石墨電極外圓車削實驗研究

張 澎 張志義* 孫長健

（1、北華大學機械工程學院，吉林 吉林132000 2、北華大學工程訓練中心，吉林 吉林132000）

1 概述

石墨電極質(zhì)量輕，具有良好的耐腐蝕性和韌性[1]，并且能夠抵抗較大電流的沖擊，在高溫環(huán)境下也不軟化、不熔化，逐步取代銅電極，被廣泛應(yīng)用到電爐煉鋼和其他冶金行業(yè)[2]。石墨電極不僅體現(xiàn)于材料優(yōu)勢，而且依托于制造成本優(yōu)勢取得了市場主導權(quán)，因此石墨電極生產(chǎn)對冶金行業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[2]。

石墨電極主要以石油焦、針狀焦為原料，煤瀝青作結(jié)合劑，經(jīng)粉碎混合、混捏、壓型、焙燒、石墨化、機械加工而制成[3]。石墨材料具有一定特殊性，屬非均勻質(zhì)脆性材料，內(nèi)部有較大的孔隙率，存在延展性差、機械強度低等缺點。石墨材料去除方式與金屬不同，主要為脆性斷裂生成不連續(xù)的崩碎形切屑或粉末。在實際企業(yè)加工中，對石墨電極進行外圓粗加工時，為提高生產(chǎn)效率往往采用大切深加工。本文針對φ150mm 規(guī)格的石墨電極，利用正交實驗分析切削工藝參數(shù)對切削力影響，總結(jié)規(guī)律并對加工工藝的合理化進行分析，希望能夠?qū)ζ髽I(yè)在加工工藝參數(shù)的選擇和設(shè)備設(shè)計結(jié)構(gòu)的完善提供理論依據(jù)與實踐指導。

2 實驗

本文以CK0630 數(shù)控車床為試驗平臺，在刀架下安裝三維力傳感器。根據(jù)切削力經(jīng)驗公式可知，影響切削力的參數(shù)很多，本文主要從加工工藝中的切削深度ap、進給量f、切削速度vc變化來研究其對切削力的影響。將切削力合力分解為三個相互垂直的分力，切向力Fc、背向力Fp、進給力Ff，通過測力傳感器測量切削分力，分析工藝參數(shù)對其產(chǎn)生的影響。本實驗選用硬質(zhì)合金YG8 材料的刀具，刀具前角為150，刀具鈍圓半徑為0.5mm，適于鑄鐵、有色金屬和非金屬材料的粗車、粗刨、粗銑等加工。為保證實驗的準確性，每組實驗切削三次，取其平均值作為該參數(shù)組合下的切削力。實驗采用普通功率石墨電極，電極的物理性能指標如表1 所示。

表1 石墨電極物理性能指標[5]

3 結(jié)果和分析

3.1 切削力曲線

圖1 是典型進給力切向力曲線，可以看出切削力具有較大波動且波動具有一定的周期性。切削力的周期波動與切屑的形成有關(guān)，切削力在一個周期內(nèi)從小到大再變小，在刀具切入切削力變大，隨著繼續(xù)切削，切削力繼續(xù)變大，當切削力超過石墨材料的斷裂應(yīng)力極限時發(fā)生崩裂脫離，刀具突然切空，切削力瞬時下降。同時由于材料本身存在一定不均勻性，也對切削力波動產(chǎn)生一定影響。對典型切削力曲線進行平滑處理后得到切削力擬合曲線，如圖2 所示。從圖中可以看出，F(xiàn)f與Fc具有相同的波動，F(xiàn)f數(shù)值在50N 左右上下波動，F(xiàn)c在40N 左右上下波動，F(xiàn)f約為（1～1.25）Fc，這與金屬加工中Fc最大、Ff為（0.1～0.6）Fc這一規(guī)律不同，產(chǎn)生這種情況的原因主要是因為材料本身性質(zhì)造成。

圖1 典型進給力、切向力曲線

圖2 切削力擬合曲線圖

3.2 切削深度對切削力的影響

利用正交實驗分析切削深度ap對穩(wěn)定切削階段切削力的影響變化趨勢。圖3 是ap對Ff的影響趨勢。圖4 是ap對Fc的影響趨勢?？梢钥闯?，隨著ap增大，F(xiàn)f、Fc呈現(xiàn)出明顯上升趨勢且增加幅度較大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在切削過程中被裂紋擴展路徑包裹的材料體積增大，被去除材料所需要的剪切力增大。在ap的選擇上，ap越大切削力越大，對刀具的磨損越大，企業(yè)在實際加工過程中應(yīng)選擇合適的切削深度。

圖3 不同切削深度ap 下的進給力Ff

圖4 不同切削深度ap 下的切向力Fc

3.3 切削速度和進給量對切削力的影響

在φ150mm 規(guī)格的石墨電極外圓粗加工中，為了節(jié)省材料、降低刀具成本，企業(yè)在選擇切削深度一般≤6mm，這里我們選擇切削深度最大為6mm。利用正交實驗分析vc和f 對穩(wěn)定切削階段切削力的影響變化趨勢。圖5 是Ff的影響趨勢圖。圖6是Fc的影響趨勢圖?？梢钥闯?，在切削速度為100～120mm/min中，隨著切削速度增大，F(xiàn)f變化不大、Fc變?。辉?20 ～140mm/min 中，隨著切削速度增大，F(xiàn)f、Fc均變小；當vc增加到160mm/min 時，F(xiàn)f、Fc變大并出現(xiàn)峰值；在切削速度為160～200mm/min 中，隨著vc增大，F(xiàn)f、Fc變小；由此可以得出：vc對切削力影響并無明顯規(guī)律。同時從圖中可以看出在相同ap和vc下，F(xiàn)f、Fc呈現(xiàn)出上升趨勢，在f 為100～200mm/min 范圍中，f 越大，切削力越大，但增加幅度并無明顯線性規(guī)律。在石墨電極切削過程中，切削力越小，已加工表面質(zhì)量越好。通過實驗結(jié)果可以看出，vc為140mm/min 時，切削力較小且不同f 下的切削力也較為集中；對已加工工件表面進行粗糙度測量后，發(fā)現(xiàn)當vc為140mm/min，f 為100mm/min 時，已加工表面粗糙度Ra為6.3，得到了已加工表面質(zhì)量較好的工件，并且實驗得出結(jié)論與企業(yè)在實際加工生產(chǎn)中通過經(jīng)驗來確定的工藝參數(shù)相吻合。

圖5 不同切削速度vc 下的進給力Ff

圖6 不同切削速度vc 下的切向力Fc

4 結(jié)論

本文通過改變石墨電極外圓加工的工藝參數(shù)，利用正交實驗對工藝參數(shù)對切削力影響進行分析，結(jié)論如下：

（1）在石墨電極切削中，由于材料材質(zhì)和切屑去除方式的原因，進給力Ff約為（1～1.25）切向力Fc，且進給力Ff與切向力Fc存在相同的周期性波動。

（2）隨著切削深度ap增大，進給力Ff、切向力Fc呈現(xiàn)出明顯上升趨勢，增加幅度較大。

（3）隨著進給量f 增大，切削力增大；在切削深度為6mm，切削速度為140mm/min，進給量為100mm/min 時，能夠得到表面質(zhì)量較好的工件，并且此時切削力也較小。