一种电致塑性切削加工系统及其应用方法

1.一种电致塑性切削加工系统，包括：车床，该车床包含主轴、安装于该主轴的夹持卡盘、尾座以及小滑板；其特征在于该系统还包括：
第一连接装置，包括带左电刷的左电极和安装于所述主轴的安装部与所述夹持卡盘之间的左导电环，该左电刷与该左导电环紧密接触，该左导电环与所述主轴绝缘；
旋转轴，可旋转地安装于所述尾座上，该旋转轴的中心线与所述主轴的中心线重合；
旋转卡盘，安装于所述旋转轴一端，该旋转卡盘和所述夹持卡盘用于夹持一导电工件；
第二连接装置，包括带右电刷的右电极和安装于所述旋转轴与所述旋转卡盘之间的右导电环，该右电刷与该右导电环紧密接触，该右导电环与所述旋转轴绝缘；
脉冲电源，其两输出端分别连接所述左电极和所述右电极；及
刀架，刀具安装在该刀架上，该刀架绝缘安装于所述小滑板。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述左导电环与所述主轴的安装部之间设置第一绝缘垫，多个第一绝缘螺栓穿过所述主轴的安装部、所述第一绝缘垫及所述左导电环螺接于所述夹持卡盘；所述右导电环与所述旋转轴之间设置第二绝缘垫，多个第二绝缘螺栓穿过所述旋转轴的安装部、所述第二绝缘垫及所述右导电环螺接于所述旋转卡盘。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一绝缘垫和所述第二绝缘垫均由具有弹性的绝缘材料制成。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述左导电环与所述夹持卡盘间采用阶梯面配套连接；所述右导电环与所述旋转卡盘间采用阶梯面配套连接。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述左导电环的外柱面和所述右导电环的外柱面均为光滑圆柱面。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲电源能够输出频率为
50-10000Hz、脉宽为20-1000μs、峰值电流为100-5000A的脉冲电流。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述右电极安装于所述尾座上，所述右电极与所述尾座之间设置第三绝缘垫，第三绝缘螺栓穿过所述右电极及所述第三绝缘垫螺于所述尾座；所述刀架与所述小滑板之间设置第四绝缘垫，第四绝缘螺栓穿过所述刀架及所述第四绝缘垫螺于所述小滑板。
8.根据权利要求1或2或4或7所述的系统，其特征在于，还包括：冷却装置，使用不导电介质作为冷却剂或者强制风冷方式冷却。
9.如权利要求1、2、4-7任一项所述的电致塑性切削加工系统的一种应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
将工件的两端分别用安装于主轴的夹持卡盘和安装于旋转轴的旋转卡盘夹紧；
打开脉冲电源，通过第一、二连接装置向工件导入脉冲电流；接着启动车床，工件随主轴转动，进刀，使刀具对工件进行切削；
切削完毕，刀具脱离工件，关闭车床，主轴停止转动；
关闭脉冲电源，从夹持卡盘和旋转卡盘上取下工件。
10.一种电致塑性切削支撑装置，在权利要求1所述系统中用于支撑导电工件，其特征在于，包括：
一主轴，该主轴上安装夹持卡盘；
第一连接装置，包括带左电刷的左电极和安装于所述主轴的安装部与所述夹持卡盘之间的左导电环，该左电刷与该左导电环紧密接触，该左导电环与所述主轴绝缘；
可旋转地安装于一尾座上的旋转轴，该旋转轴的中心线与所述主轴的中心线重合；
旋转卡盘，安装于所述旋转轴一端，该旋转卡盘和所述夹持卡盘用于夹持一导电工件；
及
第二连接装置，包括带右电刷的右电极和安装于所述旋转轴与所述旋转卡盘之间的右导电环，该右电刷与该右导电环紧密接触，该右导电环与所述旋转轴绝缘。

