Graphit ist ein weit verbreitetes, schwarzes, nichtmetallisches Material mit hoher und niedriger Temperaturbeständigkeit, guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, guten Schmiereigenschaften und stabilen chemischen Eigenschaften. Aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit eignet es sich als Elektrode in der Funkenerosion. Im Vergleich zu herkömmlichen Kupferelektroden bietet Graphit zahlreiche Vorteile wie hohe Temperaturbeständigkeit, geringen Entladungsverbrauch und geringe thermische Verformung. Es zeigt eine bessere Eignung für die Bearbeitung von Präzisions- und komplexen Teilen sowie für großformatige Elektroden. Graphit hat Kupferelektroden als Standardelektrode für die Funkenerosion zunehmend ersetzt [1]. Darüber hinaus kann Graphit als verschleißfester Werkstoff unter Hochgeschwindigkeits-, Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen ohne Schmieröl eingesetzt werden. Viele Maschinen verwenden Graphit für Kolbenringe, Dichtungen und Lager.
Graphitwerkstoffe finden heutzutage breite Anwendung im Maschinenbau, der Metallurgie, der chemischen Industrie, der Verteidigung und weiteren Bereichen. Es gibt viele Arten von Graphitbauteilen mit komplexen Strukturen, die hohen Anforderungen an Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität genügen müssen. Die Forschung zur Graphitbearbeitung ist in China noch nicht ausreichend fortgeschritten. Auch die Anzahl der inländischen Werkzeugmaschinen für die Graphitbearbeitung ist vergleichsweise gering. Im Ausland werden Graphitbearbeitungszentren hauptsächlich für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eingesetzt, was sich mittlerweile als Hauptentwicklungsrichtung der Graphitbearbeitung etabliert hat.
Dieser Artikel analysiert hauptsächlich die Graphitbearbeitungstechnologie und die zugehörigen Werkzeugmaschinen unter folgenden Gesichtspunkten.
①Analyse der Bearbeitungsleistung von Graphit;
② Gängige Maßnahmen der Graphitverarbeitungstechnologie;
③ Häufig verwendete Werkzeuge und Schnittparameter bei der Graphitverarbeitung;
Analyse der Schneidleistung von Graphit
Graphit ist ein spröder Werkstoff mit heterogener Struktur. Die Graphitbearbeitung erfolgt durch die Erzeugung diskontinuierlicher Späne oder Pulver durch den Sprödbruch des Graphitmaterials. Der Schneidmechanismus von Graphitwerkstoffen wurde von Wissenschaftlern im In- und Ausland umfassend untersucht. Ausländische Forscher gehen davon aus, dass die Spänebildung beim Kontakt der Schneide mit dem Werkstück folgendermaßen abläuft: Die Werkzeugspitze wird zerkleinert, wodurch kleine Späne und kleine Vertiefungen entstehen. Dabei bildet sich ein Riss, der sich zur Vorder- und Unterseite der Werkzeugspitze ausbreitet und eine Bruchgrube bildet. Durch den Vorschub des Werkzeugs bricht ein Teil des Werkstücks ab und es entstehen Späne. Inländische Forscher hingegen nehmen an, dass die Graphitpartikel extrem fein sind und die Schneide einen großen Spitzenbogen aufweist, wodurch die Funktion der Schneide einer Extrusion ähnelt. Das Graphitmaterial im Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Werkstück wird durch die Spanfläche und die Werkzeugspitze zusammengedrückt. Unter diesem Druck kommt es zum Sprödbruch, wodurch Späne entstehen [3].
Beim Graphitschneiden entstehen durch Änderungen der Schnittrichtung an abgerundeten Ecken oder Kanten des Werkstücks, durch Änderungen der Werkzeugmaschinenbeschleunigung, durch Änderungen der Schnittrichtung und des Schnittwinkels beim Ein- und Ausfahren des Werkzeugs sowie durch Schnittvibrationen etc. erhebliche Belastungen des Graphitwerkstücks. Dies führt zu Kantenversprödung und Ausbrüchen, starkem Werkzeugverschleiß und anderen Problemen. Insbesondere bei der Bearbeitung von Ecken und dünnen, schmalrippigen Graphitteilen treten diese Probleme häufiger auf und stellen eine Herausforderung in der Graphitbearbeitung dar.
Graphitschneidverfahren 
Zu den traditionellen Bearbeitungsverfahren für Graphitwerkstoffe zählen Drehen, Fräsen, Schleifen und Sägen. Diese eignen sich jedoch nur für die Bearbeitung von Graphitteilen mit einfachen Formen und geringer Präzision. Mit der rasanten Entwicklung und Anwendung von Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungszentren für Graphit, Schneidwerkzeugen und zugehörigen Technologien wurden diese traditionellen Verfahren zunehmend durch Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungstechnologien ersetzt. Die Praxis hat gezeigt, dass aufgrund der Härte und Sprödigkeit von Graphit der Werkzeugverschleiß während der Bearbeitung deutlich höher ist. Daher empfiehlt sich der Einsatz von Hartmetall- oder diamantbeschichteten Werkzeugen.
Schneidprozessmaßnahmen
Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Graphit müssen zur Erzielung einer hohen Bearbeitungsqualität entsprechende Prozessmaßnahmen ergriffen werden. Beim Schruppen von Graphit kann das Werkzeug direkt auf das Werkstück vorgeschoben werden, wobei relativ große Schnittparameter verwendet werden. Um Ausbrüche beim Schlichten zu vermeiden, werden häufig verschleißfeste Werkzeuge eingesetzt, um die Schnitttiefe zu reduzieren. Zudem ist darauf zu achten, dass die Steigung des Werkzeugs weniger als die Hälfte seines Durchmessers beträgt und Prozessmaßnahmen wie die Bearbeitung mit reduzierter Vorschubgeschwindigkeit an beiden Enden durchgeführt werden [4].
Es ist außerdem wichtig, den Schnittweg beim Zerspanen sinnvoll zu gestalten. Bei der Bearbeitung der Innenkontur sollte die Außenkontur möglichst weitestgehend genutzt werden, um den Kraftbereich des Werkstücks stets dicker und stabiler zu gestalten und ein Brechen des Werkstücks zu verhindern [5]. Bei der Bearbeitung von Flächen oder Nuten ist ein diagonaler oder spiralförmiger Vorschub vorzuziehen. Inseln auf der Werkstückoberfläche und ein Abschneiden des Werkstücks an der Oberfläche sind zu vermeiden.
Darüber hinaus ist das Schneidverfahren ein wichtiger Faktor, der die Graphitbearbeitung beeinflusst. Die Schnittvibrationen beim Gleichlauffräsen sind geringer als beim Gegenlauffräsen. Die Schnittdicke des Werkzeugs wird beim Gleichlauffräsen von maximal auf null reduziert, und es tritt kein Rückprallen auf, nachdem das Werkzeug in das Werkstück eingedrungen ist. Daher wird für die Graphitbearbeitung im Allgemeinen das Gleichlauffräsen gewählt.
Bei der Bearbeitung von Graphitwerkstücken mit komplexen Strukturen müssen neben der Optimierung der Bearbeitungstechnologie auf Grundlage der oben genannten Überlegungen einige besondere Maßnahmen entsprechend den spezifischen Bedingungen ergriffen werden, um die besten Schnittergebnisse zu erzielen.
Veröffentlichungsdatum: 20. Februar 2021