石墨材料加工技藝的提高才是減少石墨零件崩邊的關鍵

石墨材料加工技藝的提高才是減少石墨零件崩邊的關鍵
　　近年來，石墨模具需求大增，特別各種石墨異形零件。對歷年信瑞達石墨公司的報廢的石墨零件原因進行分析發(fā)現(xiàn)，由于零件崩邊產(chǎn)生的廢品約占20%. 由于材料難加工，加工效率低，使零件的生產(chǎn)進度受到嚴重影響。

　　石墨材料具有耐燒蝕、抗熱振等性能特點。但是由于其材質(zhì)特殊、切削性能差，加工質(zhì)量不易保證，特別是加工中容易產(chǎn)生崩邊缺陷，這些都成為非金屬加工的瓶頸之一。

　　信瑞達石墨制造公司為盡快解決石墨零件崩邊問題，提高石墨零件生產(chǎn)效率，以某型石墨前嵌環(huán)、喉襯及其組件殼體組合等機械加工為研究對象進行技術(shù)攻關，從加工方法、刀具及其切削參數(shù)等方面探索石墨材料加工技術(shù)，解決石墨零件的加工難題，對夯實非金屬加工技術(shù)，順利完成科研和批生產(chǎn)任務具有重要意義。

　　1 石墨材料簡介

　　 石墨材料主要是各種石墨模具用石墨，是由易石墨化、強度高、抗燒蝕性好的石油焦骨料和析焦量高的粘結(jié)劑制成。 石墨材料的生產(chǎn)過程包括混捏、磨粉、壓制、焙燒、石墨化等工序。在生產(chǎn)過程中經(jīng)過多次熱循環(huán)，材料內(nèi)部可能產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷，各批材料和每塊材料內(nèi)部的性能有一定分散性。

　　如果實際生產(chǎn)狀態(tài)偏離工藝規(guī)程，將會導致石墨材料質(zhì)量波動。比如：壓制工序是單件生產(chǎn)，采用熱壓工藝。熱壓前模溫、料溫必須達到要求（135 ～ 150℃），然后將料粉裝入模具，加壓后停止模具加熱，模具自然冷卻到 50 ℃以下時允許吹風冷卻，37 ℃以下脫模。每次壓制一件產(chǎn)品，需要五個多小時，如果壓力不夠，可能產(chǎn)生氣孔、疏松、裂紋；溫度不夠，可能產(chǎn)生分層；冷卻過快，可能產(chǎn)生裂紋等。因此，石墨生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制對材料的性能有很大影響，如質(zhì)量控制產(chǎn)生波動，在材料上的表現(xiàn)形式是多方面的，包括裂紋、疏松、氣孔等。

　　石墨材料一般制成圓柱體或方形體結(jié)構(gòu)，要求內(nèi)部不允許有裂紋和直徑大于1mm的空洞。

　　石墨材料的切削力只有切削鋁、銅等金屬材料的10%左右，車削溫度不高，最高溫度在 160～300℃之間，且與切削速度呈線性關系。但材料脆性大，加工中容易產(chǎn)生缺陷，加工表面質(zhì)量不易保證。

　　總之，該材料屬于難加工脆性非金屬材料，組織的致密性、均勻性與金屬相比相差甚遠。

　　2 典型零件簡介

　　2.1 典型零件結(jié)構(gòu)特點

　　我廠制造石墨模具零件大多為異型石墨件，結(jié)構(gòu)較為復雜。

　石墨材料零部件的外觀要求：

　?。?）零件表面不允許有裂紋。

　?。?）不允許深度超過0.1mm的劃傷，不允許深度超過0.1mm的碰傷。

　?。?）不允許最大尺寸大于0.5mm的崩邊。

　　 2.2 加工現(xiàn)狀

　　近年來，在石墨材料加工方面做了大量的工作，成功地采用了數(shù)控加工技術(shù)，使加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率得到較大幅度的提高。但是，在加工中表面缺損、崩邊、刀具磨損嚴重等問題尚未得到徹底解決。


