郭靜

摘 要：本文針對(duì)各向同性熱解石墨加工表面質(zhì)量較差的問(wèn)題，分別利用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了車(chē)削和銑削各向同性熱解石墨試驗(yàn)，觀測(cè)了加工表面的微觀形貌，測(cè)量了已加工表面粗糙度值，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)比分析了車(chē)削和銑削這兩種加工方法的優(yōu)劣。從加工表面的微觀形貌看，銑削加工表面殘余凹坑少，而且深度小；從已加工表面粗糙度值來(lái)看，銑削加工表面的粗糙度值小而且穩(wěn)定。綜合來(lái)看，對(duì)于各向同性熱解石墨的加工，相比車(chē)削加工而言，銑削加工更具優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：各向同性熱解石墨；車(chē)削；銑削；表面加工質(zhì)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TB32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

隨著我國(guó)航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提出來(lái)了越來(lái)越高的要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)很大程度上取決新材料、新工藝、新技術(shù)的實(shí)施，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的密封性能的提升是提高其性能的一個(gè)關(guān)鍵所在。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潤(rùn)滑性和耐磨性，因此在機(jī)械密封領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。作為一種新型石墨材料，各向同性熱解石墨不僅具有密度小，化學(xué)穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)低，摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且還克服了傳統(tǒng)石墨材料必須經(jīng)過(guò)浸漬處理才能應(yīng)用于工程實(shí)踐的缺點(diǎn)，因此在航空航天、船舶制造等工程領(lǐng)域的機(jī)械密封組件中具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，俄羅斯在其新一代的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪軸間使用的高性能石墨密封環(huán)就是各向同性熱解石墨密封環(huán)。雖然各向同性熱解石墨是一種優(yōu)異的密封材料，但是其硬度較高，在產(chǎn)品試制的過(guò)程中問(wèn)題較多，主要集中在表面加工質(zhì)量差，形位精度低；邊緣易崩邊、碎裂；刀具磨損嚴(yán)重等等。

目前在石墨切削加工領(lǐng)域的研究比較多，但大部分都集中在刀具磨損方向，針對(duì)表面加工質(zhì)量方面的研究還很少。作為一種新型石墨材料，各向同性熱解石墨在微觀結(jié)構(gòu)、物理性能等方面與傳統(tǒng)石墨材料存在顯著差異。本文將結(jié)合硬質(zhì)合金刀具車(chē)削和銑削各向同性熱解石墨試驗(yàn)，從已加工表面微觀形貌和已加工表面粗糙度兩個(gè)方面對(duì)比分析車(chē)削和銑削兩種加工方式的優(yōu)劣。

2 切削加工試驗(yàn)

2.1 刀具與材料

本次切削試驗(yàn)使用的刀具是硬質(zhì)合金刀具（車(chē)刀和銑刀）。硬質(zhì)合金車(chē)刀的基本規(guī)格為前角為-20°，后角為5°，刀尖圓弧半徑為2mm；硬質(zhì)合金銑刀的基本規(guī)格：前角-20°，后角5°齒數(shù)4，螺旋角35°。試驗(yàn)使用的材料為各向同性熱解石墨，其基本的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 機(jī)床與檢測(cè)設(shè)備

車(chē)削試驗(yàn)是在沈陽(yáng)機(jī)床廠生產(chǎn)的CAK4085nj數(shù)控車(chē)床上進(jìn)行，切削參數(shù)設(shè)定為：切削速度vc=100m/min，切削深度ap=0.06mm，進(jìn)給量f=0.025mm/r。銑削試驗(yàn)是在沈陽(yáng)機(jī)床廠生產(chǎn)的VMC850B立式加工中心上進(jìn)行，銑削參數(shù)設(shè)定為：切削速度vc=50m/min，切削深度ap=0.06mm，進(jìn)給量f=0.025mm/r。采用基恩士VHX-2000型超景深三維顯微系統(tǒng)觀察已加工表面的微觀形貌；采用TR240表面粗糙度儀檢測(cè)已加工表面粗糙度，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)取5個(gè)數(shù)值，然后取其平均值作為該測(cè)量點(diǎn)的表面粗糙度值。

