聚晶金剛石刀具切削各向同性熱解石墨過(guò)程中的磨損機(jī)理

王　奔　劉東璽　王明海,2　印文典　鄭耀輝

1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng),110136 2.北京航空航天大學(xué),北京,100191

聚晶金剛石刀具切削各向同性熱解石墨過(guò)程中的磨損機(jī)理

王奔1劉東璽1王明海1,2印文典1鄭耀輝1

1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng),110136 2.北京航空航天大學(xué),北京,100191

針對(duì)各向同性熱解石墨切削過(guò)程中刀具磨損過(guò)快的問(wèn)題，采用聚晶金剛石(PCD)刀具進(jìn)行了切削加工試驗(yàn)。研究了切削過(guò)程中PCD刀具的磨損形式、磨損規(guī)律以及刀具磨損對(duì)表面加工質(zhì)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：PCD刀具磨損主要發(fā)生在后刀面上，磨損形式為磨粒磨損和氧化磨損。磨損區(qū)域可以分為平行溝槽和嚴(yán)重磨損兩種形貌。初始磨損階段，磨損帶長(zhǎng)度急劇增大，并在切削1200 m后進(jìn)入正常磨損階段。切削過(guò)程中還出現(xiàn)了石墨切屑在磨損區(qū)域的黏附堆積和刀具崩刃現(xiàn)象。切削初期,隨著切削距離的增大，加工表面粗糙度值急劇增大,切削距離為600 m時(shí)表面粗糙度達(dá)到最大值1.7 μm。

各向同性熱解石墨;聚晶金剛石刀具;刀具磨損;表面粗糙度

0　引言

各向同性熱解石墨不僅具有傳統(tǒng)碳質(zhì)材料的共性優(yōu)點(diǎn),如耐高溫、高導(dǎo)熱/導(dǎo)電性、耐磨性和潤(rùn)滑性等,而且相對(duì)于碳/碳復(fù)合材料還具有氣密性好、抗粘結(jié)性強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)低和對(duì)高低溫交變的適應(yīng)性良好[1-3]等特點(diǎn)。目前,各向同性熱解石墨已經(jīng)成為機(jī)械密封領(lǐng)域中關(guān)鍵部件的首選材料,主要應(yīng)用于航空航天、精密機(jī)械、核工程、醫(yī)學(xué)等現(xiàn)代高科技行業(yè)，例如飛機(jī)的剎車盤(pán)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸間密封環(huán)、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯部件、醫(yī)學(xué)人工心瓣等[4-5]。

各向同性熱解石墨材料屬于脆性材料,硬度很高,在較小的彈性變形之后就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。另外,在各向同性熱解石墨的制備過(guò)程中，由于設(shè)備、理論和工藝的不完善，在其內(nèi)部的局部區(qū)域存在孔隙、夾雜硬質(zhì)顆粒、裂紋等組織缺陷,這些組織缺陷會(huì)嚴(yán)重影響加工過(guò)程的穩(wěn)定性和成品件的加工質(zhì)量[6-9]。各向同性熱解石墨切削加工過(guò)程中的問(wèn)題較多,主要集中在表面加工質(zhì)量和形面精度低、邊緣斷裂和崩角現(xiàn)象嚴(yán)重、刀具磨損嚴(yán)重[3]等,其中,刀具磨損嚴(yán)重已經(jīng)成為限制各向同性熱解石墨廣泛應(yīng)用的瓶頸。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)石墨材料加工過(guò)程中刀具磨損機(jī)理進(jìn)行了研究。鐘啟茂[10]研究了金剛石涂層刀具高速銑削石墨時(shí)的磨損形態(tài)與過(guò)程,發(fā)現(xiàn)金剛石涂層刀具的磨損形式為薄膜的破損脫落,較大的切削用量、切削過(guò)程中的交變載荷和交變應(yīng)力、積屑瘤等因素是造成涂層薄膜脫落的主要原因。閆秋生[11]研究了AG2陶瓷刀具和YG類硬質(zhì)合金刀具切削燒結(jié)石墨材料時(shí)的刀具磨損機(jī)理，發(fā)現(xiàn)磨料磨損和粘結(jié)磨損是刀具的兩種主要磨損形式，磨損區(qū)域主要發(fā)生在刀具的后刀面。楊小璠等[12]研究了具有超細(xì)晶粒和粗晶粒金剛石涂層的雙刃整體硬質(zhì)合金銑刀加工GSK高純度石墨的刀具磨損情況,發(fā)現(xiàn)細(xì)晶粒的金剛石涂層刀具表面涂層性能良好，刀具磨損緩慢，刀具壽命是粗晶粒金剛石涂層刀具壽命的1.4倍,磨粒磨損、粘結(jié)磨損以及早期涂層脫落是刀具主要的磨損形式。魏莎莎等[13]研究了CVD金剛石涂層刀具和硬質(zhì)合金刀具切削石墨時(shí)的刀具磨損情況，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈磨損。CVD金剛石涂層銑刀在銑削石墨材料時(shí)表現(xiàn)出較高的耐用度和良好的抗黏著性,刀具壽命是未涂層的硬質(zhì)合金刀具壽命的10～20倍。Masuda等[14]研究了用硬質(zhì)合金刀具切削石墨和熱解碳時(shí)的刀具磨損問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)石墨材料發(fā)生脆性裂斷,產(chǎn)生的石墨顆粒沿前刀面流出，刀具磨損區(qū)域主要在前刀面，磨損形式是月牙洼。Cabral等[15]研究了采用時(shí)效處理的CVD金剛石刀具切削石墨的刀具磨損問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)刀具磨損區(qū)域主要在前刀面和后刀面，而且切削過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒狀石墨切屑會(huì)加速刀具磨損。

