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国家自然科学基金资助项目(项目编号:50605008)收稿日期:2008年10月
周玉海1 秦 哲2 陈选民1 彭 斐1
1广州铁路职业技术学院 2
广东工业大学
摘 要：介绍了各向同性石墨材料的制备工艺、性能特点及应用场合，综合评述了高速切削加工石墨材料的切削机理、刀具磨损、工艺参数和冷却方式的研究现状，对高速加工石墨的常用刀具进行了性能分析与比较。 关键词：石墨, 高速切削, 切削机理, 刀具磨损, 金刚石涂层刀具
Status of R esearch on H igh 2speed Cutting of G raphite Material
Zhou Y uhai Qin Zhe Chen Xuanmin et al
Abstract :The preparation technology ,per formance characteristics and application situation of is otropic graphite materials were introduced ,the research status of high 2speed cutting machining graphite materials ,including cutting mechanism ,tool wear ,process parameters and cooling ways ,was reviewed synthetically ,the cutting per formances of cutters usually used for high 2speed cutting of graphite materials were analyzed and com pared.
K eyw ords :graphite , high 2speed cutting , cutting mechanism , tool wear , diam ond 2coated tool
1 引言
各向同性石墨具有优良的润滑性、导电性、耐磨
性、耐火性、耐高低温性以及稳定的化学性质，被广泛应用于航空航天、核工业、精密模具等行业。在电火花加工领域，与传统的铜电极相比，石墨电极在精密复杂的薄壁、窄缝、沟槽、网格、微孔以及大尺寸电极加工方面表现出更好的适应性。石墨电极具有机械加工速度快、加工精度高、比重轻、耐高温、放电消耗小、热变形小、可粘结等诸多优点，可满足汽车、家电、通讯、电子等行业制品中对于复杂曲面、加强筋板、风冷翅片、细网结构等的加工要求，已逐步取代铜电极成为电火花加工电极的主流，在国外的模具制造行业中，铜电极与石墨电极的应用比例为：美国1∶9，欧洲和日本3∶7[
1]。图1所示为几种精密复杂的石墨电极。可以看出，石墨电极非常适合用于加工大体积模具以及具有微细筋槽、微孔结构、复杂曲面的汽车轮胎模、窄槽薄壁(壁厚011mm )模具等。
但是，由于各向同性石墨材料具有极高的硬度和脆性，因此在对其进行机械加工时，容易出现刀具磨损严重、工件边角崩碎等现象。在加工圆角或拐角时，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都会导致刀具对工件产生冲击，造成电极加工时出现工件崩角、崩碎甚至报废、刀具磨损严重等许多问题。
本文对各向同性石墨材料的特性、高速切削加工和刀具磨损机理、切削工艺参数和加工冷却方式等进行了综合评述，并分析了用超硬金刚石刀具加
工石墨材料存在的问题及解决方法。
图1 几种精密复杂石墨电极
2 石墨材料的制备工艺与性能指标
2.1 石墨材料的制备工艺
与传统的石墨挤压或模压制备方法不同，各向同性高性能石墨材料的制造工艺流程一般为：原料骨料→第一次粉碎、混合→混捏→第二次粉碎、混合
→冷等静压成形→一次焙烧→浸渍→二次焙烧→石墨化。各向同性石墨采用冷等静压(CIP )方法获得,
具有尺寸规格大、超微细颗粒结构、力学性能均匀等特性，可以满足精密加工大型电极的需求[2]。
