2 石墨電極高速切削機理

圖1 車削燒結炭和石墨時的切削過程
圖2 石墨高速銑削過程和刀具磨損形態
圖3 石墨電極材料的切削溫度
圖4 刀具磨損
• 石墨電極高速切削過程
• 石墨電極高速切削的切削力和切削溫度
Masuda（1996）用高速攝影觀察了燒結碳（2000℃以下燒結）和石墨（2500℃以上燒結）的車削過程（圖1），認為兩者的切屑形成過程大致是:在刀具切削刃與工件接觸時，產生了一條裂紋擴展，工件的一部分因刀具推進發生破碎，形成切屑。碳相材料切削時的大多數裂紋向下擴展，切屑散落于刀具表面或堆積在前刀面：石墨切削裂紋沿切削方向擴展，大多數切屑沿前刀面滑動，因而產生刀具月牙洼磨損。
K?:nig（1998）在研究石墨高速銑削過程后認為:石墨切屑的形成與陶瓷等脆性材料有很大相似之處，在刀尖處有擠壓破碎，形成細小切屑和細小凹坑，切削產生的裂紋會向刀尖前下方延伸擴展，再擴展到自由表面，形成斷裂凹坑，并可用斷裂力學來解釋：切屑與刀具前刀面的接觸狀態分為切削接觸沖擊區和切屑沿前刀面的滑移區，它們分別導致不同的刀具磨損形態（圖2）。
影響切削過程的因素主要有:切削速度、切削進給量、刀具幾何參數、工具材料和刀具磨損。
石墨電極材料的切削力只有切削鋁、銅等韌性金屬的10%左右，因此切削力通常不是研究的重點。而實驗測得石墨材料的車削溫度均不高，在Vc =500m/min 左右時，最高溫度在160～300℃之間，且與切削速度呈線性關系。據此推論，即使Vc = 500m/min，切削溫度也不會超過500℃，對切削過程的影響不太大（圖3）。#p#分頁標題#e#

3 石墨電極高速加工刀具磨損

• 石墨電極高速加工刀具磨損機理
• 影響高速加工刀具磨損的因素
石墨電極材料加工的主要刀具磨損區域為前刀面和后刀面。在前刀面上，刀具與破碎切屑區的沖擊接觸產生沖擊磨粒磨損，沿工具表面滑動的切屑產生滑動摩擦磨損。
1. 前刀面沖擊磨損 切屑顆粒在刀具前刀面產生的沖擊有兩種形式，一種是與前刀面呈一定角度的沖擊，這種沖擊導致表面層脫落或剝落：另一種是切削沖擊，即石墨切屑在刀具前刀面產生微切削，最大切削溝痕寬度達150nm，沖擊區磨損形成了前刀面月牙洼磨損（圖4）。
2. 前刀面滑動區刀具磨損 在前刀面的滑動磨損區，石墨碎屑對前刀面有一定的保護作用。后刀面磨損主要是刀具后刀面與已加工表面的機械摩擦磨損。

工件材料:EK85：晶粒尺寸:13?m：刀具:立銑刀，D=12mm，Z=2：切削條件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm
圖5 切削速度與刀具材料對刀具磨損的影響
1. 切削速度 切削速度增大，雖然大塊斷裂面積增加，但KT減小，KB大致不變，同時月牙洼磨損截面積減小。隨著切削速度的增大，在摩擦面生成的石墨潤滑膜增厚，表面磨損系數減小，所以刀具磨損下降很快，這也是采用高速加工石墨優越性的一個重要原因。
2. 刀具材料 刀具材料對沖擊磨損量的影響很大。一般刀具材料HV提高，則KT下降。刀具材料對刀具磨損的影響如圖5所示。
   1. 硬質合金刀具加工石墨電極材料時的磨損機理:在滑動區因微切削和表面疲勞破壞產生磨損：最終導致刀具粘結相（Co）磨粒磨損和耐磨損相（WC）的磨損、產生裂紋和斷裂脫落。增大WC 的顆粒尺寸和減小Co 相的顆粒尺寸，可使刀具磨損下降。刀具表面有時會有石墨粘結。
   2. 聚晶金剛石刀具磨損是由石墨切屑對結合相的磨損以及金剛石破碎后引起的二次磨粒磨損組成。刀具表面通常有一層粘附石墨形成的潤滑膜，其耐磨性是硬質合金K10的1～2倍。
   3. 金剛石薄膜刀具表面通常有強烈的石墨粘附，并有金剛石表面損傷破碎，沒有月牙洼磨損。它屬于宏觀沖擊磨損，而不是機械磨料磨損。涂層基體硬質合金表面處理效果影響涂層效率，也對刀具壽命有很大影響。金剛石薄膜刀具的壽命可達K10的100倍，并優于PCD刀具。
   4. 硬質合金涂層刀具（TiN等）可顯著改善刀具耐磨性。
   5. Al₂O₃陶瓷刀具并不適合切削石墨材料。
   
