石墨電極接頭錐面切削機理研究分析

劉冠宇，張志義，陳慧霞，鸞鳳亮，王振羽

(北華大學(xué) 機械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

石墨電極接頭作為一種新型高性能低成本冶煉金屬的石墨材料，具有內(nèi)部密度小、化學(xué)性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)小且可以實現(xiàn)自潤滑等優(yōu)點.但是石墨電極接頭在生產(chǎn)加工中卻存在著很多問題，比如石墨電極接頭具有較高的硬度導(dǎo)致了其較大的脆性，在加工過程中從表面掉落的石墨切屑對刀具前刀面和后刀面造成嚴(yán)重的磨損甚至產(chǎn)生一些磨蝕效果，造成刀具劇烈磨損[1-3].另外在加工過程中，由于石墨電極接頭的脆硬性，工件加工表面會出現(xiàn)凹坑導(dǎo)致加工表面質(zhì)量差、粗糙度過高、邊緣碎裂和崩邊，形狀精度和位置精度偏低等現(xiàn)象，正是這些問題致使石墨電極材料在加工過程中優(yōu)質(zhì)成品率較低[4].而且在切削加工中，切削力和表面粗糙度的變化并不一定隨刀具角度增大而減小[5].

針對硬質(zhì)合金K30刀具車削加工石墨電極的研究，目前主要還停留在刀具對外圓石墨電極加工時切削力的變化和加工后工件表面質(zhì)量的好壞，刀具磨損形貌等.但石墨電極接頭作為石墨電極中重要的連接件之一卻還沒有學(xué)者進(jìn)行研究，其加工質(zhì)量的好壞不僅影響工件表面粗糙度的大小，還間接影響著與其他工件之間的配合精度和日后的工作效率等.

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

本實驗采用不同切削參數(shù)和不同角度的刀具對低功率石墨電極接頭進(jìn)行錐面車削，從而對切削機理做進(jìn)一步的探討和研究.

實驗材料為低功率石墨電極接頭，基本性能參數(shù)如表1所示.實驗刀具為刀尖圓弧半徑R0.1的硬質(zhì)合金K30車刀，基本性能參數(shù)如表2所示.

表1 石墨電極接頭物理化學(xué)性能指標(biāo)

表2 K30硬質(zhì)合金車刀物理化學(xué)性能指標(biāo)

1.2 切削實驗方案

為研究K30硬質(zhì)合金車刀車削石墨電極接頭錐面全過程，采用正交切削實驗方法，選用主切削刃的刃傾角為0°的K30刀具，切削時控制主切削刃與切削速度方向的夾角為90°，同時以切削三要素和刀具幾何角度為主要變量進(jìn)行研究.切削參數(shù)設(shè)計為：切削速度vc=100～160 mm·min-1，走刀速度f=100～160 mm·min-1，切削厚度ap=0.5～4 mm；刀具前角γ分別為0°、6°、12°；刀具后角α分別為6°、12°、16°.測力實驗平臺為南京邁順數(shù)控機床有限公司CK0630數(shù)控車床，數(shù)控系統(tǒng)為SINUMEERIK 802C；對機床的刀架進(jìn)行了單獨設(shè)計和改造，在刀架的下面安裝三維力傳感器，在切削過程中測力傳感器隨刀架保持一起移動，設(shè)計的刀架限位可以使刀具始終與工件處于垂直狀態(tài)，確保測力的準(zhǔn)確性.分析切削過程中，切削力波動情況及切向力Fc和進(jìn)給力Ff變化規(guī)律，如圖1為正交實驗總框圖.

