• 石墨材料加工技艺的提高才是减少石墨零件崩边的关键

    发布时间:2017-09-07

    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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