王明海，劉東璽，劉大響，王　奔，鄭耀輝

(1.沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽　110136；2.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京　100191)

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工藝參數(shù)對(duì)各向同性熱解石墨超精密加工質(zhì)量的影響*

王明海1,2，劉東璽1，劉大響2，王奔1，鄭耀輝1

(1.沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽110136；2.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191)

各向同性熱解石墨作為一種典型的脆性材料，其切削加工問題非常突出，表面質(zhì)量難以控制。使用PCD刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，主要分析了切削速度、切削深度、進(jìn)給量等切削參數(shù)以及刀具前角對(duì)加工表面粗糙度的影響。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的研究分析表明：進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響最大，切削速度和背吃刀量對(duì)表面粗糙度的影響較小，而增大刀具負(fù)前角有利于改善各向同性熱解石墨的加工表面質(zhì)量。

各向同性熱解石墨；切削參數(shù)；刀具前角；表面粗糙度

0　引言

隨著我國航空航天科技工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)密封件的工作性能提出了越來越苛刻的要求。決定密封可靠性的首要因素是密封材料的性能，石墨具有導(dǎo)熱性能好、摩擦系數(shù)低、耐高溫、耐磨性和潤滑性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，這在很大程度上滿足了對(duì)密封材料的相關(guān)要求，因此石墨材料是一種常見的密封用材料。各向同性熱解石墨作為一種新型高性能石墨材料，它不僅具有傳統(tǒng)石墨材料的共性優(yōu)點(diǎn)，而且還具有不透氣、可加工性能優(yōu)良等特點(diǎn)。因此，它廣泛地應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸密封件中。但是，各向同性熱解石墨是一種典型的脆性材料，其切削加工問題非常突出[1]。由于航空航天的高風(fēng)險(xiǎn)性，石墨材料作為航空航天密封件時(shí)，對(duì)其加工質(zhì)量提出了更為苛刻的要求[2-5]。

超精密切削加工技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一，在一定程度上可代表一個(gè)國家制造技術(shù)的整體水平。影響其加工精度和表面質(zhì)量的因素主要有機(jī)床設(shè)備、工件材料、刀具性能、數(shù)控技術(shù)、加工機(jī)理和工藝等。目前，有關(guān)各向同性熱解石墨的制備、微觀結(jié)構(gòu)以及材料特性方面的研究較多[6-9]，然而，關(guān)于各向同性熱解石墨機(jī)械加工方面的文獻(xiàn)報(bào)道相對(duì)較少。隨著各向同性熱解石墨的深入研究及其在高科技行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，這方面的研究變得更加緊迫。本文將主要就如何選擇合適的切削參數(shù)和刀具前角，以提高超精密加工各向同性熱解石墨零件的表面質(zhì)量進(jìn)行研究。

1　表面粗糙度

1.1定義及影響

表面粗糙度是指在加工表面上具有的較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀，是工件已加工表面質(zhì)量中的最基本、最主要的參數(shù)之一，而且還是表面完整性的主要內(nèi)容。表面粗糙度是反映零件表面上微觀幾何形狀誤差的一個(gè)重要指標(biāo)。生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明表面粗糙度是評(píng)定各種機(jī)械零件表面加工質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)機(jī)械零件的配合性質(zhì)、耐磨損性、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性、密封性能以及接觸剛度等有很大影響，特別是對(duì)高速、精密航空零件影響尤為顯著。因此，為保證零件的使用功能，必須限制其表面粗糙度的數(shù)值[10]。

1.2表面粗糙的成因與影響因素

造成加工表面粗糙度的原因有很多，其中最主要的四個(gè)原因是：加工過程中的刀痕，切屑分離時(shí)的變形，刀具與已加工表面間的摩擦，工藝系統(tǒng)的高頻振動(dòng)。而影響表面粗糙度的主要因素有刀具角度、切削參數(shù)、刀具磨損、刀尖圓弧半徑、數(shù)控機(jī)床性能等，其中最主要的影響因素為切削參數(shù)和刀具角度。

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)及規(guī)劃

2.1試驗(yàn)設(shè)備和工件材料

機(jī)床：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超精密復(fù)合加工機(jī)床。機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度0.025μm，主軸轉(zhuǎn)速范圍為0～2500rev/min，軸向和徑向剛度分別為435N/μm和575N/μm。機(jī)床的導(dǎo)軌則是采用精密絲杠傳動(dòng)，x軸和y軸方向上的進(jìn)給量的分辨率都小于0.2μm。其整體外觀布局如圖1所示。

圖1　超精密復(fù)合加工機(jī)床外觀布局

測量儀器：原子力顯微鏡(AFM)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)掃描表面的微觀形貌圖進(jìn)行分析，不但可以得到整個(gè)三維表面的粗糙度值，而且可以通過截取表面的輪廓曲線并對(duì)其進(jìn)行表面粗糙度參數(shù)進(jìn)行分析。

