各向同性熱解石墨車銑加工對比試驗研究

郭靜

摘 要：本文針對各向同性熱解石墨加工表面質(zhì)量較差的問題，分別利用硬質(zhì)合金刀具進行了車削和銑削各向同性熱解石墨試驗，觀測了加工表面的微觀形貌，測量了已加工表面粗糙度值，在此基礎(chǔ)之上，對比分析了車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看，銑削加工表面的粗糙度值小而且穩(wěn)定。綜合來看，對于各向同性熱解石墨的加工，相比車削加工而言，銑削加工更具優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：各向同性熱解石墨；車削；銑削；表面加工質(zhì)量

中圖分類號：TB32 文獻標識碼：A

1 引言

隨著我國航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，對航空發(fā)動機的性能提出來了越來越高的要求。航空發(fā)動機性能的改進很大程度上取決新材料、新工藝、新技術(shù)的實施，而航空發(fā)動機的密封性能的提升是提高其性能的一個關(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滑性和耐磨性，因此在機械密封領(lǐng)域得到了廣泛應用。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，而且還克服了傳統(tǒng)石墨材料必須經(jīng)過浸漬處理才能應用于工程實踐的缺點，因此在航空航天、船舶制造等工程領(lǐng)域的機械密封組件中具有廣闊的應用前景。例如，俄羅斯在其新一代的航空發(fā)動機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)品試制的過程中問題較多，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)合金刀具車削和銑削各向同性熱解石墨試驗，從已加工表面微觀形貌和已加工表面粗糙度兩個方面對比分析車削和銑削兩種加工方式的優(yōu)劣。

2 切削加工試驗

2.1 刀具與材料

本次切削試驗使用的刀具是硬質(zhì)合金刀具（車刀和銑刀）。硬質(zhì)合金車刀的基本規(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°。試驗使用的材料為各向同性熱解石墨，其基本的性能參數(shù)見表1。

2.2 機床與檢測設(shè)備

車削試驗是在沈陽機床廠生產(chǎn)的CAK4085nj數(shù)控車床上進行，切削參數(shù)設(shè)定為：切削速度vc=100m/min，切削深度ap=0.06mm，進給量f=0.025mm/r。銑削試驗是在沈陽機床廠生產(chǎn)的VMC850B立式加工中心上進行，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表面粗糙度儀檢測已加工表面粗糙度，每個測量點測取5個數(shù)值，然后取其平均值作為該測量點的表面粗糙度值。

3 結(jié)果與討論

3.1 已加工表面微觀形貌

切削距離達到50m時，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，而車削加工的已加工表面高度差為45.43μm。此時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，刀具磨損還不是很嚴重。

隨著切削距離的增加，刀具開始出現(xiàn)不同程度的磨損，試件已加工表面的質(zhì)量也會變差。切削距離達到250m時，車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，兩種切削方式的已加工表面殘余凹坑的數(shù)量開始增多，深度開始逐漸加深。從截取的整個測量表面來看，銑削加工的已加工表面高度差增加到了44.62μm，而車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氣相沉積的方法：碳氫化合物（一般是甲烷、乙烷等）在反應爐中加熱到800℃～1200℃，碳氫化合物產(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，刀具開始出現(xiàn)一定程度的磨損，刀具的鋒銳度降低，切削過程中各向同性熱解石墨的顆粒狀碳結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)以拉拔的形式脫離試件，隨之已加工表面開始出現(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削和銑削過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看，車削加工過程中表面粗糙度值首先有一個減小的走勢，然后在切削距離150m～250m保持相對穩(wěn)定，切削距離達到250m之后，已加工表面粗糙度值則是快速上升。而對于銑削加工而言，整個切削加工過程中已加工表面粗糙度值始終處于波動狀態(tài)，但是波動范圍很小，約在0.4μm～0.6μm。從整體來看，車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，也就是說相比車削加工，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)合金刀具進行了車削和銑削各向同性熱解石墨試驗，對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）無論是車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殘留有加工凹坑。但是在同一切削距離時，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看，銑削加工的表面質(zhì)量要明顯優(yōu)于車削加工的表面質(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)。

參考文獻

[1]黃荔海，李賀軍，李克智，等.碳密封材料的研究進展及其在航空航天領(lǐng)域的應用[J].宇航材料工藝，2006（04）：12-17.

[2]李賀軍，羅瑞盈，楊崢.碳/碳復合材料在航空領(lǐng)域的應用研究現(xiàn)狀[J].材料工程，1997（08）：8-10.

[3]張棟，李權(quán).發(fā)動機石墨密封環(huán)失效分析[J].失效分析與預防，2006（02）：56-60.

[4]胡廣陽.航空發(fā)動機密封技術(shù)應用研究[J].航空發(fā)動機，2012（03）：1-4.