在现代工业向高精度、高产出、高可靠性转型的背景下，石墨材料借助其独特的物理化学特性，成为半导体芯片散热部件、精密模具、航空航天特种构件等关键产品的核心用材。随着这些领域对零件精度与加工效率的要求不断增高，石墨加工技术面临着严峻挑战。石墨材料硬度偏高、晶粒结构疏松还含硬质颗粒，在做铣削、磨削等加工处理时，刀具与工件间很容易出现强烈的机械摩擦、化学作用及热效应，造成刀具迅速磨蚀、刃口丧失作用，频繁替换刀具不仅加大了生产成本，还会影响加工尺寸的稳定性以及表面质量，甚至引发工件报废等问题。因此，深度探究石墨加工时刀具磨损的内在机理，确定磨损的关键影响要素，探索切实有效的刀具寿命提升策略，在突破石墨加工技术障碍、推动相关产业高质量发展方面具有重要的理论及工程意义。

一、石墨加工中刀具磨损机制

在石墨加工过程中，刀具磨损是由材料特性、切削作用与环境因素共同作用的复杂现象，核心表现为磨粒磨损、化学磨损、热化学磨损及粘结磨损四种形式，且多种机制协同加速刀具损坏。磨粒磨损是占据主导地位的磨损形式，石墨材料存有硬质颗粒，且其脆性大，加工过程中，破碎的石墨颗粒与刀具表面产生剧烈机械摩擦，如“磨料”刮擦刀具刃面，造成刃口出现微小的犁沟与划痕，长期作用下刀具材料逐渐剥落，导致刃口变钝。化学磨损由切削区的化学反应引起，石墨加工时的高温高压环境，会推动刀具材料与石墨、空气中的氧以及水汽产生化学方面的反应，生成硬度低于原有水平的化合物，此类化合物易脱离，引起刀具表面材料的损失。热化学磨损是热效应和化学作用叠加所得的结果，切削时产生的大量切削热让刀具温度迅速上升，而且加速了化学磨损反应的进行速度，还会引起刀具材料出现热膨胀、热应力，导致刃口出现细微裂纹，裂纹不断扩展进一步加重材料脱落，加速刀具失效^[1]。粘结磨损与界面作用相关联，加工时的高压使石墨颗粒与刀具表面紧密地贴合，部分颗粒借助原子间作用力黏附在刀具刃口，后续切削中这些附着的颗粒被工件或切屑撕开，带走刀具表面里的微小材料，让刃口出现了粘结坑，影响切削精度并加速磨损。

二、刀具使用寿命提升核心策略

（一）刀具优化设计

刀具优化设计是强化石墨加工刀具寿命的核心支撑，应围绕材料适配的表现、结构合理的表现与表面强化技术开展。从材料选型的角度，基于石墨高磨粒性的特性，首先选用聚晶金刚石（PCD）、化学气相沉积（CVD）金刚石涂层刀具，其硬度与耐磨能力远超传统的硬质合金，可有效抵御石墨颗粒的刮擦磨损；硬质合金刀具可借助添加TiC、TaC等合金元素优化其成分，提升高温下的稳定性。涂层技术改进重点放在增强界面结合力及耐磨性上，普遍应用类金刚石（DLC）、TiAlN/SiN多层复合涂层，依靠物理气相沉积，又可减少磨粒的磨损，还可阻挡切削区的化学反应，刃口几何参数优化需同时兼顾切削锋利程度与抗冲击能力，通过采用负前角（-5°~-10°）减少崩刃的风险，结合10-20μm的微刃口半径实施刃口钝化处理，降低应力集聚；就复杂曲面加工这一情况，设计螺旋角从30°至45°取值的多刃刀具，把切削载荷进行分散，提高耐用时长^[2]。