聚晶金剛石(PCD)是高溫超高壓條件下通過(guò)鈷等金屬結(jié)合劑將金剛石微顆粒聚集燒結(jié)合成的多晶體材料[16]。由于金剛石微顆粒在空間上排列呈無(wú)序狀態(tài)，所以聚晶金剛石的整體表現(xiàn)為各向同性，再加上硬度高且硬度均勻、熱膨脹系數(shù)低、彈性模量高和摩擦因數(shù)小等諸多優(yōu)點(diǎn)，使聚晶金剛石成為一種理想的超硬刀具材料。PCD刀具刃口鋒利，硬度高達(dá)8000 MPa,而且PCD刀具前刀面比較光滑,表面粗糙度甚至可達(dá)0.1 μm,切屑可以很容易地沿前刀面流出。另外,PCD刀具與非金屬材料間的親和力很小,從而可以避免切屑在前刀面大量堆積[17]。目前,PCD刀具在非金屬硬脆材料如高耐磨材料、復(fù)合材料、高硅鋁合金及其他韌性有色金屬材料的精密加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[18-21]。因此,PCD刀具也是切削各向同性熱解石墨的理想刀具。然而,針對(duì)各向同性熱解石墨材料切削過(guò)程中PCD刀具磨損機(jī)理的研究較少。

本文以PCD刀具和硬質(zhì)合金刀具車削各向同性熱解石墨作為研究對(duì)象,重點(diǎn)分析了車削加工過(guò)程中PCD刀具的磨損形式和刀具磨損規(guī)律,并研究了各向同性熱解石墨表面質(zhì)量變化規(guī)律。

1　切削試驗(yàn)

1.1刀具和試件材料

試驗(yàn)使用PCD刀具和硬質(zhì)合金刀具,前角為-20°,后角為5°,刀尖圓弧半徑為2 mm,其中,PCD刀具中金剛石微顆粒的粒度為10 μm。PCD刀具的形貌如圖1所示。為了便于觀察刀具的磨損情況,采用的是可裝夾式的刀具(有利于保證每次測(cè)量前后刀具相對(duì)工件的位置保持不變)。試件材料為各向同性熱解石墨，基本性能參數(shù)見(jiàn)表1。表2為能譜儀(EDS)分析的各向同性熱解石墨化學(xué)元素成分結(jié)果。

(a)PCD刀具整體形貌

(b)后刀面圖1　PCD刀具的形貌

密度(g/cm3)肖氏硬度抗折強(qiáng)度(MPa)抗壓強(qiáng)度(MPa)1.78110150250彈性模量(GPa)熱膨脹系數(shù)(10-6/℃)熱導(dǎo)率(W/(M·K))顯微硬度(MPa)20.06.5050.0600

