石墨的铣削与刀具的选择

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石墨组织中有大量的孔隙，因而比较疏松，密度小。石墨具有良好的润滑性和耐磨性，抗弯强度和抗压强度均较低，硬度较高脆性大。对于薄壁的石墨工件如薄壁电极加工时，刀具磨损快，切削时易产生让刀，工件容易振动，产生边角崩裂、掉边等现象，是比较难加工的材料。

一、石墨的加工特点

1.让刀与回弹

1）电极壁薄，刚度很低，切削刃切入工件时，工件产生弹性变形，从而产生让刀，产生欠切现象，使壁厚局部增大。壁厚越薄、高度越高，产生的弹性变形量越大，让刀越严重。而当刀齿切出后工件回弹，又产生过切，使工件局部变薄。

2）切削刃磨损后，变得不锋利，切削刃切入困难，切削力增大，更加大工件的让刀量。同时对工件的冲击更大，易使边角处石墨产生崩碎现象。

3）高速旋转的铣刀，由于安装误差或刀柄动平衡偏差，造成刀具有较大的偏摆，从而对工件产生较大的冲击，引起过切甚至使脆性大的石墨工件折断。

4）由于让刀和回弹，使工件产生振动，加工表面产生波纹使表面粗糙度值增大；产生欠切或过切使加工表面凸凹不平，使表面粗糙度值更大。

5）由于过切会使壁的上部厚减小，让刀使壁的上部厚度增大，两者都会使壁厚尺寸超差，加工尺寸精度不易保证。

2.切削力波动较大

切削力与让刀和工件回弹有着因果关系，让刀与工件的回弹主要由切削力过大而引起，同时让刀和回弹又会导致切削力变动，从而加大刀具对工件产生冲击，如此又加剧了让刀和回弹。因此极薄的电极表面产生波纹、凸凹不平。

由此可见，减小切削力是实现薄壁石墨电极高效、高质量、低成本加工的重要措施。

二、刀具的选择

1.刀具材料

高速铣削石墨材料主要是采用AlTiN涂层或金刚石涂层的硬质合金铣刀，涂层硬度高，耐磨损；而超细晶粒的硬质合金韧性好强度高，抗冲击，切削刃不易产生破损。

德国施耐尔刀具公司专门生产加工石墨的铣刀，采用AlTiN涂层的超细颗粒硬质合金铣刀（颗粒度小于0.2μm），是加工石墨的首选，基体材料超细硬质合金强度高抗冲击，晶颗超细，切削刃可以刃磨得锋利；AlTiN涂层硬度高达4500～4900HV，耐磨损，因此最适合加工石墨材料。

2.刀具几何参数（图2-180）

（1）前角 石墨是多层脆性材料，在切削力的作用下，石墨会发生层状脆性破碎，而不是产生弹性变形。为防止加工表面石墨的块状崩碎，留下微小凹坑，应采用正前角，减小压应力，可以减少已加工表面的破损，有利提高加工表面的质量。由于硬度较高，又不宜采用较大前角，粗铣一般前角γo=5°～6°，精铣γo=10°。

（2）后角 由于石墨硬脆，切削薄壁的工件产生弹性变形较大，刀齿切过后产生的弹性回复较大，为减少后面的磨损，所以后角选择较大，粗铣αо=9°～10°，精铣αо=5°～6°。

（3）螺旋角 由于薄壁的石墨电极，刚性很低，铣削时要减小进给力，防止零件产生振动，所以应选择较小的螺旋角，通常螺旋角β=15°。但如果螺旋角太小，铣削时刀齿对工件产生的冲击较大，使切削时振动加大。对于刚性好的石墨工件，应采用较大螺旋角的铣刀，使刀齿逐渐切入工件，减少对工件的冲击，减小切削的振动，其螺旋角β=30°～45°。

[size=0.85em]图2-180 GRAP型立铣刀

三、切削用量的选择

1.切削速度

随着温度的增高，石墨的脆性下降，韧性增加，强度增高，尽量使用金刚石铣刀，切削速度vc=500m/min左右时，最高切削温度也不超过500℃。所以应尽量采用较高的切削速度，提高切削温度降低石墨的脆性，提高石墨的强度，减少工件边角的崩碎程度。石墨的粒度小于1μm，最高肖氏硬度为83HS（相当39HRC），属于中等硬度，可以采用较高的切削速度。使用AlTiN涂层超细颗粒硬质合金铣刀的切削速度vc=180～200m/min。加工时采用小直径铣刀高转速切削，切削力小，加工稳定。