圖1 正交實驗總框圖

2 實驗與分析

2.1 切削力波動

2.1.1 造成切削力波動的原因

石墨電極接頭是一種典型的混合型脆硬性材料，其內(nèi)部還存在著諸多缺陷，比如氣孔、斷裂裂痕、炭塊結(jié)晶等，而且體積和截面積越大，內(nèi)部存在的缺陷也就越多.在切削石墨電極錐面時切屑以崩碎和整體脫落的方式脫離工件，形成大量不規(guī)則切屑，這種切削工件的過程使得石墨電極加工表面存在許多大小不一的凹坑，導(dǎo)致切削以空切和實際切削相互交替的方式進(jìn)行.此外石墨電極本身內(nèi)部的缺陷和刀具的磨損情況會進(jìn)一步影響斷續(xù)切削的現(xiàn)象[6].如圖2所示，在切削過程中，因為空切和實切的交替，切削力也會隨著切削狀態(tài)不斷變化，使得切削過程并不是十分穩(wěn)定，但總是在一定范圍內(nèi)波動.因此，在K30硬質(zhì)合金刀具切削石墨電極時總會產(chǎn)生不間斷的沖擊力.由此可知切削力波動存在于脆性材料的加工中不可消除且切削力越大切削力的波動越明顯，因此本實驗采用平均切削力進(jìn)行后續(xù)探討和分析.

×104t/ms(a)進(jìn)給力Ff隨時間變化曲線

×104t/ms(b)切向力Fc隨時間變化曲線圖2 切削力實驗曲線

2.1.2 切削力波動對加工工件影響

在切削過程中，切削力波動過大會導(dǎo)致切削的不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時可能造成工件和系統(tǒng)之間的共振.同時，切削力的波動會對石墨電極接頭的表面質(zhì)量和尺寸精度造成不可忽視的影響，從而影響工件連接時的位置精度和配合精度，最后體現(xiàn)在工件整體的工作效率低和工作質(zhì)量差等方面，故設(shè)計師和工人在設(shè)計加工工件時要謹(jǐn)慎考慮波動切削力的影響，避免出現(xiàn)過大的切削力波動.

2.2 切削三要素對切削力的影響

2.2.1 切削速度與切削厚度對切削力的影響

對石墨電極接頭錐面進(jìn)行正交切削實驗，選取固定走刀速度f，當(dāng)切削厚度ap=0.5～4 mm，切削速度vc=100～160 mm·min-1時，分析ap和vc在穩(wěn)定切削階段進(jìn)給力Ff和切向力Fc的變化趨勢.圖3(a)是ap和vc對Ff的影響趨勢.圖3(b)是ap和vc對Fc的影響趨勢.由圖可知，隨著ap的增大Fc和Ff都呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢，這是因為ap的增加導(dǎo)致裂紋延伸路徑包裹的切屑變大，從而引起剪切力的提升.隨著vc的增大Fc和Ff都呈現(xiàn)出減小的趨勢，且相比于vc的影響，ap的影響更為重要.

(a)vc與ap對Ff的影響

(b)vc與ap對Fc的影響圖3 vc與ap對切削力的影響

2.2.2 切削速度與走刀速度對切削力的影響

選取固定切削厚度ap，在切削速度為vc=100～160 mm·min-1，走刀速度為f=100～160 mm·min-1時，分析切削速度vc和走刀速度f在穩(wěn)定切削階段進(jìn)給力Ff和切向力Fc的變化趨勢.圖4(a)是vc和f對Ff的影響趨勢.圖4(b)是vc和f對Fc的影響趨勢.由圖可知，當(dāng)vc增大時Fc和Ff與圖3相似都呈現(xiàn)出減小的趨勢，當(dāng)f增大時Fc和Ff都呈現(xiàn)出增大趨勢.將vc、f和ap對切削力的影響進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)仍然是ap的影響最大.切削加工中，切削力越小所得到的已加工工件的表面質(zhì)量就越好[7]，本次實驗研究中在切削厚度ap=0.5 mm、切削速度vc=160 mm·min-1、走刀速度f=100 mm·min-1時，切削力最小且可以得到較好的表面質(zhì)量，實驗結(jié)果與企業(yè)實際工作經(jīng)驗相吻合.

(a)vc與f對Ff的影響

(b)vc與f對Fc的影響圖4 vc與f對切削力的影響

2.3 刀具角度對切削力的影響

2.3.1 研究刀具角度的必要性

刀具的幾何角度是提高刀具壽命、改變切削應(yīng)力、決定刀具技術(shù)的重要參數(shù)之一.刀具的角度分為前角、后角、倒棱角、主偏角等等，除此之外刀片的形狀，開槽狀態(tài)都是構(gòu)成刀具幾何角度的重要組成部分.因為在切削過程中前后角度起著至關(guān)重要的作用，故本章重點討論刀具前角和后角的影響.經(jīng)過諸多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，切削力的大小，切削溫度的高低嚴(yán)重影響著刀具磨損變化，進(jìn)而影響刀具使用壽命和工件表面加工質(zhì)量，而切削力、切削溫度又與刀具角度息息相關(guān)[8].因此，合理的選擇刀具的前角和后角是提高刀具壽命，優(yōu)化表面質(zhì)量的前提，也是提高生產(chǎn)效率的重要保障.