表2　各向同性熱解石墨材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)　%

1.2試驗(yàn)條件

切削參數(shù)設(shè)置如下:切削速度vc=100 m/min,切削深度ap=0.06 mm,進(jìn)給量f=25 μm/r。在車削試驗(yàn)的過(guò)程中,采用基恩士VHX-2000型超景深三維顯微系統(tǒng)觀察刀具磨損區(qū)域的形貌,并記錄刀具后刀面的磨損帶寬度B和磨損帶長(zhǎng)度d;采用X射線能譜儀(EDS)對(duì)加工后的PCD刀具磨損區(qū)域表面元素進(jìn)行分析,同時(shí)采用拉曼光譜(HORIBA，LabRAM HR800)對(duì)PCD刀具后刀面存在的化合物進(jìn)行分析;用TR240表面粗糙度儀檢測(cè)已加工表面粗糙度,為了增加測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，每個(gè)取樣點(diǎn)測(cè)量10次，然后取其算術(shù)平均值。

2　結(jié)果與討論

2.1刀具磨損形式

各向同性熱解石墨屬于脆性材料,切削加工過(guò)程中產(chǎn)生的切屑與前刀面的接觸距離很短,而且石墨切屑產(chǎn)生的塑性變形小,因此,PCD刀具前刀面磨損較小。圖2所示為切削300 m后刀具的磨損形貌。從圖2a可以看出,當(dāng)切削距離達(dá)到300 m時(shí),前刀面上磨損很小,在放大倍數(shù)為100的顯微鏡下觀察不到任何磨損跡象。從圖2b可以看到,后刀面磨損區(qū)域分布著深度和長(zhǎng)度各異的磨損溝槽,溝槽的方向平行于切削方向,相鄰兩條溝槽之間的距離與金剛石微顆粒的粒度大小相當(dāng)。同時(shí),PCD刀具磨損區(qū)域可以分為嚴(yán)重磨損的A區(qū)域與平行溝槽的B區(qū)域兩部分。此時(shí)硬質(zhì)合金刀具的磨損情況如圖2c、圖2d所示。從前刀面來(lái)看，前刀面上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的磨損跡象，圓弧形刀尖已經(jīng)被磨損成直線形,線段的長(zhǎng)度約521 μm。與PCD磨損形貌相似，硬質(zhì)合金刀具后刀面磨損區(qū)域也是平行溝槽狀的磨損形貌,而且相鄰兩溝槽之間的距離變化較大。從刀尖區(qū)域的快速磨損來(lái)看,硬質(zhì)合金刀具不適合作為各向同性熱解石墨材料的切削刀具。

(a)PCD刀具前刀面

(b)PCD刀具后刀面

(c)硬質(zhì)合金刀具前刀面

(d)硬質(zhì)合金刀具后刀面圖2　切削300 m后刀具磨損區(qū)域的形貌

由圖2b可以看出,PCD刀具磨損區(qū)域的形狀類似拋物線，而且可以分為嚴(yán)重磨損的A區(qū)域、平行溝槽的B區(qū)域兩種存在差異的形貌。圖3所示為石墨試件和刀具的相對(duì)位置。刀尖A區(qū)域是實(shí)際參與切削加工的刀具區(qū)域，該部分刀具切削刃及后刀面所承受的沖擊載荷和切削應(yīng)力都比較大，因此，A區(qū)域刀具磨損也比較嚴(yán)重；刀尖B區(qū)域?qū)嶋H參與切削加工過(guò)程的程度有限,該部分刀具的主要作用是修整已加工表面,刀具后刀面與試件之間的接觸方式主要是滑動(dòng)摩擦,在切削加工過(guò)程中產(chǎn)生的一些硬質(zhì)顆粒難免會(huì)進(jìn)入滑動(dòng)摩擦副，從而對(duì)B區(qū)域刀具后刀面產(chǎn)生“劃擦”作用，因此，B區(qū)域刀具出現(xiàn)平行溝槽磨損現(xiàn)象。

