含硼炭材料的机加工探索

■方大炭素新材料科技股份有限公司 （甘肃兰州 730084） 辛向东

含硼炭材料的机加工探索

■方大炭素新材料科技股份有限公司 （甘肃兰州 730084） 辛向东

摘要：本文介绍了含硼炭材料在数控加工中心机加工过程中，因刀具磨损严重，造成加工成本过高和加工效率低的现状，结合生产实际，提出新的加工思路，对刀具重新设计制造，并达到预期的效果。

含硼炭材料主要制作成含硼炭砖，应用于陶瓷堆内构件的堆体材料。其物理特性主要是硬度高（肖氏硬度可达85HS）、脆性大，在机加工过程中对刀具的磨损严重，及易产生崩边缺陷。

传统的高炉炭砖因对尺寸公差和形位公差要求不高，故加工采用：锯切下料→铣削→磨削工艺，就能达到尺寸和形位要求，但对陶瓷堆内构件炭砖来说，因设计要求达IT8级，均为异形件，传统加工工艺已远远无法满足，而且在炭砖上有很多孔槽结构，对这些孔槽的形状和位置均有极高的要求，必须通过数控加工才能实现。为此，制定的工艺路线为：锯切下料→粗铣→粗磨→数控机床精铣→精镗，已在实际加工中达到设计要求。

1. 问题的提出

陶瓷堆内构件炭砖的典型零件如图1所示，其技术要求是：①未注表面粗糙度值的炭部件Ra=6.3mm。②在炭部件上凡未标注的倒内圆R=5mm，凡未标注的炭砖直角棱边倒角Zmm，炭部件上外圆和内圆直角棱边倒角为X45°。③未注尺寸公差的炭部件按GB/T1800.3-1998定为IT12级。④未注形位公差的炭部件按GB/T1184-1996定为IT11级。⑤炭砖非直角边线性尺寸的测量以倒角前的交点或倒圆时的角边延长线交点为基准。

为保证图1中的对称度要求，两个大斜面的加工在数控卧铣机床上加工，加工余量10～15mm，刀具选用f160mm的6刃面铣刀，刀片选用北京沃尔德超硬工具有限公司生产的PCD金刚石刀片，该刀片对普通石墨炭砖有效切深可达5mm，但对含硼炭砖，在转速n=600r/min，进给量f=300mm/r时，切深最大只能达到2mm，10～15mm加工量需7次进刀加工，而且切削刃磨损非常

严重，转速越高磨损越快，经现场统计，加工这样的两块含硼炭砖，就会报废一组刀片，加工成本非常高（一组刀片价值5 400元）。由于切削刃的磨损快，为保证加工精度，每块砖的加工需经过2～3次的在线测量，每次更换新刀片还需重新测定刀补，加工准备和加工辅助时间将占用整个加工时间的30%～50%，效率很低。

图1

多次和刀具厂沟通，包括加厚金刚石涂层、改变切削刃的切削角度及现场调整加工参数等一系列方法，仍然没有达到效果。能否找到一种新的加工方法，既能降低加工成本，又能减少加工准备和加工辅助时间，并提高加工效率。为此，我们进行了探讨，并对原加工工艺进行了改进。

2. 新方法的探索

通过仔细分析和现场观察切削刃的磨损情况（见图2），发现该磨损为正常磨损，每切削刃的切削厚度：H=1/6（F/S）=1/6 （300/600）=0.083mm

如果增大进给或降低转速，则产生崩刃现象。所以判定切削刃在加工炭砖过程中，实际上是磨削，且由于高速磨削产生大量磨削热致使PCD切削刃的耐磨性迅速降低，所以磨损非常严重。

既然分析出切削刃在磨削加工，我们考虑从磨削进行改造，选择炭素行业加工通用磨块，设计磨盘如图3所示。

图2

图3

该磨盘装在BT50刀柄上，在数控加工中心使用，转速n=600r/min，进给量f=300mm/r时，切深可达4mm，表面粗糙度值、尺寸精度均达到图样要求。当转速增至n=900r/min，进给量f=600mm/r时，加工质量满足要求，加工效率提高1/3。

3. 经济效果分析

该刀具经设计制造并投入使用，转速设定在n=900r/min，进给量f=600mm/r，切深保持在3mm，已连续加工含硼炭砖30块。虽有磨损但由于磨块本身的自锐性特点，磨损没有造成工件精度的变化，而且大大减少了员工更换刀片和重新对刀时间，加工准备和加工辅助时间降低到整个加工时间的20%左右。预计这组磨刀可加工100块以上的含硼炭砖。这1把刀（磨块成本5 000元）每年节约PCD金刚石刀片采购费用可达40万元。已在我公司其他两台加工中心机床上推广应用，效果显著。

收稿日期：（20150412）