　　3 加工難點分析

　　石墨材料具有極高的脆性，因此機械加工時，容易出現(xiàn)刀具磨損嚴重、邊角崩碎等現(xiàn)象。在加工零件時，機床運動方向的頻繁改變、刀具切入和切出時方向和角度的變化、微小的切削振動、刀具的磨損和破 損等也會導致刀具對工件產(chǎn)生沖擊，造成零件崩邊、刀具磨損嚴重等許多問題。

　　石墨材料的的車削過程大致是：在刀具切削刃與工件接觸時，工件的一部分因刀具推進發(fā)生破碎，形成“切屑”，切屑散落于刀具表面或堆積在前刀面，大多數(shù)切屑沿前刀面滑動，因而容易產(chǎn)生刀具月牙洼磨損。

　　另一方面，石墨材料的致密性、均勻性遠比金屬差，切削中刀尖承受的沖擊力更大，也更容易造成刀具磨損、零件崩邊。

　　4 解決措施

　　4.1 改進加工方法

　　4.1.1 優(yōu)化切削路徑

　　前嵌環(huán)、喉襯是由棒材加工成圓管，再由圓管加工成錐套，錐面上的余量較大。原來采用的是與錐面母線方向平行的“等距法”，加工路徑如圖7所示。這種切削方法空行程路徑長，加工效率低下。如果要提高效率，就得提高切削用量，刀具耐用度會降低，容易出現(xiàn)崩邊缺陷。

　　在保證零件質(zhì)量的前提下，進行改進，采用“平行切法”加工錐面，粗車去余量，路徑如圖8（a）；再按圖8（b）所示的路徑精車，將切削退出位置設置在錐面內(nèi)部，避開棱邊處。這樣，不僅加工效率提高了50%以上，而且對防止崩邊缺陷起到有效地作用。

　　4.1.2 分粗、精加工

　　如上所述，前嵌環(huán)、喉襯加工余量大，材料脆、硬、均勻性差，加工中帶有沖擊現(xiàn)象。為消除切削中出現(xiàn)崩邊缺陷，同時提高加工效率，分粗、精加工是解決問題的技術(shù)途徑之一。

　　將現(xiàn)場的加工程序優(yōu)化為粗、精加工，分別由粗、精刀具進行加工。粗加工以提高加工效率為主，切削深度一般取0.7~1mm；精加工對粗加工后的表面進行精細加工修復，采用小切深加工，切削深度一般用0.1~0.25mm. 這樣大大提高了刀具耐用度（刃口鋒利的持久性），有效防止了因刀具磨損而損 壞導致的崩邊缺陷。

　　4.2 選擇合適的刀具與切削參數(shù)

　　由于石墨材料脆性較高，致密度較差，故切削刀具應滿足硬度高、鋒利、耐沖擊與耐磨性良好等基本要求。

　　人造金剛石是一種超硬材料，它是在高溫、高壓和其他條件配合下由石墨轉(zhuǎn)化而成的。制成刀片形狀鑲焊在刀桿上，用于車削。人造金剛石的硬度很高，耐磨性很好，適用于加工非鐵金屬、非金屬材料。

　　立方氮化硼是用高溫、高壓的方法制成的，原料是結(jié)構(gòu)與石墨相似的六方氮化硼。該材料與人造金剛石相比，硬度略低，但熱穩(wěn)定性好，適用于加工黑色金屬和難加工材料。

　　硬質(zhì)合金硬度較高，耐磨性較好，但刃口不易磨鋒利。

　　因此，選用人造金剛石、立方氮化硼、硬質(zhì)合金等三種硬度較高、耐磨性較好的刀具材料進行切削對比。

　　為選擇三種刀具對應的合適切削參數(shù)，先進行了摸底切削試驗：

　　由于機床本身轉(zhuǎn)速限制，切削的線性速度最高可以在130m/min~150m/min之間。進給深度按4.1.2中設置。
　　人造金剛石刀具，切削的線性速度設置在 150m/min，進行切削T705石墨材料100件，發(fā)現(xiàn)刀具磨損正常，而且零件加工質(zhì)量穩(wěn)定。