刀具：聚晶金剛石(Polycrystalline diamond PCD)刀具。刀具前角為-20°，刀具后角為10°，刀尖圓弧半徑為2mm，刀桿長度為150mm，刀桿的橫截面為20×20mm。

工件：各向同性熱解石墨環(huán)，外徑為120mm，內(nèi)徑為100mm，厚度為10mm。

2.2試驗(yàn)規(guī)劃

由于PCD刀具和各向同性熱解石墨材料都比較昂貴，因此切削試驗(yàn)的成本比較高。本著降低切削試驗(yàn)成本的原則，本試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)方法。這種試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法簡單，試驗(yàn)次數(shù)少，能夠較明顯地顯示某個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)效果好，單因素試驗(yàn)相對(duì)效率高。對(duì)試驗(yàn)因素間的交互作用也有所考慮，能夠避免反復(fù)試驗(yàn)增大工作量、降低試驗(yàn)的準(zhǔn)確性[11]。因此，本試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)方法。切削參數(shù)選擇如表1所示。

表1　各向同性熱解石墨超精密切削試驗(yàn)切削參數(shù)

3　表面加工質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1切削深度對(duì)表面粗糙度的影響

固定切削參數(shù)中的切削速度和進(jìn)給量，即vc=150m/min、f=5μm/rev，切削深度分別設(shè)置為ap=5μm、7μm、10μm進(jìn)行切削對(duì)比試驗(yàn)。切削深度對(duì)表面粗糙度值的影響如圖2所示。隨著切削深度的增大，表面粗糙度值逐漸的增大。

圖2　切削深度對(duì)表面粗糙度的影響

切削深度ap=5μm時(shí)，加工表面的表面粗糙度值Ra=0.123μm；切削深度ap=10μm時(shí)，加工表面的表面粗糙度值Ra=0.172μm，兩者表面粗糙度值的差值僅為0.05μm。由此可以看出，超精密切削時(shí)切削深度對(duì)已加工表面質(zhì)量的影響較小。

圖3a、3b、3c切削深度分別為ap=5μm、7μm、10μm時(shí)的加工表面的AFM圖像。從圖中可以看出，隨著切削深度的增大，表面粗糙度值也逐漸增大。造成此種現(xiàn)象的原因：一是隨著切削深度逐漸增大，生成的石墨切屑的粒度逐漸增大，在石墨表面形成的斷裂凹坑逐漸變大變深，表面粗糙度也就隨之增大[12]。二是隨著切削深度的增大，切削過程中的切削力也會(huì)隨之增大，這種不斷增大的切削力使加工過程中產(chǎn)生輕微的振動(dòng)，從而使已加工表面粗糙度的增大，但表面粗糙度的這種變化值并不是很大。

(a)ap=5μm

(b)ap=7μm

(c)ap=10μm

3.2進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

固定切削參數(shù)中的切削速度和切削深度，即vc=150m/min、ap=5μm。進(jìn)給量分別設(shè)置為f=3μm/rev、5μm/rev、7μm/rev進(jìn)行切削對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度值的影響如圖4所示。

圖4　進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

即使進(jìn)給量有微量的增大，加工表面的表面粗糙度值也會(huì)急劇的增大。這是因?yàn)椋焊鶕?jù)粗糙度理論計(jì)算公式[13]：

Ra=f2/8rε

(1)

式(1)中，Ra為理論粗糙度；f為進(jìn)給量；rε為刀尖圓弧半徑。

當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑rε一定時(shí)，進(jìn)給量f增大，表面粗糙度值迅速地增大。另外，隨著進(jìn)給量增大，在已加工表面殘留的凹坑的數(shù)量也隨之增多，表面粗糙度值也會(huì)變大。

三種進(jìn)給量對(duì)應(yīng)的加工表面質(zhì)量如圖5a、5b、5c所示。當(dāng)進(jìn)給量為3μm時(shí)，加工表面的表面粗糙度Ra=0.041μm；當(dāng)進(jìn)給量為7μm時(shí)，加工表面的表面粗糙度Ra=0.232μm，表面粗糙度值增加了將近443%，變化幅度很大。

(a)f=3μm/rev

(b)f=5μm/rev

(c)f=7μm/rev

3.3切削速度對(duì)表面粗糙度的影響

固定切削參數(shù)中的切削深度和進(jìn)給量，即ap=5μm、f=5μm/rev。切削速度分別設(shè)置為vc=48m/min、150m/min、220m/min進(jìn)行切削對(duì)比試驗(yàn)。切削速度對(duì)表面粗糙度值的影響如圖6所示，表面粗糙度值Ra隨著切削速度的增大而減小。三種切削速度對(duì)應(yīng)的加工表面質(zhì)量如圖7a、7b、7c所示。當(dāng)切削速度為48m/min時(shí)，加工表面的表面粗糙度Ra=0.130μm；當(dāng)切削速度為220m/min時(shí)，加工表面的表面粗糙度Ra=0.941μm，表面粗糙度值的變化范圍約為0.036μm，變化幅度很小。這是由于切削速度對(duì)加工表面粗糙度的影響實(shí)質(zhì)上是積屑瘤對(duì)表面粗糙度的影響[14]。加工塑性材料時(shí)，切削速度是影響積屑瘤產(chǎn)生的主要因素之一。但是，各向同性熱解石墨屬于脆性材料，其加工過程中不會(huì)形成積屑瘤，因此，切削速度對(duì)表面粗糙度影響較小，而且與切削深度相比，切削速度對(duì)表面粗糙度影響的敏感程度更小。

