石墨材料加工技艺的提高才是减少石墨零件崩边的关键

石墨材料加工技艺的提高才是减少石墨零件崩边的关键
　　近年来，石墨模具需求大增，特别各种石墨异形零件。对历年信瑞达石墨公司的报废的石墨零件原因进行分析发现，由于零件崩边产生的废品约占20%. 由于材料难加工，加工效率低，使零件的生产进度受到严重影响。

　　石墨材料具有耐烧蚀、抗热振等性能特点。但是由于其材质特殊、切削性能差，加工质量不易保证，特别是加工中容易产生崩边缺陷，这些都成为非金属加工的瓶颈之一。

　　信瑞达石墨制造公司为尽快解决石墨零件崩边问题，提高石墨零件生产效率，以某型石墨前嵌环、喉衬及其组件壳体组合等机械加工为研究对象进行技术攻关，从加工方法、刀具及其切削参数等方面探索石墨材料加工技术，解决石墨零件的加工难题，对夯实非金属加工技术，顺利完成科研和批生产任务具有重要意义。

　　1 石墨材料简介

　　 石墨材料主要是各种石墨模具用石墨，是由易石墨化、强度高、抗烧蚀性好的石油焦骨料和析焦量高的粘结剂制成。 石墨材料的生产过程包括混捏、磨粉、压制、焙烧、石墨化等工序。在生产过程中经过多次热循环，材料内部可能产生裂纹、气孔等缺陷，各批材料和每块材料内部的性能有一定分散性。

　　如果实际生产状态偏离工艺规程，将会导致石墨材料质量波动。比如：压制工序是单件生产，采用热压工艺。热压前模温、料温必须达到要求（135 ～ 150℃），然后将料粉装入模具，加压后停止模具加热，模具自然冷却到 50 ℃以下时允许吹风冷却，37 ℃以下脱模。每次压制一件产品，需要五个多小时，如果压力不够，可能产生气孔、疏松、裂纹；温度不够，可能产生分层；冷却过快，可能产生裂纹等。因此，石墨生产过程中的质量控制对材料的性能有很大影响，如质量控制产生波动，在材料上的表现形式是多方面的，包括裂纹、疏松、气孔等。

　　石墨材料一般制成圆柱体或方形体结构，要求内部不允许有裂纹和直径大于1mm的空洞。

　　石墨材料的切削力只有切削铝、铜等金属材料的10%左右，车削温度不高，最高温度在 160～300℃之间，且与切削速度呈线性关系。但材料脆性大，加工中容易产生缺陷，加工表面质量不易保证。

　　总之，该材料属于难加工脆性非金属材料，组织的致密性、均匀性与金属相比相差甚远。

　　2 典型零件简介

　　2.1 典型零件结构特点

　　我厂制造石墨模具零件大多为异型石墨件，结构较为复杂。

　石墨材料零部件的外观要求：

　　（1）零件表面不允许有裂纹。

　　（2）不允许深度超过0.1mm的划伤，不允许深度超过0.1mm的碰伤。

　　（3）不允许最大尺寸大于0.5mm的崩边。

　　 2.2 加工现状

　　近年来，在石墨材料加工方面做了大量的工作，成功地采用了数控加工技术，使加工质量和生产效率得到较大幅度的提高。但是，在加工中表面缺损、崩边、刀具磨损严重等问题尚未得到彻底解决。


　　3 加工难点分析

　　石墨材料具有极高的脆性，因此机械加工时，容易出现刀具磨损严重、边角崩碎等现象。在加工零件时，机床运动方向的频繁改变、刀具切入和切出时方向和角度的变化、微小的切削振动、刀具的磨损和破 损等也会导致刀具对工件产生冲击，造成零件崩边、刀具磨损严重等许多问题。

　　石墨材料的的车削过程大致是：在刀具切削刃与工件接触时，工件的一部分因刀具推进发生破碎，形成“切屑”，切屑散落于刀具表面或堆积在前刀面，大多数切屑沿前刀面滑动，因而容易产生刀具月牙洼磨损。

　　另一方面，石墨材料的致密性、均匀性远比金属差，切削中刀尖承受的冲击力更大，也更容易造成刀具磨损、零件崩边。

　　4 解决措施

　　4.1 改进加工方法

　　4.1.1 优化切削路径

　　前嵌环、喉衬是由棒材加工成圆管，再由圆管加工成锥套，锥面上的余量较大。原来采用的是与锥面母线方向平行的“等距法”，加工路径如图7所示。这种切削方法空行程路径长，加工效率低下。如果要提高效率，就得提高切削用量，刀具耐用度会降低，容易出现崩边缺陷。

　　在保证零件质量的前提下，进行改进，采用“平行切法”加工锥面，粗车去余量，路径如图8（a）；再按图8（b）所示的路径精车，将切削退出位置设置在锥面内部，避开棱边处。这样，不仅加工效率提高了50%以上，而且对防止崩边缺陷起到有效地作用。

