各向同性热解石墨车铣加工对比试验研究

摘 要：本文针对各向同性热解石墨加工表面质量较差的问题，分别利用硬质合金刀具进行了车削和铣削各向同性热解石墨试验，观测了加工表面的微观形貌，测量了已加工表面粗糙度值，在此基础之上，对比分析了车削和铣削这两种加工方法的优劣。从加工表面的微观形貌看，铣削加工表面残余凹坑少，而且深度小；从已加工表面粗糙度值来看，铣削加工表面的粗糙度值小而且稳定。综合来看，对于各向同性热解石墨的加工，相比车削加工而言，铣削加工更具优势。

关键词：各向同性热解石墨；车削；铣削；表面加工质量

中图分类号：TB32 文献标识码：A

1 引言

随着我国航空航天工业的迅速发展，对航空发动机的性能提出来了越来越高的要求。航空发动机性能的改进很大程度上取决新材料、新工艺、新技术的实施，而航空发动机的密封性能的提升是提高其性能的一个关键所在。在目前常用的密封材料中，碳-碳或者碳-石墨材料具有良好的自性和耐磨性，因此在机械密封领域得到了广泛应用。作为一种新型石墨材料，各向同性热解石墨不仅具有密度小，化学稳定性好，热膨胀系数低，摩擦系数低而稳定等一系列优点，而且还克服了传统石墨材料必须经过浸渍处理才能应用于工程实践的缺点，因此在航空航天、船舶制造等工程领域的机械密封组件中具有广阔的应用前景。例如，俄罗斯在其新一代的航空发动机的涡轮轴间使用的高性能石墨密封环就是各向同性热解石墨密封环。虽然各向同性热解石墨是一种优异的密封材料，但是其硬度较高，在产品试制的过程中问题较多，主要集中在表面加工质量差，形位精度低；边缘易崩边、碎裂；刀具磨损严重等等。

目前在石墨切削加工领域的研究比较多，但大部分都集中在刀具磨损方向，针对表面加工质量方面的研究还很少。作为一种新型石墨材料，各向同性热解石墨在微观结构、物理性能等方面与传统石墨材料存在显著差异。本文将结合硬质合金刀具车削和铣削各向同性热解石墨试验，从已加工表面微观形貌和已加工表面粗糙度两个方面对比分析车削和铣削两种加工方式的优劣。

2 切削加工试验

2.1 刀具与材料

本次切削试验使用的刀具是硬质合金刀具（车刀和铣刀）。硬质合金车刀的基本规格为前角为-20°，后角为5°，刀尖圆弧半径为2mm；硬质合金铣刀的基本规格：前角-20°，后角5°齿数4，螺旋角35°。试验使用的材料为各向同性热解石墨，其基本的性能参数见表1。

2.2 机床与检测设备

车削试验是在沈阳机床厂生产的CAK4085nj数控车床上进行，切削参数设定为：切削速度vc=100m/min，切削深度ap=0.06mm，进给量f=0.025mm/r。铣削试验是在沈阳机床厂生产的VMC850B立式加工中心上进行，铣削参数设定为：切削速度vc=50m/min，切削深度ap=0.06mm，进给量f=0.025mm/r。采用基恩士VHX-2000型超景深三维显微系统观察已加工表面的微观形貌；采用TR240表面粗糙度仪检测已加工表面粗糙度，每个测量点测取5个数值，然后取其平均值作为该测量点的表面粗糙度值。

3 结果与讨论

3.1 已加工表面微观形貌

切削距离达到50m时，两种切削方式的已加工表面都不同数量和深度的加工残余凹坑。铣削加工的已加工表面高度差仅为24.28μm，而车削加工的已加工表面高度差为45.43μm。此时已加工表面的残余凹坑数量不多，深度较小，这主要是由于切削距离较短，刀具磨损还不是很严重。

随着切削距离的增加，刀具开始出现不同程度的磨损，试件已加工表面的质量也会变差。切削距离达到250m时，车削加工和铣削加工得到的试件已加工表面微观形貌如图2所示。此时，两种切削方式的已加工表面残余凹坑的数量开始增多，深度开始逐渐加深。从截取的整个测量表面来看，铣削加工的已加工表面高度差增加到了44.62μm，而车削加工的已加工表面高度差增加到了96.31μm。

切削加工表面出现残余凹坑与各向同性热解石墨的材料特性密切相关。目前各向同性热解石墨材料的制备通常采用的是化学气相沉积的方法：碳氢化合物（一般是甲烷、乙烷等）在反应炉中加热到800℃～1200℃，碳氢化合物产生分解，在基体上形成各向同性热解石墨。各向同性热解石墨的主要结构单元是球形颗粒状碳结构，在切削过程中产生的切屑则是以颗粒状切屑为主。在材料内部还存在有裂纹、孔隙、炭黑颗粒、夹杂等组织缺陷。由于上述各种组织缺陷的存在，使得切削加工过程的稳定性受到一定的影响。另外，随着切削距离的增加，刀具开始出现一定程度的磨损，刀具的锋锐度降低，切削过程中各向同性热解石墨的颗粒状碳结构开始出现以拉拔的形式脱离试件，随之已加工表面开始出现不同深度和数量的加工残余凹坑。

3.2 已加工表面粗糙度

如图3所示为各向同性热解石墨车削和铣削过程中已加工表面粗糙度值与切削距离之间的关系。

从已加工表面粗糙度来看，车削加工过程中表面粗糙度值首先有一个减小的走势，然后在切削距离150m～250m保持相对稳定，切削距离达到250m之后，已加工表面粗糙度值则是快速上升。而对于铣削加工而言，整个切削加工过程中已加工表面粗糙度值始终处于波动状态，但是波动范围很小，约在0.4μm～0.6μm。从整体来看，车削加工的已加工表面粗糙度值始终明显高于铣削加工的已加工表面粗糙度值，也就是说相比车削加工，铣削加工可以得到质量更有的加工表面。

结论

本文利用硬质合金刀具进行了车削和铣削各向同性热解石墨试验，对比研究了这两种切削加工方式的优劣，并从中得到以下结论：

（1）无论是车削加工还是铣削加工，各向同性热解石墨试件的已加工表面都残留有加工凹坑。但是在同一切削距离时，铣削加工表面的凹坑数量少，深度小。

（2）从已加工表面粗糙度来看，铣削加工的表面质量要明显优于车削加工的表面质量。

（3）综合已加工表面微观形貌和表面粗糙度两方面来看，各向同性热解石墨的切削加工选择铣削加工的方式更优。

参考文献

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