圖3　刀具和試件相對(duì)位置

從PCD刀具的磨損形貌來(lái)看,PCD刀具的磨損形式之一是磨粒磨損。最初的后刀面磨損是由各向同性熱解石墨中的球形硬顆粒碳、夾雜的硬質(zhì)顆粒引起的磨損。隨著切削距離的增加，后刀面上磨損更嚴(yán)重。這導(dǎo)致刀具后角減小，后角減小增加了摩擦阻力。另外，PCD材料燒結(jié)時(shí)所用的鈷等金屬結(jié)合劑也因?yàn)榇嘈詳嗔讯テ鋺?yīng)有的作用,金剛石微顆粒就會(huì)脫離刀具表面[22-23]。在交變載荷和交變應(yīng)力的綜合作用下,這些硬質(zhì)顆粒在已加工表面和PCD刀具后刀面之間滾擦，并對(duì)PCD刀具的后刀面形成“劃擦”作用。通過(guò)檢測(cè)，兩條相鄰溝槽之間的距離為9～12 μm,結(jié)合PCD刀具中金剛石微顆粒粒度(10 μm)可以看出,兩者大小基本一致。因此,由磨損區(qū)域兩條相鄰平行溝槽的間距與金剛石微顆粒粒度的關(guān)系可知，金剛石微顆粒對(duì)PCD刀具后刀面的“劃擦”作用是形成平行溝槽磨損形貌的主要原因。隨著金剛石微顆粒的持續(xù)脫落，后刀面將產(chǎn)生更劇烈的磨損。

各向同性熱解石墨的主要結(jié)構(gòu)單元為球形顆粒狀碳結(jié)構(gòu)，由于球形顆粒狀碳結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料致密、石墨化程度低以及球形顆粒碳結(jié)構(gòu)的尺寸較小等因素，導(dǎo)致球形顆粒的硬度比較高[8]。因此,石墨材料中的球形顆粒碳、夾雜的硬質(zhì)顆粒也是造成PCD刀具后刀面平行溝槽磨損形貌的原因之一。硬質(zhì)合金刀具后刀面平行溝槽狀磨損形貌主要由夾雜的硬質(zhì)顆粒、顆粒狀切屑等硬質(zhì)點(diǎn)造成。由于這些硬質(zhì)點(diǎn)的尺寸大小不一，故形成的兩平行溝槽的間距變化也比較大。

為進(jìn)一步研究PCD刀具的磨損機(jī)理，采用能譜儀(EDS)對(duì)刀具后刀面的表面化學(xué)元素進(jìn)行分析。PCD刀具表面能譜分析的檢測(cè)位置如圖4a所示，其中，1點(diǎn)為刀具基體即刀具基體,2點(diǎn)為B區(qū)域即刀具平行溝槽磨損區(qū)域，3點(diǎn)為A區(qū)域即刀具表面產(chǎn)生嚴(yán)重磨損區(qū)域。圖4b為圖4a中第2點(diǎn)處的檢測(cè)結(jié)果。

(a)PCD刀具表面元素分析檢測(cè)位置

(b)2點(diǎn)處的檢測(cè)結(jié)果圖4　能譜儀檢測(cè)位置和檢測(cè)結(jié)果

結(jié)合能譜儀對(duì)PCD刀具后刀面的表面化學(xué)元素分析結(jié)果,PCD刀具表面C、O、Co、W四種化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況見(jiàn)表3。

表3　PCD刀具后刀面3個(gè)取樣點(diǎn)化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)　%

從表3可以看出,PCD刀具磨損前后C、O元素含量有所增加,Co、W元素含量有所減少?；瘜W(xué)元素含量的變化表明PCD刀具在切削各向同性熱解石墨的過(guò)程中發(fā)生了氧化磨損。切削速度為100 m/min左右時(shí),切削溫度高達(dá)500 ℃,而且切削溫度與切削速度成線性關(guān)系[14]。PCD刀具后刀面磨損區(qū)域和切削刃區(qū)域的溫度則會(huì)更高。由于溫度的升高，PCD刀具表面可能逐漸發(fā)生一系列氧化反應(yīng)，如金屬鈷與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化鈷；金剛石顆粒與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成一氧化碳和二氧化碳；一氧化碳和金剛石顆粒發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳和石墨。其中對(duì)PCD刀具磨損影響最嚴(yán)重的是金屬鈷與氧氣的氧化反應(yīng)，金屬鈷元素在PCD刀具材料中充當(dāng)結(jié)合劑的作用，由于氧化反應(yīng)造成金屬鈷元素的流失，進(jìn)而導(dǎo)致PCD刀具中金剛石微顆粒的大量脫落，刀具磨損也會(huì)更加劇烈。上述一系列氧化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式如下：