2.每齿进给量fz

由于石墨是硬脆性材料，铣削时要采用较小的吃刀量，产生薄切屑可以使石墨材料容易实现脆塑转化，使切削表面的石墨崩碎呈微细化，可以获得较好的表面质量。立铣刀铣削侧面时，每齿进给量fz=0.03～0.05mm/z。

3.吃刀量

对于立铣刀：侧吃刀量ae≤0.1Dc，背吃刀量ap≤（0.5～0.6）Dc；对于面铣刀：背吃刀量ap=0.1～0.5mm，侧吃刀量ae≤（0.4～0.6）Dc。选用较小的切削用量以减小切削力。

铣削石墨制品选择切削用量的原则：高速、小进给、小吃刀量。

四、铣削方法

采用石墨材料制作电火花加工中的电极，许多是用来加工模具中窄槽，这样要求石墨电极必须很薄，有的壁厚只有0.1～1.0mm，长度达到100mm左右。而石墨强度低，硬度较高，脆性大，加工时最容易产生边角崩碎、掉边，甚至折断。主要原因是铣削时刀齿对工件产生冲击，切削力波动大，壁薄刚性差产生振动或让刀产生欠切或过切，如图2-181所示。

[size=0.85em]图2-181 铣削产生欠切和过切示意图

1.提高工件装夹刚性

石墨电极壁薄刚性差，为了减小切削时产生让刀、振动、回弹，最主要的措施是提高工件的加工刚性。

1）对于厚度与长度比小于1∶10的石墨电极，应采用“阶梯对称”铣削法，可以减少让刀、振动，减少崩碎或掉边现象。

2）对于厚度与长度比大于1∶10以上的石墨电极，应将工件水平装夹，并且下面用可调螺杆支撑，提高工件的刚性。可防止工件因让刀而产生的欠切，也可以防止因铣刀刚性差产生弹性变形和过切现象。同时应从端部侧面进刀，采用顺铣进给路径。若采用正面进刀逆式铣削，刀齿刚进入工件边缘时，会对工件产生冲击力，由于工件刚性不好产生波动，将会产生“扎刀”，轻者产生工件掉边，重者将会使工件折断。

3）对于壁厚与长度比大于1∶20以上的石墨电极，采用夹与拉组合装夹法。将工件的长度加长10～15mm，在加长部分钻ϕ4mm孔，工件一端夹紧，另一端用拉杆拉紧，这样工件的刚性增强。如果壁厚与长度比在1∶50以上，在工件下面加多个支承，进一步提高工件的刚性。这种装夹方法可以采用较短的立铣刀，减小刀杆的变形量。

2.使用多齿、小直径、小螺旋角铣刀

尽量采用多齿铣刀，由于石墨脆性大，切下的切屑是细小的碎片和微细颗粒状（粒径为0.06～0.25mm），不需要较大容屑槽，排屑好，允许采用多齿铣刀；参加切削的刀齿多，可使切削比较均匀、平稳，减少对工件的冲击。铣刀直径小，小直径加上高转速，切削力小，铣刀受到的转矩小，减小铣刀的变形；切削力小，对工件的冲击力小；小螺旋角可使向上的进给力小，减小切削时的振动。三者组合可减少石墨崩碎或掉边。

3.干铣

铣削石墨应采用干铣，如有切削液渗入会影响石墨的纯度，降低石墨电极的放电性能。高速铣削时，石墨的碎屑会飞扬，对人、机床和环境造成污染，应采用真空吸附装置将粉尘吸到容器中，可经过滤再利用。

五、刀具的磨损特点

1）从图2-182、图2-183中可以看出：使用涂层铣刀，前面和后面更耐磨损，使用寿命更长。后面磨损达到0.15mm时，金刚石涂层刀具可以切削1970m，而未涂层刀具只能切削110m。试验表明：金刚石涂层刀具寿命是未涂层刀具的15倍以上。

[size=0.85em]图2-182 切削长度与刀具磨损曲线

[size=0.85em]图2-183 月牙洼深度KT随时间变化曲线

2）高速铣削石墨铣刀的磨损形式是以破损脱落为主（图2-184），图2-185为未涂层刀具切削110m时破损状况，图2-185为涂层刀具切削1970m的破损状况，可见涂层刀具耐磨性优于未涂层刀具。

[size=0.85em]图2-184 后面磨损宽度0.5mm时的磨损状况

[size=0.85em]图2-185 后面磨损形式

3）未涂层刀具后面的磨损速度快，而且磨损的后面一直呈“0°”的后角，这样加剧了刀具的磨损（图2-185a）而涂层刀具在磨损初期涂层薄膜脱落后，有极短长度负后角的刀面，起到支承作用，可以减轻切削时的振动，使切削稳定，从而可以减轻涂层的剥落，延长刀具的使用寿命。