張 澎 張志義* 孫長健

（1、北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林132000 2、北華大學(xué)工程訓(xùn)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(dǎo)權(quán)，因此石墨電極生產(chǎn)對(duì)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(jī)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(jī)械強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。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(shí)際企業(yè)加工中，對(duì)石墨電極進(jìn)行外圓粗加工時(shí)，為提高生產(chǎn)效率往往采用大切深加工。本文針對(duì)φ150mm 規(guī)格的石墨電極，利用正交實(shí)驗(yàn)分析切削工藝參數(shù)對(duì)切削力影響，總結(jié)規(guī)律并對(duì)加工工藝的合理化進(jìn)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(jì)結(jié)構(gòu)的完善提供理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)

本文以CK0630 數(shù)控車床為試驗(yàn)平臺(tái)，在刀架下安裝三維力傳感器。根據(jù)切削力經(jīng)驗(yàn)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(jìn)給量f、切削速度vc變化來研究其對(duì)切削力的影響。將切削力合力分解為三個(gè)相互垂直的分力，切向力Fc、背向力Fp、進(jìn)給力Ff，通過測力傳感器測量切削分力，分析工藝參數(shù)對(duì)其產(chǎn)生的影響。本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)切削三次，取其平均值作為該參數(shù)組合下的切削力。實(shí)驗(yàn)采用普通功率石墨電極，電極的物理性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 石墨電極物理性能指標(biāo)[5]

3 結(jié)果和分析

3.1 切削力曲線

圖1 是典型進(jìn)給力切向力曲線，可以看出切削力具有較大波動(dòng)且波動(dòng)具有一定的周期性。切削力的周期波動(dòng)與切屑的形成有關(guān)，切削力在一個(gè)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(dāng)切削力超過石墨材料的斷裂應(yīng)力極限時(shí)發(fā)生崩裂脫離，刀具突然切空，切削力瞬時(shí)下降。同時(shí)由于材料本身存在一定不均勻性，也對(duì)切削力波動(dòng)產(chǎn)生一定影響。對(duì)典型切削力曲線進(jìn)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(dòng)，F(xiàn)f數(shù)值在50N 左右上下波動(dòng)，F(xiàn)c在40N 左右上下波動(dòng)，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?yàn)椴牧媳旧硇再|(zhì)造成。

圖1 典型進(jìn)給力、切向力曲線

圖2 切削力擬合曲線圖

3.2 切削深度對(duì)切削力的影響

利用正交實(shí)驗(yàn)分析切削深度ap對(duì)穩(wěn)定切削階段切削力的影響變化趨勢。圖3 是ap對(duì)Ff的影響趨勢。圖4 是ap對(duì)Fc的影響趨勢。可以看出，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(kuò)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(duì)刀具的磨損越大，企業(yè)在實(shí)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(jìn)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(jìn)給量對(duì)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(shí)驗(yàn)分析vc和f 對(duì)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??；在120 ～140mm/min 中，隨著切削速度增大，F(xiàn)f、Fc均變?。划?dāng)vc增加到160mm/min 時(shí)，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(duì)切削力影響并無明顯規(guī)律。同時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，vc為140mm/min 時(shí)，切削力較小且不同f 下的切削力也較為集中；對(duì)已加工工件表面進(jìn)行粗糙度測量后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)vc為140mm/min，f 為100mm/min 時(shí)，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(shí)驗(yàn)得出結(jié)論與企業(yè)在實(shí)際加工生產(chǎn)中通過經(jīng)驗(yàn)來確定的工藝參數(shù)相吻合。

圖5 不同切削速度vc 下的進(jìn)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(shí)驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)對(duì)切削力影響進(jìn)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(jìn)給力Ff約為（1～1.25）切向力Fc，且進(jìn)給力Ff與切向力Fc存在相同的周期性波動(dòng)。

（2）隨著切削深度ap增大，進(jìn)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(jìn)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(jìn)給量為100mm/min 時(shí)，能夠得到表面質(zhì)量較好的工件，并且此時(shí)切削力也較小。