2.2 石墨材料的性能指标评价石墨材料性能的指标主要包括颗粒尺寸、硬度、抗弯强度、密度、电阻率等。其中，石墨晶体平均粒径决定了石墨材料的硬度、强度等特性以及放电加工性能。市场供应的石墨电极材料粒径一般为
1～10μm 。粒径为1μm 的特微石墨电极具有高强度、良好的表面光洁度、极好的金属去除率和抗损
耗特性，是加工高光洁度表面和精细工件的理想材料。目前，放电加工(E DM )用各向同性石墨材料基本上还需依靠进口，生产厂家主要有日本的东洋炭素(T oy o T ans o )、东海碳素(T okai Carbon )、美国的步高(POC O G raphite )、德国的西格里(SG L Carbon )和法国的罗兰(Carbone Lorraine )等公司。表1为步高公司生产的E DM 石墨的性能指标
。
3 石墨材料高速切削加工研究现状石墨为典型的非均质硬脆难加工材料，其机械强度差，加工时易崩碎，刀具磨损严重。常规的车削、铣削、磨削工艺只能加工简单的石墨零件，无法满足各种复杂形状电极的加工要求。高速切削加工具有切削速度快、加工精度高、切削温度低、刀具受力小、工件表面质量高、可加工复杂零件等特点，是
石墨电极较理想的加工方法。配备了吸尘装置的石墨高速加工中心的主轴转速通常在10000～60000r/min 之间，切削速度可达60m/min ，加工壁厚可小至012mm ，加工圆角可小至012mm ，加工精度和表面质
量高，是实现石墨高效高精加工的主要手段。
3.1 石墨材料的切削机理
石墨为多层状晶体脆性材料。由于脆性破碎所需要的能量小于弹性变形，因此在切削力作用下，石墨会发生脆性破碎而不产生弹性变形，即石墨切削加工的材料去除机理为层状破碎而非弹性变形。在石墨的切削过程中，未见很高的切削温度和很大的切削力[3]。
油田载荷传感器利用高速摄影观察对比烧结碳和石墨的车削过程时可以发现，切屑形成过程是在刀具切削刃与工件接触时，产生一条扩展裂纹，工件的一部分因刀具推进而破碎，形成切屑。如图2所示[4]，切削烧结碳时，裂纹主要向下扩展，切屑散落于刀具表面或堆积在前刀面；切削石墨时，裂纹沿切削方向扩展，大多数切屑沿前刀面滑动。石墨的车削机理与刀具前角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
。
图2 烧结碳和石墨的车削过程
由高速铣削石墨的过程模型(见图3[5])可知,
石墨切屑的形成与切削陶瓷等脆性材料有很多相似之处，刀尖处会出现挤压破碎，形成细小切屑和凹坑，切削产生的裂纹会向刀尖前下方延伸，再扩展到
自由表面，形成断裂凹坑。高速铣削石墨时，切屑表面形貌为不规则断裂凹坑、微小凹坑和残留的碎断鳞片。在用T iAlN 涂层刀具高速铣削T oy oT ans o
IS O 263石墨时(切削条件:v =95m/min ,f z =0.06mm/z ,A d =015mm ,R d =1mm )[6]，切屑微观形态分别为
块状、条状、近似球形和鳞片状等(见图4)，尺寸约
为60～250μm ，平均粒径约为120～150μm 。随着切削厚度的增加，石墨切屑由准连续切屑向以挤压颗
粒切屑和断裂块屑转变。而增大切削速度对高速铣削石墨的切屑形成过程影响较小[7]。石墨的切屑形态、切屑粒度分布、已加工表面形貌、表面粗糙度与切削速度、主轴转速、进给量等切削条件密切相关
。
图3
高速铣削石墨的过程模型
(a )
块状(b )
条形
(c )
球形(d )鳞片状
图4 石墨切屑的微观形态
3.2 高速切削石墨的刀具磨损
虽然石墨可用作润滑剂，但在切削加工石墨时，刀具的磨损速度仍然超过了切削铜或钢等金属材料，刀具的平均寿命也较低。高速切削石墨时，切削深度极小，切屑呈微细粉尘颗粒状，即使采用了强力
吸尘装置，切屑也容易粘结、堆积在前后刀面和已加工表面上。高硬度的石墨颗粒类似于砂轮中的磨粒，可导致加工过程中刀具与工件及切屑间产生剧烈磨蚀，使刀具磨损严重。刀具的磨损、破损失效形式有前刀面磨粒磨损、后刀面磨损以及崩刃等。高速切削加工石墨常用的刀具材料主要有硬质合金、涂层硬质合金、金刚石涂层、PC D 等。