   工件材料:EK85：晶粒尺寸:13?m：刀具:平底立銑刀，D=12mm，Z=2：刀具材料:硬質合金K10：磨鈍標準:VB=0.1mm
   圖6 進給量和銑削寬度與刀具磨損的關系
   刀具:平底立銑刀，D=6mm，Z=2：刀具材料:硬質合金K10：磨鈍標準:VB=0.12mm：切削條件:Vc=600m/min，fz=0.06mm，ap=6mm，ae=1mm
   圖7 刀具角度對刀具磨損的影響
   刀具:平底立銑刀，D=6mm，Z=2：刀具材料:HM K10：切削條件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm
   #p#分頁標題#e#圖8 石墨電極材料對刀具磨損的影響
3. 進給量 提高銑刀每齒進給量，KB、KL、KT均增大。增加每齒的切削寬度，即增加了平均切屑厚度，因此切削沖擊上升，刀具磨損上升。從圖6中可看出銑削寬度大于銑刀半徑后切削狀況的改變。
4. 刀具角度 刀具前角增大，改變了切屑顆粒沖擊角度，KT下降，但KB變化不大：后角增大，則刀具鋒利性增大，后刀面磨損減小：主偏角的變化，改變了切削受力方向和實際切削面積，因此隨著主偏角增大，刀具磨損也下降，刀具耐用度得到提高（圖7）。
5. 石墨電極材料 石墨電極材料對刀具磨損有很大影響。如圖8所示，高速加工時石墨晶粒尺寸越小，刀具壽命越高，刀具壽命大致與抗彎強度和肖氏硬度呈正比。此外石墨電極材料石墨化程度及浸漬材料成分、填充材料粒度，也對刀具磨損有一定的影響。
6. 刀具結構 高速銑削常用球頭銑刀和平底銑刀進行加工。當采用球頭立銑刀加工曲面，其切削速度從外到里是下降的，因此刀具頂部易于磨損。平底立銑刀可加工臺階輪廓，加工余量波動強烈，加工出的工具輪廓波動使精加工刀具受到強烈損害。相同條件下這兩種刀具比較，平底立銑刀的切削距離比球頭立銑刀的長。
7. 銑削方向 在高速銑削加工中銑削加工方向是十分重要的。相同條件下進行順銑和逆銑加工時，由于破碎顆粒量的不同以及刀具實際切入沖擊的不同，刀具壽命也不相同，逆銑的刀具壽命高于順銑刀具壽命（圖9）。

工件材料:V1364：粒度:7?m：刀具:平底立銑刀，D=6mm：刀具材料:硬質合金K10：切削條件:Vc=600m/min，fz=0.074mm，ap=3mm，ae=0.35mm，Rth=5?m

機床費用:200DM/h：換刀時間:30s：工件材料:EK85：晶粒尺寸:13?m：切削條件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm：磨鈍標準:VB=0.1mm