Co+O2→Co3O4+CoO

C(金剛石)+O2→CO+CO2

CO+C(金剛石)→CO2+C(石墨)

2.2刀具磨損規(guī)律

為了研究PCD刀具磨損規(guī)律,對(duì)刀具磨損區(qū)域進(jìn)行了檢測(cè)。圖5a為PCD刀具后刀面磨損帶長(zhǎng)度d和寬度B的測(cè)量示意圖。圖5b、圖5c所示為整個(gè)切削過(guò)程中PCD刀具后刀面磨損帶的變化情況。從刀具磨損帶的寬度來(lái)看，刀具磨損速度變化趨勢(shì)較穩(wěn)定，且磨損速度一直減小。而從刀具磨損帶的長(zhǎng)度來(lái)看，切削初期，PCD刀具磨損量急劇增大,切削距離s=1200 m時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。從圖5b、圖5c可以看出，切削距離達(dá)到4800 m之后,刀具磨損速度開(kāi)始明顯加快,即PCD刀具磨損進(jìn)入急劇磨損階段。

(a)刀具磨損測(cè)量示意圖

(b)PCD刀具后刀面磨損帶寬度曲線

(c)PCD刀具后刀面磨損帶長(zhǎng)度曲線圖5　后面磨損曲線

隨著切削距離的增加，后刀面上一部分A區(qū)域逐漸被石墨切屑所覆蓋。當(dāng)切削距離達(dá)到5800 m時(shí)，切屑的覆蓋區(qū)域已經(jīng)接近切削刃，而且之前出現(xiàn)在磨損區(qū)域中較深的溝槽內(nèi)也開(kāi)始逐漸出現(xiàn)石墨覆蓋現(xiàn)象。另外，平行溝槽磨損區(qū)域也開(kāi)始變得模糊，有一部分平行溝槽已經(jīng)完全消失。后刀面的磨損情況如圖6a所示。切削刃出現(xiàn)了連續(xù)微崩刃式的破損，而且微破損區(qū)域已經(jīng)擴(kuò)展到了前刀面上，如圖6b所示。在PCD刀具施加的切削力的作用下，各向同性熱解石墨材料以解理、崩碎形成小碎塊的形式脫離試件，在已加工表面上形成不同大小和深度的凹坑，進(jìn)而導(dǎo)致刀具和試件之間的接觸不連續(xù)，即切削過(guò)程中存在著“空切”階段，而且各向同性熱解石墨材料內(nèi)部存在的氣孔、裂紋等組織缺陷也會(huì)進(jìn)一步造成切削過(guò)程的非連續(xù)性[6-7，9]。因此,在切削加工過(guò)程中交變載荷和交變應(yīng)力的綜合作用下,PCD刀具切削刃就會(huì)產(chǎn)生微裂紋,并在加工過(guò)程中逐漸擴(kuò)展,最終導(dǎo)致PCD刀具崩刃。另外,切削加工系統(tǒng)的顫振以及切削參數(shù)選擇不當(dāng)也可能是導(dǎo)致刀具崩刃的重要因素。

(a)后刀面

(b)前刀面圖6　持續(xù)切削至5800 m時(shí)PCD刀具的磨損變化情況

切屑形狀的變化與刀具的磨損過(guò)程緊密相關(guān)。為進(jìn)一步研究刀具的磨損機(jī)理,對(duì)切削過(guò)程中的切屑形狀進(jìn)行了檢測(cè)。各向同性熱解石墨的切屑為顆粒狀，且隨切削距離的增加，切屑尺寸逐漸增大。切削距離分別為100 m和900 m時(shí)的各向同性熱解石墨切屑形態(tài)如圖7所示?？梢钥闯?當(dāng)s=100 m時(shí),各向同性熱解石墨切屑的最大對(duì)角尺寸約70～95 μm;當(dāng)s=900 m時(shí)，各向同性熱解石墨切屑的最大對(duì)角尺寸約200～250 μm。當(dāng)s=100 m時(shí),刀具具有較好的鋒利性，切削時(shí)材料的變形區(qū)域相對(duì)較小,因此,產(chǎn)生的切屑尺寸較小;當(dāng)s=900 m時(shí),刀具磨損較嚴(yán)重,刀具與材料的接觸面積較大，切削過(guò)程中材料的變形區(qū)域較大，導(dǎo)致產(chǎn)生的切屑尺寸較大。