3 結(jié)果與討論

3.1 已加工表面微觀形貌

切削距離達(dá)到50m時(shí)，兩種切削方式的已加工表面都不同數(shù)量和深度的加工殘余凹坑。銑削加工的已加工表面高度差僅為24.28μm，而車(chē)削加工的已加工表面高度差為45.43μm。此時(shí)已加工表面的殘余凹坑數(shù)量不多，深度較小，這主要是由于切削距離較短，刀具磨損還不是很?chē)?yán)重。

隨著切削距離的增加，刀具開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的磨損，試件已加工表面的質(zhì)量也會(huì)變差。切削距離達(dá)到250m時(shí)，車(chē)削加工和銑削加工得到的試件已加工表面微觀形貌如圖2所示。此時(shí)，兩種切削方式的已加工表面殘余凹坑的數(shù)量開(kāi)始增多，深度開(kāi)始逐漸加深。從截取的整個(gè)測(cè)量表面來(lái)看，銑削加工的已加工表面高度差增加到了44.62μm，而車(chē)削加工的已加工表面高度差增加到了96.31μm。

切削加工表面出現(xiàn)殘余凹坑與各向同性熱解石墨的材料特性密切相關(guān)。目前各向同性熱解石墨材料的制備通常采用的是化學(xué)氣相沉積的方法：碳?xì)浠衔铮ㄒ话闶羌淄?、乙烷等）在反?yīng)爐中加熱到800℃～1200℃，碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生分解，在基體上形成各向同性熱解石墨。各向同性熱解石墨的主要結(jié)構(gòu)單元是球形顆粒狀碳結(jié)構(gòu)，在切削過(guò)程中產(chǎn)生的切屑則是以顆粒狀切屑為主。在材料內(nèi)部還存在有裂紋、孔隙、炭黑顆粒、夾雜等組織缺陷。由于上述各種組織缺陷的存在，使得切削加工過(guò)程的穩(wěn)定性受到一定的影響。另外，隨著切削距離的增加，刀具開(kāi)始出現(xiàn)一定程度的磨損，刀具的鋒銳度降低，切削過(guò)程中各向同性熱解石墨的顆粒狀碳結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)以拉拔的形式脫離試件，隨之已加工表面開(kāi)始出現(xiàn)不同深度和數(shù)量的加工殘余凹坑。

3.2 已加工表面粗糙度

如圖3所示為各向同性熱解石墨車(chē)削和銑削過(guò)程中已加工表面粗糙度值與切削距離之間的關(guān)系。

從已加工表面粗糙度來(lái)看，車(chē)削加工過(guò)程中表面粗糙度值首先有一個(gè)減小的走勢(shì)，然后在切削距離150m～250m保持相對(duì)穩(wěn)定，切削距離達(dá)到250m之后，已加工表面粗糙度值則是快速上升。而對(duì)于銑削加工而言，整個(gè)切削加工過(guò)程中已加工表面粗糙度值始終處于波動(dòng)狀態(tài)，但是波動(dòng)范圍很小，約在0.4μm～0.6μm。從整體來(lái)看，車(chē)削加工的已加工表面粗糙度值始終明顯高于銑削加工的已加工表面粗糙度值，也就是說(shuō)相比車(chē)削加工，銑削加工可以得到質(zhì)量更有的加工表面。

結(jié)論

本文利用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了車(chē)削和銑削各向同性熱解石墨試驗(yàn)，對(duì)比研究了這兩種切削加工方式的優(yōu)劣，并從中得到以下結(jié)論：

（1）無(wú)論是車(chē)削加工還是銑削加工，各向同性熱解石墨試件的已加工表面都?xì)埩粲屑庸ぐ伎?。但是在同一切削距離時(shí)，銑削加工表面的凹坑數(shù)量少，深度小。

（2）從已加工表面粗糙度來(lái)看，銑削加工的表面質(zhì)量要明顯優(yōu)于車(chē)削加工的表面質(zhì)量。

（3）綜合已加工表面微觀形貌和表面粗糙度兩方面來(lái)看，各向同性熱解石墨的切削加工選擇銑削加工的方式更優(yōu)。

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