一种电致塑性切削加工系统及其应用方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于金属加工领域，具体涉及一种电致塑性切削加工系统及其应用方法。\n背景技术\n[0002] 目前，金属材料切削加工领域所面临的一个主要难题是某些难加工金属材料硬度很大或者加工硬化严重，造成切削力急剧增大，进而导致刀具损耗和破坏加剧，使得难加工金属材料的加工效率低下，成本高昂。有时为了降低切削力，生产中会将被加工材料送入热处理炉进行软化退火处理，适当减小材料硬度，增强塑性以提高其切削加工性能。但这种热处理软化退火增加了额外的工作时间，使得加工效率大为降低、成本升高。与此同时，热处理软化退火会在材料表面产生氧化垫，由此所带来的酸洗处理会造成严重的环境污染，损害操作工人的身心健康。特别是对于硬度高、硬化率高的难加工金属材料，以上问题尤为严重，加工成本往往会占到成品工件总成本的1/3甚至1/2。因此，开发加工效率高、成本低的环境友好型难加工金属切削加工技术是当前业内的一个主要研究方向。\n[0003] 导电加热切削技术是在切削过程中利用刀具和工件构成回路，通以低压大电流，通过刀具和工件接触点处的电流的热效应使切削区材料受热软化，降低切削抗力，提高难加工金属材料切削效率的一种外场加工技术。导电加热切削可以在切削的同时对被加工材料做软化处理，因而可以免去热处理软化退火流程，提高了加工效率。但由于导电加热切削采用的是由刀具和工件所构成的电流回路，在刀具切入和切出工件的时候，会在刀具和工件的接触处发生严重的打火放电现象，瞬间损坏刀具的切削刃和工件已加工表面。因此，导电加热切削必须配套专门的灭弧装置，成本必然增加，且其不适用于断续表面的切削加工，应用范围受限。此外，传统的导电加热切削主要利用的电流的热效应，“瓶颈效应”是其面临另一个技术难题。当前导电加热切削技术的研究重点集中在灭弧装置的研发上。中国专利ZL99235160.X介绍了一种导电加热切削过程中所用的灭弧控制装置。该装置采用了逆变电源与灭弧控制电路相结合的结构，通过检测加工工件与刀具两端瞬态过电压脉冲信号，计数触发控制逆变加热电源的输出电压为零，迅速切断加热回流电流，从而有效地抑制了电弧的产生与稳定。但这种技术要求和可靠性要求都很高的灭弧装置势必会造成加工成本的大幅上升。\n发明内容\n[0004] 鉴于现有金属切削加工中存在的问题，本发明提供一种电致塑性切削加工系统、该系统的应用方法及采用的一种电致塑性切削支撑装置，通过给工件通以脉冲电流，利用脉冲电流集肤效应、金属材料电致塑性效应及电流的热效应提高切削加工效率、延长刀具使用寿命、降低加工成本。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。\n[0005] 一种电致塑性切削加工系统，包括车床，它包含主轴、安装于该主轴的夹持卡盘、尾座以及小滑板；进一步包括：\n[0006] 第一连接装置，包括带左电刷的左电极和安装于所述主轴的安装部与所述夹持卡盘之间的左导电环，该左电刷与该左导电环紧密接触，该左导电环与所述主轴绝缘；\n[0007] 旋转轴，可旋转地安装于所述尾座上，该旋转轴的中心线与所述主轴的中心线重合；\n[0008] 旋转卡盘，安装于所述旋转轴一端，该旋转卡盘和所述夹持卡盘用于夹持一导电工件；\n[0009] 第二连接装置，包括带右电刷的右电极和安装于所述旋转轴与所述旋转卡盘之间的右导电环，该右电刷与该右导电环紧密接触，该右导电环与所述旋转轴绝缘；\n[0010] 脉冲电源，用于向所述导电工件提供频率为50-10000Hz、脉宽为20-1000μs、峰值电流为100-5000A的脉冲电流，其两输出端分别连接所述左电极和所述右电极；及[0011] 刀架，刀具安装在该刀架上，该刀架绝缘安装于所述小滑板。\n[0012] 本发明系统进一步可以包括冷却装置，使用不导电介质作为冷却剂或者强制风冷方式冷却。\n[0013] 其中，所述左导电环与所述主轴的安装部之间设置第一绝缘垫，多个第一绝缘螺栓穿过所述主轴的安装部、所述第一绝缘垫及所述左导电环螺接于所述夹持卡盘。\n[0014] 所述右导电环与所述旋转轴之间设置第二绝缘垫，多个第二绝缘螺栓穿过所述旋转轴的安装部、所述第二绝缘垫及所述右导电环螺接于所述旋转卡盘。\n[0015] 所述第一绝缘垫和所述第二绝缘垫均由具有弹性的绝缘材料制成。\n[0016] 所述左导电环与所述夹持卡盘间采用阶梯面配套连接；所述右导电环与所述旋转卡盘间采用阶梯面配套连接。所述夹持卡盘和所述旋转卡盘由金属材料制成。\n[0017] 所述左导电环的外柱面和所述右导电环的外柱面均为光滑圆柱面。