电烤箱温度控制系统
(1)硬质合金及其涂层刀具
用硬质合金刀具高速车削碳素石墨的研究发现，当WC 粒径增大时，刀具的硬度降低，但磨损率反而有所减小。在切削和磨损试验中发现，减少硬质合金材料中的C o 含量可以减小磨损率。WC (C o )硬质合金刀具的失效主要由WC 颗粒磨损造成，其失效过程主要为脆性破损。用硬质合金刀具高速加工石墨时，刀具的磨损非常严重，需要频繁检查刀具
磨损状况，及时更换失效刀具。因此，硬质合金刀具
在大尺寸或精密电极的加工上应用有限。
对用涂层和非涂层硬质合金铣刀高速铣削石墨时刀具磨损、破损形态及其机理的研究表明，涂层剥落是涂层的早期破损形式,“抛光”磨粒磨损是涂层硬质合金铣刀在稳定磨损期的主要磨损机理。硬质合金铣刀的耐磨粒磨损性能随着WC 粒度和C o 含
量的减小而显著提高,WC 硬质合金(粒度012μm ,C o
异形玻璃含量8%)最适合作为高速铣削石墨的硬质合金基体材料。在硬质合金刀具表面进行T iAlN 涂层后，刀具寿命未见明显提高。尽管对硬质刀具刀具进行了种种改进，但仍然无法彻底解决加工石墨时刀具磨损严重的问题，因此应采用高性能超硬刀具替代硬质合金刀具。
(2)金刚石涂层刀具
金刚石涂层刀具是在K 类硬质合金基体上用
化学气相沉积法(C VD )沉积一层厚度1～25μm 的金
刚石薄膜。这种金刚石薄膜涂层的硬度达9800～10000H V ，各向同性，无解理面。利用C VD 工艺可对各种复杂形状刀具进行金刚石涂层(见图5)。C VD
金刚石碳原子间的连接键为sp 3杂化共价键，具有
很强的结合力、稳定性和方向性。在扫描电镜下，刀具表面可见到清晰的柱状晶体金刚石(图6a )，且其表面金刚石能谱(图6b )表明，涂层为100%纯金刚石晶体，其晶体结构属于原子密度最高的等轴面心立方晶系。晶体金刚石的硬度为非晶体、类金刚石涂层(D LC )的两倍
。
(a )
金刚石涂层平底铣刀
(b )金刚石涂层球头铣刀
图5 CV D 金刚石涂层的复杂形状刀具
采用金刚石涂层球头铣刀以6000r/min 的转速铣削石墨电极时，刀具寿命可比硬质合金刀具提高10倍。而在Mikron UCP600高速加工机床上加工石墨时，金刚石涂层刀具的寿命可比硬质合金刀具提高
20倍[8]。采用纳米晶粒和微米晶粒金刚石涂层刀片车削石墨时，切削力小于20N ，刀具磨损也很小，刀具磨损的主要原因是石墨粉尘颗粒造成的磨粒磨损。采用表面光滑的纳米晶粒金刚石涂层刀具可以获得更好的表面加工质量[9]。
(a )
表面金刚石晶体组织
(b )表面金刚石能谱
图6 CV D 金刚石涂层的SEM 微观结构
在用金刚石涂层刀具高速车削石墨并测试其切
削性能时，发现由于石墨粉尘的特殊作用，金刚石涂层刀具主要在前刀面和后刀面产生磨损[9]
。由金刚石涂层刀具和PC D 刀具加工石墨时刀具磨损形态的扫描电镜(SE M )检测结果(见图7[10])可以看出，刀具的主要磨损形式为:①石墨颗粒的磨粒磨损引起的前刀面月牙洼磨损;②刀具与已加工表面接触摩擦引起的后刀面磨损;③刀具与硬脆石墨表面强烈摩擦而产生的梳条纹状磨损[11]。此外，还存在微崩刃、涂层脱落破损等失效形式。图8为用金刚石涂层刀具加工石墨电极时刀具后刀面磨损前后的对比
。
(a )
安全书包
涂层金刚石刀具
(b )PCD 刀具
图7 涂层金刚石刀具和PCD 刀具磨损形态的SEM 图片
用金刚石涂层刀具加工石墨时，影响刀具磨损
的因素包括石墨牌号、切削速度、刀具切入切出路径、刀具几何角度、切削用量等。金刚石涂层的表面状态和切削用量对刀具的损坏形式有显著影响[12]。对硬质合金基体进行表面除钴处理，能增强金刚石涂层与基体的结合强度，提高金刚石涂层刀具寿命。
(3)聚晶金刚石(PC D )刀具
PC D 刀具具有重磨性好、成本相对较低等优点,
但受刀具外形和结构的限制，不适合用于加工结构复杂的石墨电极。试验研究结果表明，在石墨材料的高速切削加工中,PC D 刀具的使用寿命不如金刚石涂层刀具，因此在复杂形状大型精密石墨电极的加工中其应用有限
