含硼炭材料的機加工探索

■方大炭素新材料科技股份有限公司 （甘肅蘭州 730084） 辛向東

含硼炭材料的機加工探索

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摘要：本文介紹了含硼炭材料在數控加工中心機加工過程中，因刀具磨損嚴重，造成加工成本過高和加工效率低的現狀，結合生產實際，提出新的加工思路，對刀具重新設計制造，并達到預期的效果。

含硼炭材料主要制作成含硼炭磚，應用于陶瓷堆內構件的堆體材料。其物理特性主要是硬度高（肖氏硬度可達85HS）、脆性大，在機加工過程中對刀具的磨損嚴重，及易產生崩邊缺陷。

傳統的高爐炭磚因對尺寸公差和形位公差要求不高，故加工采用：鋸切下料→銑削→磨削工藝，就能達到尺寸和形位要求，但對陶瓷堆內構件炭磚來說，因設計要求達IT8級，均為異形件，傳統加工工藝已遠遠無法滿足，而且在炭磚上有很多孔槽結構，對這些孔槽的形狀和位置均有極高的要求，必須通過數控加工才能實現。為此，制定的工藝路線為：鋸切下料→粗銑→粗磨→數控機床精銑→精鏜，已在實際加工中達到設計要求。

1. 問題的提出

陶瓷堆內構件炭磚的典型零件如圖1所示，其技術要求是：①未注表面粗糙度值的炭部件Ra=6.3mm。②在炭部件上凡未標注的倒內圓R=5mm，凡未標注的炭磚直角棱邊倒角Zmm，炭部件上外圓和內圓直角棱邊倒角為X45°。③未注尺寸公差的炭部件按GB/T1800.3-1998定為IT12級。④未注形位公差的炭部件按GB/T1184-1996定為IT11級。⑤炭磚非直角邊線性尺寸的測量以倒角前的交點或倒圓時的角邊延長線交點為基準。

為保證圖1中的對稱度要求，兩個大斜面的加工在數控臥銑機床上加工，加工余量10～15mm，刀具選用f160mm的6刃面銑刀，刀片選用北京沃爾德超硬工具有限公司生產的PCD金剛石刀片，該刀片對普通石墨炭磚有效切深可達5mm，但對含硼炭磚，在轉速n=600r/min，進給量f=300mm/r時，切深最大只能達到2mm，10～15mm加工量需7次進刀加工，而且切削刃磨損非常

嚴重，轉速越高磨損越快，經現場統計，加工這樣的兩塊含硼炭磚，就會報廢一組刀片，加工成本非常高（一組刀片價值5 400元）。由于切削刃的磨損快，為保證加工精度，每塊磚的加工需經過2～3次的在線測量，每次更換新刀片還需重新測定刀補，加工準備和加工輔助時間將占用整個加工時間的30%～50%，效率很低。

圖1

多次和刀具廠溝通，包括加厚金剛石涂層、改變切削刃的切削角度及現場調整加工參數等一系列方法，仍然沒有達到效果。能否找到一種新的加工方法，既能降低加工成本，又能減少加工準備和加工輔助時間，并提高加工效率。為此，我們進行了探討，并對原加工工藝進行了改進。

2. 新方法的探索

通過仔細分析和現場觀察切削刃的磨損情況（見圖2），發現該磨損為正常磨損，每切削刃的切削厚度：H=1/6（F/S）=1/6 （300/600）=0.083mm

如果增大進給或降低轉速，則產生崩刃現象。所以判定切削刃在加工炭磚過程中，實際上是磨削，且由于高速磨削產生大量磨削熱致使PCD切削刃的耐磨性迅速降低，所以磨損非常嚴重。

既然分析出切削刃在磨削加工，我們考慮從磨削進行改造，選擇炭素行業加工通用磨塊，設計磨盤如圖3所示。

圖2

圖3

該磨盤裝在BT50刀柄上，在數控加工中心使用，轉速n=600r/min，進給量f=300mm/r時，切深可達4mm，表面粗糙度值、尺寸精度均達到圖樣要求。當轉速增至n=900r/min，進給量f=600mm/r時，加工質量滿足要求，加工效率提高1/3。

3. 經濟效果分析

該刀具經設計制造并投入使用，轉速設定在n=900r/min，進給量f=600mm/r，切深保持在3mm，已連續加工含硼炭磚30塊。雖有磨損但由于磨塊本身的自銳性特點，磨損沒有造成工件精度的變化，而且大大減少了員工更換刀片和重新對刀時間，加工準備和加工輔助時間降低到整個加工時間的20%左右。預計這組磨刀可加工100塊以上的含硼炭磚。這1把刀（磨塊成本5 000元）每年節約PCD金剛石刀片采購費用可達40萬元。已在我公司其他兩臺加工中心機床上推廣應用，效果顯著。

收稿日期：（20150412）