　　立方氮化硼刀具，切削線性速度設置在120 m/min ~ 150 m/min之間，進行切削T705石墨材料，加工60~80件零件后刀面磨損嚴重，且由于刀具磨損造成個別零件輕微崩邊；切削線性速度設置在80m/min~100m/min之間，刀具磨損正常。

　　選用硬質(zhì)合金刀具，切削速度在100m/min ~ 120m/min以之間，刀具急劇磨損，無法進行正常切削：切削速度在80 m/min ~ 100 m/min 之間，加工50件石墨零件后，刀具磨損嚴重，且由于刀具磨損造成個別零件崩邊；切削線性速度在80 m/min以下，刀具磨損正常。

　　選用硬質(zhì)合金刀具加工時，刀具前角對加工質(zhì)量也存在明顯的影響。分別采用正前角和負前角各加工10件零件。切削效果：采用正前角加工時候，切削力比較小，零件表面質(zhì)量穩(wěn)定。采用負前角加工時，發(fā)現(xiàn)其中5 件零件發(fā)現(xiàn)零件存在不同程度的崩邊。

　　結(jié)論：石墨的車削效果與刀具前角γ密切相關，采用正前角切削時，壓應力較小，可減少已加工表面破碎，有利于提高工件表面質(zhì)量。采用負前角切削時，壓應力增大，可促進石墨材料的破碎，更易形成大塊的斷裂塊屑。

　　結(jié)論：金剛石刀具加工石墨材料效果更好，耐用度最高，為加工中首選刀具；其次選用硬質(zhì)合金刀具；不推薦使用立方氮化硼刀具。

　　4.3 改善排屑條件

　　石墨材料的切屑形態(tài)是通過粉屑、斷裂切屑以及所使用的切削介質(zhì)來影響刀具磨損。濕切削時的石墨顆粒是由流動導致刀具磨損，而外部吹風的干切削刀具壽命高于普通干切削加工，故要求加工石墨零件時不允許加任何的冷卻液，且采用專用的抽 風除塵設備。

　　現(xiàn)場所使用的專用抽風除塵設備經(jīng)多年使用，已經(jīng)老化，功能下降，抽風除塵效果不佳。對現(xiàn)場加工的刀具的耐用度也產(chǎn)生一定的不良影響。為此，對除塵設備進行了大修并更換了新的除塵系統(tǒng)。

　　5 實施效果

　　經(jīng)過工藝攻關，掌握了石墨材料的切削特性，系統(tǒng)的形成各種石墨零部件加工工藝方法、工藝條件、切削參數(shù)和刀具等，解決該脆性材料加工中出現(xiàn)崩邊、掉棱缺陷等問題，滿足生產(chǎn)要求。攻關成果已應用于石墨零件的批生產(chǎn)中，經(jīng)過7個批次零件的加工的生產(chǎn)驗證，技術(shù)措施可行，效果良好，質(zhì)量穩(wěn)定，無一例因崩邊缺陷、尺寸超差原因 造成的不合格品，而且生產(chǎn)效率提高了50%以上。解決了石墨材料加工中易產(chǎn)生崩邊缺陷的技術(shù)難題。

　　目前，工藝成果已經(jīng)在各型號產(chǎn)品多批零件生產(chǎn)中得到驗證，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，極大的降低了由于崩邊產(chǎn)生的零件廢品，機械加工合格率穩(wěn)定在 98%以上。
　　6 結(jié)束語
　　綜上分析可知：
　?。?）加工石墨零件采用金剛石刀具加工效果更好，耐用度最高。
　?。?）石墨材料加工宜采用低速、小進給切削參數(shù)、分粗、精加工的方式，不僅能防止崩邊的發(fā)生，更有利于提高刀具耐用度。
　?。?）采用“平行切法”的加工方法能夠保證零件表面質(zhì)量，同時提高加工效率。

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