4 石墨電極銑削加工策略

• 基本原則
• 加工條件的優化
• 石墨電極高速加工策略
• 棱柱面加工
• 切屑處理
傳統電加工工藝中電極垂直運動，因此相應的三軸銑削加工寬度不受限制。在NC控制的電火花機床上，為滿足一些特殊要求，可進行多軸和垂直進給電火花加工。電極幾何參數是很復雜的，難以根據幾何形狀分類，可根據型腔表面特征大致分為兩類:1）自由表面成形電極:有圓角調節面，無銳利腔體和邊角，可使用球頭銑刀加工，銑削加工路徑長，耗時多：2）棱柱面電極:由棱柱面構成，無圓角，有最簡單的彎曲面、柱面和銳角邊，通常可使用平底立銑刀加工。
石墨高速加工的經濟性關系到切削和磨損機理的影響，因此有必要針對刀具和加工工具幾何特性、機床、切屑處理等對切削參數、加工策略等進行優化。
前面詳細分析了影響石墨的加工機理和刀具磨損的若干因素，下面簡要闡述如何優化加工條件。
1. 刀具材料 粗加工時，切削速度越高，刀具磨損越小，加工成本也越低。當切削速度大于900m/min時，硬質合金刀具、金剛石涂層刀具和聚晶金剛石刀具的單位切削長度所需成本差別不大。因此推薦在低速切削時使用涂層金剛石刀具（圖10）。精加工時，計算每刀刃刀具成本時，金剛石涂層刀具最好，聚晶金剛石刀具次之，硬質合金刀具最差：但若計算單個刀具成本，由于聚晶金剛石刀具有較好的重刃磨性，因此聚晶金剛石刀具的刀具成本最低。推薦小直徑刀具使用金剛石涂層刀具，此時加工最經濟。 #p#分頁標題#e#
2. 刀具幾何參數 刀具前角、后角的增大，可增大容屑空間。粗加工時，前角在6°左右較好，后角應小于15°，刀具主偏角與側刃磨損無關。精加工時，前角在6～10°之間較好，盡管主偏角大時刀具磨損量下降，但這會導致表面粗糙度波動量增大，因此主偏角小于30°較好，太大則不適于精加工。
3. 切削參數 每齒切削量與刀具磨損相關，而進給量和切削速度的最大值與機床特性有關，同時刀桿承載和細刀桿加工時的動態振動也與機床性能有關。切削參數選擇原則為:1）根據機床、刀具夾頭等給定條件確定刀具齒數，防止刀具振動：2）在切削刀具強度、切削深度和切削寬度范圍內，計算最大許可每齒進給量：3）依據機床進給和機床進給加速度特性，在恒定每齒進給量時確定最大切削主軸轉速：4）最終選定穩定的最大主軸轉速，并使之與每齒進給量相適應。
   車削加工時推薦聚晶金剛石刀具的加工參數為:粗加工時V_c=200～400m/min，f_z=0.02～0.04mm/齒，切削深度小于1.5mm：精加工時V_c=25～100m/min，f_z=0.02～0.1mm/齒，切削深度小于0.5mm。
石墨電極高速粗加工和精加工的策略是不同的。一般粗加工應為精加工留較少的余量，所以在使用小直徑刀具時，應采用高進給（切削進給和走刀進給）。在使刀具磨損量最小化的前提下，獲得高的單位切削體積和單刀刃有效切入量，殘余切削量要滿足精加工的要求：精加工的目標是以最短的加工時間獲得最高的加工質量，應使最佳表面質量與最小刀具磨損量之比最佳化。加工時應提高加工速度、縮短加工時間，使切入量變化引起的加工過程不穩定最小化，使刀具壽命最大化。
自由表面成形電極的高速加工策略主要是優化考慮了局部加工余量的切削加工路徑。

