石墨电极高速加工刀具磨损

　　刀具磨损是石墨电极加工中最重要的问题。磨损量不仅影响刀具损耗费用、加工时间、加工质量，而且影响电极EDM加工工件材料的表面质量，是优化高速加工的重要参数。

　　石墨电极材料加工的主要刀具磨损区域为前刀面和后刀面。在前刀面上，刀具与破碎切屑区的冲击接触产生冲击磨粒磨损，沿工具表面滑动的切屑产生滑动摩擦磨损。影响高速加工刀具磨损的因素：

　　一、前刀面冲击磨损

　　切屑颗粒在刀具前刀面产生的冲击有两种形式，一种是与前刀面呈一定角度的冲击，这种冲击导致表面层脱落或剥落：另一种是切削冲击，即石墨切屑在刀具前刀面产生微切削，最大切削沟痕宽度达150nm，冲击区磨损形成了前刀面月牙洼磨损(图4)。

图4 刀具磨损

　　二、前刀面滑动区刀具磨损

　　在前刀面的滑动磨损区，石墨碎屑对前刀面有一定的保护作用。后刀面磨损主要是刀具后刀面与已加工表面的机械摩擦磨损。

　　三、切削速度

　　切削速度增大，虽然大块断裂面积增加，但KT减小，KB大致不变，同时月牙洼磨损截面积减小。随着切削速度的增大，在摩擦面生成的石墨润滑膜增厚，表面磨损系数减小，所以刀具磨损下降很快，这也是采用高速加工石墨优越性的一个重要原因。

　　四、刀具材料

　　刀具材料对冲击磨损量的影响很大。一般刀具材料HV提高，则KT下降。刀具材料对刀具磨损的影响如图5所示。

　　工件材料:EK85：晶粒尺寸:13?m：刀具:立铣刀，D=12mm，Z=2：切削条件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm

图5 切削速度与刀具材料对刀具磨损的影响

　　硬质合金刀具加工石墨电极材料时的磨损机理:在滑动区因微切削和表面疲劳破坏产生磨损：最终导致刀具粘结相(Co)磨粒磨损和耐磨损相(WC)的磨损、产生裂纹和断裂脱落。增大WC 的颗粒尺寸和减小Co 相的颗粒尺寸，可使刀具磨损下降。刀具表面有时会有石墨粘结。

　　聚晶金刚石刀具磨损是由石墨切屑对结合相的磨损以及金刚石破碎后引起的二次磨粒磨损组成。刀具表面通常有一层粘附石墨形成的润滑膜，其耐磨性是硬质合金K10的1～2倍。

　　金刚石薄膜刀具表面通常有强烈的石墨粘附，并有金刚石表面损伤破碎，没有月牙洼磨损。它属于宏观冲击磨损，而不是机械磨料磨损。涂层基体硬质合金表面处理效果影响涂层效率，也对刀具寿命有很大影响。金刚石薄膜刀具的寿命可达K10的100倍，并优于PCD刀具。

　　硬质合金涂层刀具(TiN等)可显著改善刀具耐磨性。

　　Al2O3陶瓷刀具并不适合切削石墨材料。

　　五、进给量

　　提高铣刀每齿进给量，KB、KL、KT均增大。增加每齿的切削宽度，即增加了平均切屑厚度，因此切削冲击上升，刀具磨损上升。从图6中可看出铣削宽度大于铣刀半径后切削状况的改变。

　　工件材料:EK85：晶粒尺寸:13?m：刀具:平底立铣刀，D=12mm，Z=2：刀具材料:硬质合金K10：磨钝标准:VB=0.1mm

图6 进给量和铣削宽度与刀具磨损的关系

　　六、刀具角度

　　刀具前角增大，改变了切屑颗粒冲击角度，KT下降，但KB变化不大：后角增大，则刀具锋利性增大，后刀面磨损减小：主偏角的变化，改变了切削受力方向和实际切削面积，因此随着主偏角增大，刀具磨损也下降，刀具耐用度得到提高(图7)。

　　刀具:平底立铣刀，D=6mm，Z=2：刀具材料:硬质合金K10：磨钝标准:VB=0.12mm：切削条件:Vc=600m/min，fz=0.06mm，ap=6mm，ae=1mm

图7 刀具角度对刀具磨损的影响

　　七、刀具结构

　　高速铣削常用球头铣刀和平底铣刀进行加工。当采用球头立铣刀加工曲面，其切削速度从外到里是下降的，因此刀具顶部易于磨损。平底立铣刀可加工台阶轮廓，加工余量波动强烈，加工出的工具轮廓波动使精加工刀具受到强烈损害。相同条件下这两种刀具比较，平底立铣刀的切削距离比球头立铣刀的长。

　　八、石墨电极材料

　　石墨电极材料对刀具磨损有很大影响。如图8所示，高速加工时石墨晶粒尺寸越小，刀具寿命越高，刀具寿命大致与抗弯强度和肖氏硬度呈正比。此外石墨电极材料石墨化程度及浸渍材料成分、填充材料粒度，也对刀具磨损有一定的影响。

　　刀具:平底立铣刀，D=6mm，Z=2：刀具材料:HM K10：切削条件:fz=0.05mm，ap=3mm，ae=12mm

图8 石墨电极材料对刀具磨损的影响

　　九、铣削方向

　　在高速铣削加工中铣削加工方向是十分重要的。相同条件下进行顺铣和逆铣加工时，由于破碎颗粒量的不同以及刀具实际切入冲击的不同，刀具寿命也不相同，逆铣的刀具寿命高于顺铣刀具寿命(图9)。

　　工件材料:V1364：粒度:7?m：刀具:平底立铣刀，D=6mm：刀具材料:硬质合金K10：切削条件:Vc=600m/min，fz=0.074mm，ap=3mm，ae=0.35mm，Rth=5?M

图9 铣削方向对刀具磨损的影响