石墨电极切削仿真及刀具选择测试研究

2020-12-05 239 上传者：管理员

摘要：石墨被广泛应用于冶金、机械、电气等重要领域。石墨电极因为其具有电极损伤小、成型速度快等诸多不可替代性,在现代电极生产加工中已经逐步成为冶炼电极的主流。硬质合金YG8以及PCD金刚石刀具因其有强度高、韧性低。所以,在实际的加工生产中主要选择此两类刀具。本文应用ABAQUS仿真软件,模拟石墨分别被金刚石刀具和硬质合金刀具切削的加工过程。实验选择工厂所需的φ150mm的普通功率石墨电极,改变石墨切削所用的刀具以及切削深度,进行正交实验,并分析切削力。通过仿真与实验,验证金刚石刀具更适合于切削加工石墨电极,在切削参数和刀具选择这两方面作出一定意义的指导。实验表明,在相同切条件下切削石墨电极时,金刚石刀具所对应的切削力数值,会小于硬质合金刀具所对应的数值,且伴着切削深度ap的逐渐上升,不同材料刀具在切削石墨电极的进给力与切向力也会逐步增加。

关键词：
切削力
电极材料
石墨电极
硬质合金刀具
金刚石刀具
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1、概述

石墨是目前加工行业应用最广泛最多的电极材料。石墨电极质量轻，具有良好的耐腐蚀性和韧性[1]，国内外厂商对于石墨电极的需求量与日俱增。石墨电极在高温下也不软化、不熔化，在实际的生产加工中正在逐渐取代原有的铜电极，因而被大量使用到冶炼金属与有色金属等相关领域[2]。选择石墨电极不仅因为其材料性能优越，更因为其制造成本低廉拥有市场价格优势，所以石墨电极的加工对炼钢、冶金等行业的促进有着去足轻重的影响[2]。石墨电极一般用石油焦、针状焦作基本素材，选择煤沥青等作为连接剂，经过碎末化与混合、混捏、压型、焙烧、石墨化、机械加工等诸多步骤加工而成[3]。

在电极生产加工中，基本均采用大切深的加工方式对石墨电极车外圆。石墨材料的碎屑主要为脆性断裂产生的不连续的崩碎形切屑以及粉末。本实验选取150mm样式的石墨电极，采取正交实验的实验方法，探索刀具材质、切削深度与进给力、切向力之间的联系。处理实验数据对实验结果进行总结，通过仿真结果验证哪种刀具更适合于石墨切削加工，希望能够对企业在在切削深度和刀具选择这两方面作出一定意义的指导。

2、仿真

实验选择工厂常用的普通功率石墨电极，本文选用PCD金刚石刀具以及硬质合金YG8材料的刀具。两种刀具材料的物理参数指标如表1所示。石墨电极的物理参数如表2所示。

表1两种刀具材料的物理性能

表2石墨电极物理性能指标[7]

除了刀具的材料，有许多因素能够影响切削力。此次实验主要选择刀具材料、切削深度ap以及切削速度vc的变化来分析其对石墨车外圆切削力的影响。本次采用切削的长度为100mm，切削深度ap为1mm、2mm、4mm、6mm，切削速度vc为100mm/min、160mm/min、200mm/min。石墨电极切削的简化模型如图1所示，石墨电极车外圆仿真应力云图如图2所示。

图1石墨电极车外圆仿真

图2石墨电极车外圆应力模型

切削力是石墨电极加工中优先考虑的的参数，图3表示了在不同ap、vc下，硬质合金刀具、金刚石刀具所切削石墨工件的进给力。图4表示在不同切削深度、切削速度下，切向力变化曲线。在相同条件下，切削力越大刀具磨损越严重。由仿真结果看出，金刚石刀具的切削力要小于硬质合金刀具。且两种材料刀具切削石墨电极的进给力、切向力与ap成正比。

图3不同切削深度ap下仿真的进给力Ff

图4不同切削深度ap下仿真的切向力Fc

3、实验

实验的平台为数控车床CK0630，选取三维力传感器采集数据。本实验将切削力分解为三个相互垂直的分向力，即切向力Fc、背向力Fp、进给力Ff，分析三维力传感器的采集结果。

在两种刀具下利用正交实验分析切削深度ap对切削力的影响。图5是两种刀具下切削深度ap对进给力Ff的影响趋势。图6是两种刀具下切削深度ap对切向力Fc的影响趋势。

图5不同切削深度ap下的进给力Ff

图6不同切削深度ap下的切向力Fc

由实验数据观察得知，同等条件下金刚石刀具产生的进给力与切向力均小于硬质合金刀具。且随着切削深度ap的增加，进给力Ff以及切向力Fc均有十分清晰的增加趋势，在石墨电极切削的过程中由于石墨材料裂纹扩展路径携带的石墨体积增加，加工所需的切削力也会随之增加。

在石墨电极车外圆时，切削力越小已加工表面质量越好。由此看出选择刀具时，金刚石刀具的切削效果明显好于硬质合金。表面光洁度越好越能达到要求，通过粗糙度仪检验加工完成的石墨电极工件，选取表面的粗糙度最佳的工件。得出当切削速度为160mm/min,ap为6mm时，石墨电极工件表面质量较高。

4、结论

本文采取正交实验的实验方法，探索刀具材质、切削深度与进给力、切向力之间的联系。通过仿真和车削实验结果的对比分析，对比发现：在相同的条件下，金刚石刀具的切削力明显小于硬质合金刀具，由于切削力越小已加工表面质量越好，所以金刚石刀具在石墨电极车外圆的生产中更具优势。且进给力Ff、切向力Fc随切削深度ap增大而增大。当ap为6mm,vc为160mm/min，切削力较小，表面粗糙度更符合要求。由于在不同切削深度ap下的进给力、切向力数值，ABAQUS软件的仿真结果均比实验车外圆的结果大，说明ABAQUS仿真的过程中存在漏洞，本次实验在仿真方面还需要优化。

参考文献：

[1]李圣华.石墨电极生产[M].北京:冶金工业出版社,1997.

[3]武云霞,王成勇,詹国彬,李文红.石墨电极的电加工性能[J].模具工业,2004(12):51-55.

[5]冶金工业信息标准研究院冶金标准化研究所,中国标准出版社.炭素制品及其试验方法标准汇编(第三版)[M].北京:中国标准出版社,2012.

冯占一,张志义.石墨电极车削仿真与刀具选择实验研究[J].科学技术创新,2020(35):187-188.