。
(a )
磨损前
(b )磨损后
图8 金刚石涂层刀具后刀面磨损前后的对比
3.3 高速切削加工石墨的工艺参数
高能量活化水石墨为硬脆材料，在石墨工件的高速铣削加工中，切削参数如主轴转速、进给速度、轴向和径向切深等是影响零件尺寸精度和表面粗糙度的主要因素。当采用中等切削速度(<150m/min )铣削石墨时，刀具的磨损随着切削速度的提高而逐渐增大。而当采用较高切削速度(≥200m/min )铣削石墨时，切削速度越高，刀具的磨损反而越小；进给量越大，刀具磨损越小；径向切深越大，刀具磨损越严重[13]。
加工石墨时的切削力要小于加工钢等金属时的切削力，同时，石墨加工表面的光洁度也低于钢等金属表面。加工时，降低石墨表面温度有利于提高刀具寿命。采用较高切削速度、中等切深和较小进给率的工艺策略有利于提高石墨加工表面精度。
3.4 高速切削加工石墨的冷却方式
高速加工石墨通常采用干式切削。如果采用冷却液进行湿式加工，会导致混有石墨切屑粉尘的冷
却液在循环流动过程中污染和损坏机床的传动零部件。此外，由于石墨会吸收同等体积的液体，在吸
收了冷却液后，会影响石墨电极的纯度和E DM 放电性能。如果采用火花油冷却，也存在一定弊端，火花油本身对机床有一定腐蚀作用，同时会刺激人的呼吸器官。因此，在石墨加工中不推荐使用冷却液。当然，由于在切削加工石墨时无法使用冷却液来降低切削温度，也是造成刀具急剧磨损失效的原因之一。
4 存在问题及研究方向
目前，石墨的高速铣削加工主要存在以下问题:
(1)用硬质合金刀具高速铣削石墨时，刀具磨损严重，而金刚石涂层刀具的价格较为昂贵，其在高速加工石墨方面的应用研究尚不成熟。
(2)当金刚石薄膜与基体间的附着力不足以抵抗切削力的冲击时，就会造成剥落，导致刀具切削性能不稳定、离散性大、寿命难以预测，这是金刚石涂层刀具应用于石墨加工亟待解决的瓶颈问题。
(3)用金刚石涂层刀具高速切削石墨的工艺参数选用标准、石墨电极的表面质量，以及刀具的切削性能等尚待进一步深入研究。
根据石墨材料的多样性以及电极形状的复杂性等特点，可在以下几方面开展金刚石涂层刀具高速切削石墨的研究工作:
(1)研究刀具寿命：金刚石涂层刀具的寿命与被切削石墨的材料牌号、进给率、切削速度以及电极的几何形状等密切相关。可通过设计刀具寿命试验，测量刀具寿命，研究金刚石涂层刀具的磨损过程、寿命曲线及对应的切削力特征。
(2)优化工艺参数：进行金刚石涂层刀具高速铣
，研究切削速度、每齿进给量、径向切深、轴向切深等工艺参数和顺铣、逆铣方式对切削力的影响，可通过正交实验优选工艺参数，并对金刚石涂层刀具与硬质合金刀具和T iAlN 涂层刀具进行性能对比。
(3)研究金刚石涂层刀具磨损、破损形态和机理：采用扫描电子显微镜(SE M)观测、分析和研究金刚石涂层刀具高速铣削石墨时的磨损、破损形态和涂层破损机理。同时可对不同晶体粒径的金刚石涂层刀具(如微晶金刚石涂层和纳米金刚石涂层)的切削性能进行对比研究。
(4)研究切削条件对石墨电极表面加工质量的影响：研究金刚石涂层刀具高速铣削石墨时，切削速度、每齿进给量、径向和轴向切深等工艺参数对石墨加工表面质量的影响，并与T iAlN涂层刀具进行对比研究。
5 结语
采用超硬材料刀具高速切削各向同性石墨材料是今后的发展趋势。因此，对金刚石刀具高速加工石墨的切削性能、刀具磨损机理、工艺参数优化等进行研究，对获得高质量的石墨零件具有重要价值。采用金刚石刀具高速加工石墨，可以缩短电极制造周期，提升产品的市场竞争力，必将对模具制造行业产生重要影响。
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第一作者：周玉海，工学硕士，广州铁路职业技术学院机电系,510430广州市
First Author:Zhou Y uhai,Master,G uangzhou Institute of Railway T echnology,G uangzhou,510430,China
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