圖6　切削速度對(duì)表面粗糙度的影響

(a)vc=48m/min

(b)vc=150m/min

(c)vc=220m/min

4　刀具前角對(duì)加工質(zhì)量影響的試驗(yàn)研究

金剛石刀具的參數(shù)對(duì)已加工表面質(zhì)量有顯著的影響．其中對(duì)刀具前角的選擇顯得尤為重要[15]。試驗(yàn)研究表明：較大的負(fù)刀具前角可以有效地提高已加工表面質(zhì)量。對(duì)此一般的解釋是：當(dāng)?shù)毒咔敖菫樨?fù)前角時(shí)，刀具可以對(duì)材料的被切削區(qū)域施加一個(gè)壓應(yīng)力場，該壓應(yīng)力場抑制了材料內(nèi)被切削區(qū)域裂紋的擴(kuò)展，因此刀具前角為負(fù)前角時(shí)有利于改善脆性材料的加工表面質(zhì)量[16-17]。

本次切削試驗(yàn)采用刀具前角分別為-30°和-10°的兩把PCD刀具，刀具后角為10°，刀尖圓弧半徑為2mm，切削刃鈍圓半徑約在0.1mm，。切削參數(shù)設(shè)置為：vc=200m/min，ap=4μm，f=6μm/rev。圖8為測得的試驗(yàn)中不同前角的PCD刀具的加工表面原子力顯微鏡圖像。如圖所示：當(dāng)?shù)毒咔敖菫?30°時(shí)表面質(zhì)量粗糙度Ra=0.093μm；當(dāng)?shù)毒咔敖菫?10°時(shí)表面粗糙度Ra=0.169μm?？梢?，單從表面粗糙度這點(diǎn)來看，表面質(zhì)量得到較大的改善。

7.2 防治方法：①農(nóng)業(yè)防治：清除雜草及枯枝落葉，減少蟲源。②藥劑防治：加強(qiáng)蟲情檢查，控制在點(diǎn)片發(fā)生階段，用藥噴霧防治：1.8%阿維菌素乳油1000倍液；73%克螨特乳油1200倍液。

(a)刀具前角-10°

(b)刀具前角-30°

5　結(jié)論

結(jié)合各向同性熱解石墨的超精密切削試驗(yàn)，文章重點(diǎn)討論了超精密切削各向同性熱解石墨時(shí)，切削參數(shù)和刀具前角對(duì)已加工表面粗糙度的影響，得出結(jié)論：

(1)在切削參數(shù)中，進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度影響最大，其次為切削深度，切削速度對(duì)表面粗糙度的影響最小，減小進(jìn)給量能有效降低表面粗糙度數(shù)值。在保證加工質(zhì)量的前提下，可以采用較高的切削速度以及適當(dāng)?shù)那邢魃疃群瓦M(jìn)給量以保證加工效率和經(jīng)濟(jì)效益。

(2)采用較大的刀具負(fù)前角，有利于各向同性熱解石墨這一脆性材料的超精密切削加工，對(duì)改善加工表面質(zhì)量有顯著的作用。

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(編輯李秀敏)

The Influence of Process Parameters on Isotropic Pyrolytic Graphite Machining Quality

WANG Ming-hai1,2，LIU Dong-xi1,LIU Da-xiang2, WANG-Ben1,ZHENG Yao-hui1

(1.Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136; China, 2. Energy and Power Engineering Academy, Beihang University, Beijing 100191; China)

As a typical brittle material, isotropic pyrolytic graphite cutting problems is very prominent. This paper analyzed the impact of cutting speed, cutting depth, feed rate and rake angle on surface roughness by using polycrystalline diamond tool cutting experiment, The results showed that: The feed effect surface roughness more than the cutting speed and cutting depth, besides, increasing tool negative rake angle would improve the machined surface quality of isotropic pyrolytic graphite.

isotropic pyrolytic graphite; cutting parameters; rake angle; surface roughness

1001-2265(2015)11-0120-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.034

2014-12-22；

2015-01-25

國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃支持(A3520133004)

王明海(1971—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，沈陽航空航天大學(xué)教授，工學(xué)博士/博士后，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫芨咝?shù)控加工技術(shù)；通訊作者：劉東璽(1989—)，男，河南商丘人，沈陽航空航天大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榫芘c超精密加工技術(shù)，(E-mail)liudongxi1234@163.com。

TH161；TG506

A