石墨電極車削仿真與刀具選擇實驗研究

馮占一 張志義*

（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

石墨是目前加工行業應用最廣泛最多的電極材料。石墨電極質量輕，具有良好的耐腐蝕性和韌性[1]，國內外廠商對于石墨電極的需求量與日俱增。石墨電極在高溫下也不軟化、不熔化，在實際的生產加工中正在逐漸取代原有的銅電極，因而被大量使用到冶煉金屬與有色金屬等相關領域[2]。選擇石墨電極不僅因為其材料性能優越，更因為其制造成本低廉擁有市場價格優勢，所以石墨電極的加工對煉鋼、冶金等行業的促進有著去足輕重的影響[2]。石墨電極一般用石油焦、針狀焦作基本素材，選擇煤瀝青等作為連接劑，經過碎末化與混合、混捏、壓型、焙燒、石墨化、機械加工等諸多步驟加工而成[3]。

2 仿真

實驗選擇工廠常用的普通功率石墨電極，本文選用PCD 金剛石刀具以及硬質合金YG8 材料的刀具。兩種刀具材料的物理參數指標如表1 所示。石墨電極的物理參數如表2 所示。

表1 兩種刀具材料的物理性能

表2 石墨電極物理性能指標[7]

除了刀具的材料，有許多因素能夠影響切削力。此次實驗主要選擇刀具材料、切削深度ap以及切削速度vc的變化來分析其對石墨車外圓切削力的影響。本次采用切削的長度為100mm，切削深度ap為1mm、2mm、4mm、6mm，切削速度vc為100mm/min、160mm/min、200mm/min。石墨電極切削的簡化模型如圖1 所示，石墨電極車外圓仿真應力云圖如圖2 所示。

圖1 石墨電極車外圓仿真

圖2 石墨電極車外圓應力模型

切削力是石墨電極加工中優先考慮的的參數，圖3 表示了在不同ap、vc下，硬質合金刀具、金剛石刀具所切削石墨工件的進給力。圖4 表示在不同切削深度、切削速度下，切向力變化曲線。在相同條件下，切削力越大刀具磨損越嚴重。由仿真結果看出，金剛石刀具的切削力要小于硬質合金刀具。且兩種材料刀具切削石墨電極的進給力、切向力與ap成正比。

圖3 不同切削深度ap 下仿真的進給力Ff

圖4 不同切削深度ap 下仿真的切向力Fc

3 實驗

實驗的平臺為數控車床CK0630，選取三維力傳感器采集數據。本實驗將切削力分解為三個相互垂直的分向力，即切向力Fc、背向力Fp、進給力Ff，分析三維力傳感器的采集結果。

在兩種刀具下利用正交實驗分析切削深度ap對切削力的影響。圖5 是兩種刀具下切削深度ap對進給力Ff的影響趨勢。圖6 是兩種刀具下切削深度ap對切向力Fc的影響趨勢。

圖5 不同切削深度ap 下的進給力Ff

圖6 不同切削深度ap 下的切向力Fc

由實驗數據觀察得知，同等條件下金剛石刀具產生的進給力與切向力均小于硬質合金刀具。且隨著切削深度ap的增加，進給力Ff以及切向力Fc均有十分清晰的增加趨勢，在石墨電極切削的過程中由于石墨材料裂紋擴展路徑攜帶的石墨體積增加，加工所需的切削力也會隨之增加。

在石墨電極車外圓時，切削力越小已加工表面質量越好。由此看出選擇刀具時，金剛石刀具的切削效果明顯好于硬質合金。表面光潔度越好越能達到要求，通過粗糙度儀檢驗加工完成的石墨電極工件，選取表面的粗糙度最佳的工件。得出當切削速度為160mm/min，ap為6mm 時，石墨電極工件表面質量較高。

4 結論

本文采取正交實驗的實驗方法，探索刀具材質、切削深度與進給力、切向力之間的聯系。通過仿真和車削實驗結果的對比分析，對比發現：在相同的條件下，金剛石刀具的切削力明顯小于硬質合金刀具，由于切削力越小已加工表面質量越好，所以金剛石刀具在石墨電極車外圓的生產中更具優勢。且進給力Ff、切向力Fc隨切削深度ap增大而增大。當ap為6mm，vc為160mm/min，切削力較小，表面粗糙度更符合要求。由于在不同切削深度ap下的進給力、切向力數值，ABAQUS 軟件的仿真結果均比實驗車外圓的結果大，說明ABAQUS 仿真的過程中存在漏洞，本次實驗在仿真方面還需要優化。