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  [圖文]石墨加工專用刀具的特點與應用          【字體:
石墨加工專用刀具的特點與應用
作者:liven    專題來源:切削技術網    點擊數:5430    更新時間:2011-3-14    
刀具的材料、幾何角度、涂層、刃口強化及切削加工條件,在刀具的使用壽命中扮演著不同的角色,缺一不可,相輔相成。一把好的石墨刀具,應具備流暢的石墨粉排屑槽、長的使用壽命、能夠進行深雕刻加工,能節約加工成本。
與銅電極相比,石墨電極具有電極消耗小、加工速度快、機械加工性能好、加工精度高、熱變形小、重量輕、表面處理容易、耐高溫、加工溫度高、電極可粘結等優點。盡管石墨是一種非常容易切削的材料,但由于用作EDM電極的石墨材料必須具有足夠的強度,以免在操作和EDM加工過程中受到破壞,同時電極形狀(薄壁、小圓角、銳變等)也對石墨電極的晶粒尺寸和強度提出了較高要求,這導致在加工過程中石墨工件容易崩碎,刀具容易磨損。
刀具磨損是石墨電極加工中最重要的問題。磨損量不僅影響刀具損耗費用、加工時間、加工質量,而且影響電極EDM加工工件材料的表面質量,是優化高速加工的重要參數。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。
影響刀具磨損的主要因素包括:

1 刀具材料

刀具材料是決定刀具切削性能的根本因素,對于加工效率、加工質量、加工成本以及刀具耐用度影響很大。刀具材料越硬,其耐磨性越好,硬度越高,沖擊韌性越低,材料越脆。硬度和韌性是一對矛盾,也是刀具材料所應解決的一個關鍵問題。對于石墨刀具,普通的TiAlN涂層可在選材上適當選擇韌性相對好一點的,也就是鈷含量稍高一點的;對于金剛石涂層石墨刀具,可在選材上適當選擇硬度相對高一點的,也就是鈷含量稍低一點的。

2 刀具幾何角度

石墨專用刀具選擇合適的幾何角度,有助于減小刀具的振動,反過來,石墨工件也不容易崩缺。

2.1 前角

采用負前角加工石墨時,刀具刃口強度較好,耐沖擊和摩擦的性能好,隨著負前角絕對值的減小,后刀面磨損面積變化不大,但總體呈減小趨勢,采用正前角加工時,隨著前角的增大,刀具刃口強度被削弱,反而導致后刀面磨損加劇。負前角加工時,切削阻力大,增大了切削振動,采用大正前角加工時,刀具磨損嚴重,切削振動也較大。

2.2 后角

如果后角增大,則刀具刃口強度降低,后刀面磨損面積逐漸增大。刀具后角過大后,切削振動加強。

2.3 螺旋角

螺旋角較小時,同一切削刃上同時切入石墨工件的刃長最長,切削阻力最大,刀具承受的切削沖擊力最大,因而刀具磨損、銑削力和切削振動都是最大的。當螺旋角較大時,銑削合力的方向偏離工件表面的程度大,石墨材料因崩碎而造成的切削沖擊加劇,因而刀具磨損、銑削力和切削振動也都有所增大。因此,刀具角度變化對刀具磨損、銑削力和切削振動的影響是前角、后角及螺旋角綜合產生的,所以在選擇時一定要多加注意。

3 刀具涂層

金剛石涂層刀具具有硬度高、耐磨性好、摩擦系數低等優點。在現階段,金剛石涂層是石墨加工刀具的最佳選擇,也最能體現石墨刀具優越的使用性能。金剛石涂層硬質合金刀具的優點是:綜合了天然金剛石的硬度和硬質合金的強度及斷裂韌性。但是,目前在國內,金剛石涂層技術還處于起步階段,還有成本的投入也很大,所以金剛石涂層在近期不會有太大發展。不過,我們可以在普通刀具的基礎上,優化刀具的角度、選材和改善普通涂層的結構,在某種程度上,還是可以在石墨加工中應用的。
金剛石涂層刀具與普通涂層刀具的幾何角度有本質區別,因此,在設計金剛石涂層刀具時,由于石墨加工的特殊性,其幾何角度可適當放大,容屑槽也變大,而不會降低刀具刃口的耐磨性。對于普通的TiAlN涂層,雖然與無涂層刀具相比,其耐磨性有顯著提高,但比起金剛石涂層來說,在加工石墨時其幾何角度應適當減小,以增加其耐磨性。
對金剛石涂層來說,目前世界上眾多涂層公司均投入大量人力物力來研究開發相關技術,但迄今為止,國外技術成熟而經濟性又好的涂層公司僅限于歐洲企業。

4 刀具刃口強化

刀具刃口的鈍化是一個還不被人們普遍重視,而又十分重要的問題。用金剛石砂輪刃磨后的硬質合金刀具切削刃,存在程度不同的微觀缺口(即微小崩刃與鋸齒)。石墨的高速切削加工對刀具性能和穩定性提出了更高要求,特別是金剛石涂層刀具,在涂層前必須經過刀口鈍化處理,才能保證涂層的牢固性和使用壽命。刀具鈍化的目的,就是解決刀具刃磨后的刃口微觀缺口的問題,減小其鋒利度,達到圓滑平整,既堅固又耐用的目的。

5 切削加工條件

切削加工條件的選擇對于刀具壽命有相當大的影響。

5.1 切削方式(順銑和逆銑)

順銑的切削振動小于逆銑。順銑時,刀具切入厚度從最大減小到零,刀具切入工件后,不會出現因切不下切屑而造成的彈刀現象,工藝系統剛性好,切削振動小;逆銑時,刀具的切入厚度從零增加到最大,刀具切入初期,因切削厚度薄,將在工件表面劃擦一段路徑,此時,刃口如果遇到石墨材料中的硬質點或殘留在工件表面的切屑顆粒,都將引起刀具的彈刀或顫振,因此逆銑的切削振動較大。

5.2 吹氣(或吸塵)和浸漬電火花液加工

及時清理工件表面的石墨粉塵,有利于減小刀具二次磨損,延長刀具使用壽命,減少石墨粉塵對機床絲杠和導軌的影響。

5.3 其它事項

選擇合適的高轉速及相應的大進給量。
綜合以上各點,刀具的材料、幾何角度、涂層、刃口強化及切削加工條件,在刀具的使用壽命中扮演著不同的角色,缺一不可,相輔相成。一把好的石墨刀具,應具備流暢的石墨粉排屑槽、長的使用壽命、能夠進行深雕刻加工,能節約加工成本。
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