　　4.1.2 分粗、精加工

　　如上所述，前嵌环、喉衬加工余量大，材料脆、硬、均匀性差，加工中带有冲击现象。为消除切削中出现崩边缺陷，同时提高加工效率，分粗、精加工是解决问题的技术途径之一。

　　将现场的加工程序优化为粗、精加工，分别由粗、精刀具进行加工。粗加工以提高加工效率为主，切削深度一般取0.7~1mm；精加工对粗加工后的表面进行精细加工修复，采用小切深加工，切削深度一般用0.1~0.25mm. 这样大大提高了刀具耐用度（刃口锋利的持久性），有效防止了因刀具磨损而损 坏导致的崩边缺陷。

　　4.2 选择合适的刀具与切削参数

　　由于石墨材料脆性较高，致密度较差，故切削刀具应满足硬度高、锋利、耐冲击与耐磨性良好等基本要求。

　　人造金刚石是一种超硬材料，它是在高温、高压和其他条件配合下由石墨转化而成的。制成刀片形状镶焊在刀杆上，用于车削。人造金刚石的硬度很高，耐磨性很好，适用于加工非铁金属、非金属材料。

　　立方氮化硼是用高温、高压的方法制成的，原料是结构与石墨相似的六方氮化硼。该材料与人造金刚石相比，硬度略低，但热稳定性好，适用于加工黑色金属和难加工材料。

　　硬质合金硬度较高，耐磨性较好，但刃口不易磨锋利。

　　因此，选用人造金刚石、立方氮化硼、硬质合金等三种硬度较高、耐磨性较好的刀具材料进行切削对比。

　　为选择三种刀具对应的合适切削参数，先进行了摸底切削试验：

　　由于机床本身转速限制，切削的线性速度最高可以在130m/min~150m/min之间。进给深度按4.1.2中设置。
　　人造金刚石刀具，切削的线性速度设置在 150m/min，进行切削T705石墨材料100件，发现刀具磨损正常，而且零件加工质量稳定。

　　立方氮化硼刀具，切削线性速度设置在120 m/min ~ 150 m/min之间，进行切削T705石墨材料，加工60~80件零件后刀面磨损严重，且由于刀具磨损造成个别零件轻微崩边；切削线性速度设置在80m/min~100m/min之间，刀具磨损正常。

　　选用硬质合金刀具，切削速度在100m/min ~ 120m/min以之间，刀具急剧磨损，无法进行正常切削：切削速度在80 m/min ~ 100 m/min 之间，加工50件石墨零件后，刀具磨损严重，且由于刀具磨损造成个别零件崩边；切削线性速度在80 m/min以下，刀具磨损正常。

　　选用硬质合金刀具加工时，刀具前角对加工质量也存在明显的影响。分别采用正前角和负前角各加工10件零件。切削效果：采用正前角加工时候，切削力比较小，零件表面质量稳定。采用负前角加工时，发现其中5 件零件发现零件存在不同程度的崩边。

　　结论：石墨的车削效果与刀具前角γ密切相关，采用正前角切削时，压应力较小，可减少已加工表面破碎，有利于提高工件表面质量。采用负前角切削时，压应力增大，可促进石墨材料的破碎，更易形成大块的断裂块屑。

　　结论：金刚石刀具加工石墨材料效果更好，耐用度最高，为加工中首选刀具；其次选用硬质合金刀具；不推荐使用立方氮化硼刀具。

　　4.3 改善排屑条件

　　石墨材料的切屑形态是通过粉屑、断裂切屑以及所使用的切削介质来影响刀具磨损。湿切削时的石墨颗粒是由流动导致刀具磨损，而外部吹风的干切削刀具寿命高于普通干切削加工，故要求加工石墨零件时不允许加任何的冷却液，且采用专用的抽 风除尘设备。

　　现场所使用的专用抽风除尘设备经多年使用，已经老化，功能下降，抽风除尘效果不佳。对现场加工的刀具的耐用度也产生一定的不良影响。为此，对除尘设备进行了大修并更换了新的除尘系统。

　　5 实施效果

　　经过工艺攻关，掌握了石墨材料的切削特性，系统的形成各种石墨零部件加工工艺方法、工艺条件、切削参数和刀具等，解决该脆性材料加工中出现崩边、掉棱缺陷等问题，满足生产要求。攻关成果已应用于石墨零件的批生产中，经过7个批次零件的加工的生产验证，技术措施可行，效果良好，质量稳定，无一例因崩边缺陷、尺寸超差原因 造成的不合格品，而且生产效率提高了50%以上。解决了石墨材料加工中易产生崩边缺陷的技术难题。

　　目前，工艺成果已经在各型号产品多批零件生产中得到验证，质量稳定可靠，极大的降低了由于崩边产生的零件废品，机械加工合格率稳定在 98%以上。
　　6 结束语
　　综上分析可知：
　　（1）加工石墨零件采用金刚石刀具加工效果更好，耐用度最高。
　　（2）石墨材料加工宜采用低速、小进给切削参数、分粗、精加工的方式，不仅能防止崩边的发生，更有利于提高刀具耐用度。
　　（3）采用“平行切法”的加工方法能够保证零件表面质量，同时提高加工效率。

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