(a)s=100 m

(b)s=900 m圖7　各向同性熱解石墨切屑形態(tài)

各向同性熱解石墨主要結(jié)構(gòu)單元為球形顆粒狀碳結(jié)構(gòu),在沉積過(guò)程中就會(huì)因?yàn)橄嗷ゴ罱佣纬梢欢紫?孔隙內(nèi)分布著片狀或者帶狀的石墨晶體)。石墨晶體是六角環(huán)形網(wǎng)格堆積而成的層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間的結(jié)合力很弱。因此，石墨與后刀面摩擦的過(guò)程中,石墨晶體容易發(fā)生層間解離,形成碎斷的石墨鱗片并黏附在刀具后刀面的磨損區(qū)域上[2]。這也解釋了C元素參與上述一系列氧化反應(yīng)后質(zhì)量反而增加的原因，O元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則由于鈷、鎢等元素的減少而相應(yīng)地增加。為了驗(yàn)證切削過(guò)程中發(fā)生了石墨轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，采用拉曼光譜(HORIBA,LabRAM HR800)對(duì)刀具磨損區(qū)域表面存在的化合物進(jìn)行分析。結(jié)果如圖8所示,石墨峰的出現(xiàn)證明了PCD刀具后刀面磨損區(qū)域石墨的存在。

圖8　PCD刀具表面成分分析結(jié)果

2.3加工表面質(zhì)量

切削距離不同時(shí)的各向同性熱解石墨加工表面形貌如圖9所示。當(dāng)s=100 m時(shí)即切削初期,PCD刀具切削刃相對(duì)鋒利,加工表面質(zhì)量好,已加工表面平滑且凹坑深度小。當(dāng)s=600 m時(shí),刀具磨損愈加嚴(yán)重而且此時(shí)石墨轉(zhuǎn)移不充分,加工表面質(zhì)量差,表面出現(xiàn)較大的凹坑。當(dāng)s=1500 m時(shí),石墨切屑在PCD刀具后刀面達(dá)到了充分黏附，一方面延緩了刀具磨損,另一方面改變了刀具與試件之間的摩擦性質(zhì),加工表面質(zhì)量有所改善。

(a)s=100 m

(b)s=600 m

(c)s=1500 m圖9　試件加工表面形貌

為進(jìn)一步檢測(cè)加工表面質(zhì)量,對(duì)石墨表面輪廓及表面粗糙度進(jìn)行了分析。切削距離分別為600 m和1950 m時(shí),PCD刀具加工得到的各向同性熱解石墨試件表面微觀形貌如圖10所示。

(a)輪廓測(cè)量位置

(b)表面輪廓對(duì)比圖10　加工表面的微觀形貌

選取圖10中A點(diǎn)為測(cè)量起點(diǎn),B點(diǎn)為測(cè)量終點(diǎn),圖10b所示為A、B兩點(diǎn)連線的表面輪廓曲線。從圖10b可以觀察到,s=600 m時(shí),PCD刀具的加工表面分布著較大的凹坑和凸峰,起伏范圍也比較大,加工表面的最大高度差為105 μm;s=1950 m時(shí),PCD刀具的加工表面質(zhì)量明顯變好,加工表面的最大高度差為20.15 μm,無(wú)論是凹坑的深度還是凸峰的高度相比s=600 m時(shí)的加工表面都要小且分布比較均勻。

加工表面粗糙度Ra與PCD刀具切削距離的關(guān)系如圖11所示。切削距離小于600 m時(shí),已加工表面粗糙度急劇上升，并在切削距離為600 m時(shí)達(dá)到了最大值1.7 μm,隨后已加工表面粗糙度減小,當(dāng)切削距離大于1200 m時(shí),表面粗糙度呈現(xiàn)出波浪式變化趨勢(shì),上下變化的浮動(dòng)值約0.4 μm，表明PCD刀具具有良好的切削穩(wěn)定性。

