金刚石涂层刀具高速铣削石墨电极材料切削性能研究

论文摘要

石墨电极在电火花加工EDM(Electric Discharge Machining)中具有加工速度快、加工精度高、耐高温、放电损耗小等优点。可以满足汽车、家电、通讯、电子等行业制品中对复杂曲面、加强筋板、风冷的翅片或细网结构的加工要求。高速铣削是精密复杂形状石墨电极的主要加工方法之一。常规硬质合金刀具高速加工石墨时磨损严重,目前不少企业尝试使用金刚石涂层刀具高速铣削加工石墨电极。由于缺乏对石墨高速铣削过程中金刚石涂层刀具寿命、刀具磨损机理以及高速铣削工艺参数优化等方面的深入研究,实际应用中尚存在很多问题,不能充分发挥金刚石涂层刀具及高速铣削的优越性。针对石墨电极材料的特点,本文采用金刚石涂层刀具替代常规硬质合金铣刀高速铣削加工石墨,主要研究了金刚石涂层刀具高速铣削石墨电极材料时刀具寿命曲线,以及和TiAlN涂层刀具和硬质合金刀具进行对比;研究了切削速度、每齿进给量、径向切深、轴向切深、顺逆铣削方式和不同材料刀具因素对削力影响,以及和TiAlN涂层刀具和硬质合金刀具进行对比;在切削力正交实验基础上对工艺参数进行优选;论文最后开展金刚石涂层刀具和TiAlN涂层刀具高速铣削石墨电极材料的表面质量研究。论文主要结论如下:金刚石涂层刀具高速铣削石墨电极材料寿命实验研究表明:(1)金刚石涂层刀具表面并非完全均匀,表面有成团聚集的大颗粒金刚石族团。(2)切削100m时刀具表面未见破损,刀具表面出现粘附石墨膜,切削力变化不大;350m时,刀具出现了破损,切削力突然增大。(3)在相同切削条件下不同材料的刀具寿命依次为:金刚石涂层刀具＞TiAlN涂层刀具＞硬质合金刀具。切削力实验研究结果表明:(1)实时切削力出现了负切削力,同时切削力呈现大的波动。(2)切削力随切削速度提高出现先增加后减小的趋势,当切削速度达到240m/min时切削力最大,这是由于工具系统共振引起;每齿进给量增大时,切削分力缓慢增大,切削力波动幅值呈先增大后缓慢减小的趋势;增加径向切深,切削力基本不变,但切削力波动变化显著;切削力随轴向切深增加出现先减小后增加的规律,在切深为9mm时切削切削力最小。(3)顺铣时切削力小于逆铣,推荐使用顺铣。(4)不同材料刀具切削力大小关系为:硬质合金刀具＞金刚石涂层刀具＞TiAlN涂层刀具。(5)切削力最小的工艺参数最优组合是切削速度360m/min,每齿进给量0.03 mm/z,径向切深0.9mm,轴向切深3 mm。金刚石涂层刀具磨损破损及其机理研究发现:(1)刀具破损主要部位主要分布在底刃。(2)金刚石涂层刀具主要磨损形式是粘附磨损和磨粒磨损。主要破损形式是涂层脱落,崩刃为主。(3)机械冲击和石墨粉尘频繁脱落是导致金刚石涂层刀具涂层剥落的主要原因。对石墨高速铣削后表面表面质量的研究发现:(1)金刚石涂层刀具可以采用较大材料去除率的切削工艺参数。(2)高速铣削石墨表面三维形貌显示为非常不平整。(3)金刚石涂层刀具铣削石墨表面质量不如TiAlN涂层刀具,顺铣时石墨表面质量比逆铣好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景与意义
• 1.2 石墨材料特性及其切削加工研究现状
• 1.2.1 石墨材料特性
• 1.2.2 石墨切削机理研究
• 1.2.3 石墨切削硬质合金刀具磨损研究
• 1.2.4 石墨切削加工润滑
• 1.3 金刚石刀具性能及其应用研究现状
• 1.3.1 金刚石材料特性
• 1.3.2 金刚石刀具类型及其应用
• 1.3.3 金刚石刀具制备原理和方法
• 1.4 金刚石涂层刀具切削石墨研究现状
• 1.5 本课题来源与主要研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 研究目标
• 1.5.3 主要研究内容
• 第二章 金刚石涂层刀具铣削石墨实验与研究方法
• 2.1 实验系统
• 2.1.1 石墨材料
• 2.1.2 实验用刀具
• 2.1.3 实验仪器
• 2.1.4 机床及实验系统
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 实验总框图
• 2.2.2 刀具寿命实验
• 2.2.3 切削力单因素实验
• 2.2.4 切削力正交试验
• 2.3 实验数据分析处理方法
• 2.3.1 刀具磨损
• 2.3.2 切削力分析
• 2.3.3 切削力数据处理方法
• 2.4 实验过程
• 2.5 本章小结
• 第三章 金刚石涂层刀具寿命研究
• 3.1 金刚石涂层刀具表面特征
• 3.1.1 金刚石涂层刀具表面形貌
• 3.1.2 金刚石涂层刀具表面拉曼光谱
• 3.2 金刚石涂层刀具寿命实验过程
• 3.2.1 金刚石涂层刀具磨损过程
• 3.2.2 金刚石涂层刀具高速铣削石墨磨损曲线
• 3.2.3 TIALN涂层和硬质合金刀具磨损曲线
• 3.3 高速铣削石墨寿命实验切削力特性
• 3.4 本章小结
• 第四章 金刚石涂层刀具高速铣削石墨切削力研究
• 4.1 高速铣削石墨切削力特性研究
• 4.1.1 负切削力
• 4.1.2 波动切削力
• 4.2 高速铣削工艺参数对切削力的影响
• 4.2.1 切削速度
• 4.2.2 每齿进给量
• 4.2.3 径向切深
• 4.2.4 轴向切深
• 4.2.5 不同材料刀具切削力合力
• 4.3 切削工艺参数优选
• 4.3.1 实验结果
• 4.3.2 实验结果的极分析
• 4.3.3 高速铣削石墨切削工艺参数优选
• 4.4 本章小结
• 第五章 金刚石涂层刀具磨损、破损及机理研究
• 5.1 金刚石涂层刀具磨损、破损位置
• 5.2 金刚石涂层刀具磨损形态
• 5.3 金刚石涂层刀具破损形态
• 5.3.1 涂层脱落
• 5.3.2 崩刃
• 5.3.3 基体疲劳剥落
• 5.4 金刚石涂层刀具磨损机理
• 5.4.1 化学磨损
• 5.4.2 磨粒磨损
• 5.4.3 粘附磨损
• 5.5 涂层脱落破损机理
• 5.6 本章小结
• 第六章 高速铣削石墨表面质量研究
• 6.1 金刚石涂层刀具加工石墨材料去除率
• 6.2 石墨三维显微形貌
• 6.3 石墨电极表面粗糙度
• 6.4 石墨 SEM形貌
• 6.5 本章小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文
• 致谢