦磨損過程中法向載（zǎi）荷和滑動速度與摩擦副
表麵特征、摩擦因數和摩擦溫度的關係，研（yán）究結果表明：硬質合金銷（xiāo）表麵在摩擦（cā）
過程中形成了石（shí）墨轉移膜（mó）：硬質合金銷的磨損表麵（miàn）具有“拋光”磨粒磨損特征：
提（tí）高法向載荷和滑動速度，可促進轉移膜的形成，並降低摩擦因數和摩擦溫（wēn）度。
(2)在石墨／硬質合金副的磨粒磨損特性方麵，研究了磨粒（lì）磨損過程中WC晶粒
度、Co含量、法向載荷、滑動速度和塗層對摩擦副的表麵（miàn）顯微形貌、比磨損（sǔn）率和
摩擦因數的影響，研究結果表明：硬質合金的（de）磨損表麵具有“拋光”磨粒磨損和
“微切削”磨粒（lì）磨損特征；硬質合金的比磨損率和摩擦因數隨WC晶（jīng）粒度和Co
含量的減小而顯（xiǎn）著降低，隨法（fǎ）向載荷增大而增大，但受滑動速度的影響較小；
AITiN塗層（céng）對石墨高速銑削用硬質合金（jīn）微銑刀具有（yǒu）抗磨減摩作用，但並不十分顯
著。(3)通過在摩擦副接觸表麵（miàn）上添加石墨切（qiē）屑（xiè），研究了石墨切屑對摩擦副（fù）滑動
摩擦磨損特性的影響，研究結果表明：石墨切屑可減小摩擦因數和摩擦溫度，並
使摩擦因（yīn）數隨著法向載荷減小和滑動速度提高而降低。
在硬質合金微銑刀高速銑削石墨的刀具磨（mó）損和破損研究方麵，分析了石墨高（gāo）
速銑削過程中的摩擦學條件，揭示了（le）塗層和非（fēi）塗層硬（yìng）質合金微銑刀高速銑削石墨
的刀具磨損和破損形態及（jí）其機理，研究結果表明塗層早期剝落（luò）是塗層的（de）早（zǎo）期破損
形式，“拋光”磨粒磨損（sǔn）是塗層硬質合金微銑刀（dāo）在穩（wěn）定磨損期的主要磨損機（jī）理。首
次研究了WC晶粒度和Co含（hán）量對（duì）硬質合金微銑刀高（gāo）速（sù）銑削石墨（mò）的耐磨粒磨損（sǔn）性（xìng）
和抗衝擊性的影響，結果表明硬質合金微銑刀的耐（nài）磨粒磨損性隨著wC晶粒度和co含量（liàng）減小（xiǎo）而顯著提（tí）高，但Co含量太少時，又使得硬質合金微銑刀的（de）抗衝（chōng）擊性

出現顯著下（xià）降；7超細晶粒硬質合金O．2ttmWC--8％Co是最適合（hé）於石墨高速銑削的 硬質合金基（jī）體材料，為塗層硬質（zhì）合金微銑刀基體（tǐ）材料優選提供了依據。結合切削
條件變化對石墨高速銑削切屑形成過程、表麵破碎率以及後刀麵（miàn）與工件表麵的摩
擦因數等因（yīn）素的影響，研究了切削參數、刀具幾何角度和石墨材料性能對刀具磨
損的影響，提（tí）出減小刀具磨損的工藝參數優化策略；提出了減小刀具磨損的高速（sù）
銑削工藝參數的基（jī）本策略。通過（guò）基於田口方法的（de）正交實驗設計，找出了影響石墨（mò）
高速銑削刀具磨損的主（zhǔ）要因素，獲（huò）得了以實現最小刀具磨損（sǔn）為優化目標的工藝參
數最優水平組合。 在典型薄壁結構石墨電極的高速（sù）銑削工（gōng）藝研究方麵，綜合（hé）運用（yòng）全文的研究結
果（guǒ），針對典（diǎn）型（xíng）薄壁結構石墨電極高速銑削的工藝（yì）特點，首次製定和（hé）優（yōu）選了適用於（yú）
典型薄壁結構石墨電極高（gāo）速銑削的粗加工（gōng）、半精加工（gōng）和精（jīng）加工編程策略（luè）、加工工（gōng） 藝、工（gōng）藝參數和加工刀具，並對一（yī）個典型薄壁結構石墨電極的高速銑削加工實例，
製定了高速銑（xǐ）削加工工藝，編（biān）製了CNC高（gāo）速加（jiā）工程（chéng）序，成功地實現了厚度0．3ram、
厚高比為（wéi）l：53_3的薄壁石墨電（diàn）極的低成本高質量（liàng）高效率的高（gāo）速銑削加工，表麵（miàn）粗
糙度Ra僅為0，17ttm。
關（guān）鍵詞：高性能石墨，高速銑削，硬質（zhì）合（hé）金微銑刀，切（qiē）屑形（xíng）成機理，表麵破（pò）碎率，
切削力，磨粒磨損、刀具磨（mó）損和破損，工（gōng）藝參數（shù）優化，薄壁