工件材料:EK85：石磨粒度:13?m：刀具:球頭銑刀，D=10mm，Z=2
圖11 輪廓銑削與仿形銑削的比較
工件材料:EK85：晶粒尺寸:13?m：石墨粒度:D=6mm，Ik=50mm：刀具材料:硬質合金K10：切削條件:Vc=600m/min，fz=0.044mm，Rth=10?m
圖12 拉銑和鉆銑精加工策略
圖13 加工實例
1. 粗加工
   通常石墨電極是在整塊材料上進行的，加工余量很容易描述，其加工目標就是在最短時間內切除最大量的材料。粗加工可以采用仿形銑削或輪廓銑削的方式（圖11）。仿形銑削采用球頭銑刀，切削深度和切削寬度均在變化中，切削深度小，刀具磨損快，加工時間長：輪廓銑削采用平底銑刀，加工時間短，刀具磨損小。在輪廓銑削中，可沿包絡線軌跡進行銑削，即以之字形對加工面進給銑削后再加工，切削寬度固定，沒有太多的往復運動，通過快速加速可達到很大的進給量。沿輪廓軌跡加工則是采用傳統的加工方法，對局部的輪廓面依次加工。粗加工工藝的優劣取決于根據工具表面輪廓曲線函數進行的NC 編程，使得可沿包絡等高線進行快速、簡易的銑削加工。
2. 精加工
   精加工應使加工穩定，有較小的形狀誤差和良好的表面質量，同時刀具磨損量小。刀具磨損和加工成本是主要考慮的因素。在精加工中，對彎角的處理要考慮銑削方向對加工精度和表面質量的影響，后者與刀具承載和機床振動等有關。在沿曲面進給銑削時會出現拉銑（向上走刀）或鉆銑（向下走刀）現象，刀具的變形會導致工件輪廓偏差（圖12）。鉆銑的輪廓偏差小于拉銑加工，而逆銑加工輪廓偏差也優于順銑。因此考慮到刀具質量的臨界條件和加工過程穩定可靠性，沿平面輪廓銑削時的最佳策略應是采用逆銑和平面輪廓銑削的組合。此外在順銑時，包絡等高線銑削的切削刀具壽命大于鉆銑加工，逆銑時兩者差不多。 #p#分頁標題#e#
棱柱面加工的主要問題是模具局部邊角的斷裂，應主要考慮切削力的作用方向。下面以加工圖13中底板和立板各邊為例。
1. 加工底板邊 順銑時表面粗糙度變化不大，底邊角邊質量好，但逆銑時表面粗糙度值變大，底邊角邊質量下降（圖13a）。為獲得高質量邊角，應先對其邊進行順銑加工。
2. 加工立板 兩側邊在順銑時受力方向各不相同，即一邊是壓入，一邊是壓出（圖13b）。因此實際進給方向在切削各邊角時必須有所改變。
3. 加工立板頂面邊角 應通過改變逆銑時的切入點位置使切入位置可避免工件角邊破碎。刀具角度如主偏角等對這種崩邊有很大影響，一般控制在30°左右。
為了防止加工過程中產生缺角，還可采取以下措施:（1）在電極加工前先在加工液中浸泡：（2）使用耐磨性好的刀具：（3）采用順銑（向下走刀）的方法進行加工：（4）切削時減少刀具的切入量：（5）切削刀具的螺距切入量小于刀具直徑的1/2：（6）加工兩端部時進行減速加工：（7）加工下方時使用墊板增強終端面的剛性：（8）在對上面的彎曲部與側面之間的角部進行加工時，如果容易產生細小裂縫，則應在完成上面彎曲部的加工后，再對側面進行精加工。
盡管石墨是一種很穩定的材料，對人體健康沒有直接不良影響，用肥皂很容易清洗干凈。但是石墨切屑可能以粉塵、污染物等形式影響環境安全，此外粉塵也對人體有害。因此加工時最好使用吸塵設備和口罩。
切屑形態是通過粉屑、斷裂切屑以及所使用的切削介質來影響刀具磨損的。研究表明:濕切削時的石墨顆粒是由流動導致刀具磨損的，而外部吹風的干切削刀具壽命高于普通干切削加工。強烈吹風可避免石墨顆粒的二次磨損。加工浸漬電解質后的石墨時，刀具磨損急劇下降。
此外必須高度重視石墨粉末的清理，應配有將精加工石墨粉吸入潮濕裝置的設備，在粗加工時則要有清潔循環并間斷地過濾。