圖11　表面粗糙度與切削距離的關(guān)系

切削初期,PCD刀具磨損非常快,導(dǎo)致表面粗糙度Ra急劇增大。隨著切削距離的增加,石墨切屑開(kāi)始黏附堆積在PCD刀具的磨損區(qū)域。當(dāng)s>600 m時(shí),滑動(dòng)摩擦副關(guān)系由原來(lái)的PCD刀具與石墨之間的摩擦變?yōu)槭c石墨之間的摩擦,摩擦因數(shù)逐漸減小,已加工表面粗糙度也會(huì)相應(yīng)地減小。但是,石墨切屑在PCD刀具磨損區(qū)域的堆積并不是十分牢固，在切削加工過(guò)程中還會(huì)不斷地從PCD刀具上破損脫落，與此同時(shí)，新產(chǎn)生的石墨切屑還會(huì)在磨損區(qū)域再次堆積。當(dāng)s>1200 m時(shí),石墨切屑在PCD刀具磨損區(qū)域的黏附堆積是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，即堆積—破損脫落—再堆積，這也是導(dǎo)致已加工表面粗糙度呈現(xiàn)波浪式變化的原因。

3　結(jié)論

(1)PCD刀具切削各向同性熱解石墨材料時(shí)刀具磨損主要發(fā)生在后刀面上，磨損區(qū)域分為平行溝槽和嚴(yán)重破損兩種存在差異的磨損形貌,相鄰兩溝槽之間的距離與PCD刀具材料中金剛石微顆粒的粒度相當(dāng),約9～12 μm,磨損形式是磨粒磨損和氧化磨損。硬質(zhì)合金刀具磨損非?？?，作為各向同性熱解石墨材料的切削刀具具有較大的局限性。

(2)隨著切削距離的增加,PCD刀具磨損區(qū)域的形狀發(fā)生了明顯變化,由拋物線向長(zhǎng)方形演變。切削過(guò)程中還出現(xiàn)了石墨切屑在刀具磨損區(qū)域的堆積和PCD刀具切削刃崩刃現(xiàn)象。

(3)切削初期,已加工表面粗糙度值急劇增大,并在s=600 m時(shí)達(dá)到最大值1.7 μm。隨后已加工表面粗糙度值減小并呈波浪式變化,這主要是因?yàn)槭行荚赑CD刀具磨損區(qū)域的動(dòng)態(tài)黏附堆積改變了刀具與已加工表面之間的接觸狀態(tài)。

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(編輯陳勇)

Wear Mechanism of PCD Tool during Cutting of Isotropic Pyrolytic Graphite

Wang Ben1Liu Dongxi1Wang Minghai1,2Yin Wendian1Zhen Yaohui1

1.Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process Shenyang Aerospace University,Shenyang,110136 2.Beihang University,Beijing,100191

According to the rapid tool wear during cutting of isotropic pyrolytic graphite,a turning experiment of isotropic pyrolytic graphite was conducted using PCD tools.The wear formation of PCD tool,tool life and the effects of tool wear on the machined surface were studied.Based on the experimental results and analyses,the results show that the PCD tool wear mainly occurres in the flank face,and the wear forms are abrasive wear and oxidation wear.The wear area can be divided into two kinds of morphology:parallel grooves and severe wear.The length of wear region is increased fast in the first stage. When the cutting distance is larger than 1200 m,the cutting tool enters the normal wear stage.Besides,chip accumulation in wear region and tool edge chipping appear in the cutting process.With the increase of cutting distance,the roughness of machined surface increases fast.And the maximum roughness is as 1.7 μm when the cutting distance is of 600 m.

isotropic pyrolytic graphite;polycrystalline diamond(PCD) tool;tool wear;surface roughness

2015-01-21

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃支持項(xiàng)目

TH161DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.20.005

王奔,男,1984年生。沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室講師。主要研究方向?yàn)槭牧系某芗庸?、?fù)合材料加工等。發(fā)表論文10余篇。劉東璽,男,1989年生。沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。王明海,男,1971年生。沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室教授,北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院博士后研究人員。印文典，男，1989年生。沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。鄭耀輝，男，1975年生。沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室副教授。