2.3.2 前角對切削力的影響

如圖5所示，當(dāng)固定后刀角α?xí)r，選用0°、6°和12°刀具前角γ在不同切削參數(shù)下進(jìn)行對比實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著γ的增大，F(xiàn)f和Fc均逐漸減小，刀具無崩刃現(xiàn)象，而且刀刃上并無積削瘤形成.這是因為在γ增大的過程中，刀具切削刃的刃口變得鋒利，切削力也就越小，且石墨為脆性材料，形成的崩碎切屑不會在刀具大量堆積，但不能為了減小切削力而一味地增大γ，在刀具γ增大過程中刀具強度會逐漸降低，導(dǎo)致磨損加快，壽命降低，嚴(yán)重時會有崩刃的現(xiàn)象.因此在保證切削強度的前提下盡量減小切削力，宜選12°前角.

切削速度/(mm·min-1)(a)vc對Ff的影響

切削速度/(mm·min-1)(b)vc對Fc的影響

走刀速度/(mm·min-1)(c)f對Ff的影響

走刀速度/(mm·min-1) (d)f對Fc的影響

切削厚度/mm(e)ap對Ff的影響

切削厚度/mm(f)ap對Fc的影響圖5 前角γ對切削力的影響曲線

2.3.3 后角對切削力的影響

如圖6所示，當(dāng)固定前角γ時，選用6°、12°和16°的刀具后角α在不同切削參數(shù)下進(jìn)行對比實驗.實驗表明隨著α的增大，F(xiàn)f和Fc同樣保持減小的趨勢，且無崩刃，但對切削力的影響小于γ.存在這一現(xiàn)象的原因是α增大，刀具切削刃的刃口變得鋒利，且α增大使得后刀面與工件已加工表面的接觸面積減小，還可以提高一定的散熱性能.與γ一樣刀具α也不可一味增大，否則會導(dǎo)致刀具強度下降、磨損加快和崩刃的可能性.因此，后角選16°為最佳，這與企業(yè)中車刀常用后角15°～17°一致.

切削速度/(mm·min-1)(a)vc對Ff的影響

切削速度/(mm·min-1) (b)vc對Fc的影響

走刀速度/(mm·min-1)(c)f對Ff的影響

走刀速度/(mm·min-1)(d)f對Fc的影響

切削厚度/mm(e)ap對Ff的影響

切削厚度/mm(f)ap對Fc的影響圖6 后角α對切削力的影響曲線

3 結(jié) 論

本文對石墨電極接頭錐面進(jìn)行車削實驗，通過改變vc，f，ap,γ和α，觀察切削力的變化，結(jié)論如下：

(1)切削過程中Ff和Fc呈現(xiàn)波動切削力狀態(tài)，同時Fc始終小于Ff.

(2)切削力隨切削三要素的變化規(guī)律：切削力隨vc的增大而減小，隨ap的增大而增大，隨f的增大而增大，其中ap對切削力的影響最大，f次之，vc影響最小.

(3)切削力隨刀具角度的變化規(guī)律：切削力隨著刀具γ和α增大均有不同程度減小趨勢，但γ的影響大于α.

(4)切削脆性材料石墨時，因產(chǎn)生的切屑為崩碎切屑，所以改變刀具角度并不會導(dǎo)致積削瘤的產(chǎn)生.

(5)本次實驗數(shù)據(jù)中，切削參數(shù)為ap=0.5 mm、vc=160 mm·min-1、f=100 mm·min-1，γ=12°，后α=16°時切削力最小且可以得到較好的表面質(zhì)量，得出的工藝參數(shù)及結(jié)論可為企業(yè)在生產(chǎn)實踐中提供理論參考.