（二）加工工艺参数调控

科学调整加工工艺参数是平衡加工效率与刀具寿命的关键。切削速度应依照刀具材料来匹配，PCD刀具适合采用100-300m/min的高速切削方式，需把硬质合金刀具的速度控制在30-80m/min，防止速度过高让热化学磨损进一步加剧；把进给量选择为0.01-0.05mm/z，过小会引起刀具与工件持续摩擦，若进给量过大则产生剧烈冲击，需结合切削深度做分层调整。采取分层切削策略，把单次的切削深度把控在0.1-0.3mm，减小刀具承受的径向力大小，避免刃口出现崩裂损坏，进行加工路径规划优先采用顺铣方式，降低切削时石墨颗粒对刃口冲击及切削阻力；防止出现尖角切削和频繁的换向，凭借圆弧过渡、螺旋下刀等路径缓解刀具振动，间歇切削技术的采用可有效实现散热效果，采用设定0.5-1s的切削间隔时间，使刀具与工件短暂分离，降低切削区的温度值，降低热化学磨损与黏结磨损的叠加作用，进一步削弱磨损协同效应，为刀具寿命延长筑牢工艺基础。

（三）切削环境改进

优化切削环境能大幅削弱磨损机制的协同效果，延长刀具寿命。冷却方式选择需与石墨加工特性相匹配，干式切削虽能防止切屑出现堵塞现象，但需与刀具材料及参数优化相配合；气冷能快速排出切屑，减少磨粒出现二次磨损，适合中低速的加工模式。低温切削技术凭借液氮或者低温气体完成冷却，把切削区温度降到-50℃以下，遏制热化学反应以及刀具热变形，尤其适配高速切削场景，能使刀具的实际寿命增长30%-50%^[3]。微量润滑（MQL）技术采用油气混合物精确地喷射到切削刃，在刀具与工件的间隙形成润滑膜，降低摩擦系数，同时防止石墨粉尘与冷却介质混合后形成结块，其润滑介质可采用植物基润滑油，既保证环保又有润滑效果，优化设计切屑排出通道，杜绝切屑在加工区域积攒，减小磨粒对刀具表面的不断刮擦，强化切削环境适配性，助力刀具寿命稳步提升。

（四）磨损监测与自适应调控

磨损监测及自适应调控技术为刀具寿命的延长提供智能化支撑。在线磨损检测可采用多传感器融合的途径：声发射传感器采集刀具磨损期间产生的特征信号，振动传感器对切削振动的幅值变化进行监测，视觉传感器凭借图像识别测量刃口磨损量，达成对磨损状态的实时精准判定。基于检测数据构建磨损预测模型，结合加工参数、材料特性等因素，依靠机器学习算法预测刀具剩余寿命，提前发出换刀预警。自适应调控系统凭借磨损信号动态调整加工参数，若监测到磨损加剧，自动把切削速度降低10%-20%，或降低进给量，防止刀具突发故障；对于多工序加工，可采用PLC编程实现加工路径的实时优化操作，减少刀具与工件之间的无效接触。此外，智能加工中心可融入自动换刀系统，按照磨损预测结果精准替换刀具，在保证加工连续性的同时，避免过度更换刀具引发的成本浪费^[4]。

三、结语

综上，石墨加工中刀具磨损是材料特性、刀具性能以及加工条件等多因素共同作用造成的结果，主要的磨损形式是磨粒磨损与热化学磨损。刀具优化设计、工艺参数的合理调控、切削环境的优化改进及磨损监测与自适应管控等策略，从不同维度为增加刀具寿命、提高加工效率给出了有效途径。未来研究应进一步把焦点放在新型刀具材料研发、智能加工技术融合和绿色加工工艺创新上，以应对现有技术在复杂工况下的适配性挑战，促进石墨加工产业的高效、低成本发展。

参考文献：

[1]张超,尹自强,钟桦,等.预测球头铣刀精铣石墨后刀面磨损轮廓的方法[J].工具技术,2025,59(07):139-150.

[2]周磊,卞玲玲,罗胜,等.基于金刚石涂层的石墨铣刀磨损特性研究[J].工具技术,2024,58(05):57-60.

[3]邓佳伟,王奔,赵明,等.石墨烯纳米流体微量润滑车削GH4169镍基高温合金时刀具的磨损规律[J].工具技术,2023,57(01):40-43.

[4]王威,关英良,杨大勇,等.涂层刀具在石墨加工中的应用现状及发展趋势[J].工具技术,2022,56(09):3-9.