\n[0018] 所述右电极安装于所述尾座上，所述右电极与所述尾座之间设置第三绝缘垫，第三绝缘螺栓穿过所述右电极及所述第三绝缘垫螺于所述尾座。\n[0019] 所述刀架与所述小滑板之间设置第四绝缘垫，第四绝缘螺栓穿过所述刀架及所述第四绝缘垫螺于所述小滑板。\n[0020] 用于上述系统的电致塑性切削支撑装置，包括：\n[0021] 一主轴，该主轴上安装夹持卡盘；\n[0022] 第一连接装置，包括带左电刷的左电极和安装于所述主轴的安装部与所述夹持卡盘之间的左导电环，该左电刷与该左导电环紧密接触，该左导电环与所述主轴绝缘；\n[0023] 可旋转地安装于一尾座上的旋转轴，该旋转轴的中心线与所述主轴的中心线重合；\n[0024] 旋转卡盘，安装于所述旋转轴一端，该旋转卡盘和所述夹持卡盘用于夹持一导电工件；及\n[0025] 第二连接装置，包括带右电刷的右电极和安装于所述旋转轴与所述旋转卡盘之间的右导电环，该右电刷与该右导电环紧密接触，该右导电环与所述旋转轴绝缘。\n[0026] 本发明电致塑性切削加工系统的一种应用方法，包括以下步骤：\n[0027] 将工件的两端分别用安装于主轴的夹持卡盘和安装于旋转轴的旋转卡盘夹紧；\n[0028] 打开脉冲电源，通过第一、二连接装置向工件导入脉冲电流；接着启动车床，工件随主轴转动，进刀，使刀具对工件进行切削；\n[0029] 切削完毕，刀具脱离工件，关闭车床，主轴停止转动；\n[0030] 关闭脉冲电源，从夹持卡盘和旋转卡盘上取下工件。\n[0031] 其中，所述工件为导电工件，可以选择金属材料、石墨及导电塑料等材料制成。\n[0032] 所述脉冲电流参数为：频率50-10000Hz，脉宽20-1000μs，峰值电流100-5000A。\n[0033] 本发明中，利用第一连接装置、夹持卡盘、工件、旋转卡盘和第二连接装置构成电流回路，刀架通过绝缘垫和绝缘螺栓与小滑板绝缘连接，确保切削过程整个电流回路与车床其他部分绝缘，且无打火放电现象。在电流回路中通以脉冲电流，当脉冲电流的频率达到一定值后，由于趋肤效应，电流会集中在工件表面数个毫米的切削范围之内。\n[0034] 利用脉冲电流的趋肤效应、金属材料的电致塑性效应及电流的热效应使工件表面切削加工区的硬度总是保持在一个适宜切削的范围内，显著降低切削力，能够省掉某些难加工金属的热处理软化退火处理，提高加工效率；能够应用于连续和断续切削加工；电流的热效应均匀，没有“瓶颈效应”，工件加工表面质量高；刀具损耗小，加工成本低；设备装置简单，可以单独生产特种切削加工装置，也可在现有设备如车床改装而成，使用范围广，不受切削加工装置型号、类型的限制。\n[0035] 对工件进行电致塑性切削加工试验，其主切削力比不加电的普通切削力降低\n8.2-16.6%，刀具切入和切出工件没有打火放电现象，不需要灭弧装置，设备成本降低。\n附图说明\n[0036] 图1本发明系统中采用的电致塑性切削支撑装置结构示意图；\n[0037] 图2为本发明系统中采用的刀架和小滑板部分示意图；\n[0038] 附图中标记：左导电环1、夹持卡盘2、第一绝缘螺栓3、主轴4、第一绝缘垫5、左电极6、左电刷7、绝缘套8、绝缘螺栓9、旋转轴10、旋转卡盘11、右导电环12、第二绝缘螺栓\n13、第二绝缘垫14、右电极15、右电刷16、第三绝缘垫17、第三绝缘螺栓18、尾座19、刀架\n20、小滑板21、第四绝缘垫22、第四绝缘螺栓23、刀具24、紧固螺栓25、工件26。\n具体实施方式\n[0039] 本发明目的的实现、功能特点及优点以下结合实施例，参照附图做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。\n[0040] 参照图1-2，本发明电致塑性切削加工系统由现有车床改装而成。系统主要包括车床部分，该车床包含主轴4、安装于该主轴4的夹持卡盘2、尾座19以及小滑板21等；第一连接装置（6、7和1）；旋转轴10；旋转卡盘11；第二连接装置（15、16和12）；绝缘安装于小滑板21的带有刀具24的刀架20和脉冲电源（图中未示出）。\n[0041] 主轴4提供工件26转动的源动力，夹持卡盘2用于夹持工件26的一端。\n[0042] 第一连接装置包括带左电刷7的左电极6和安装于主轴4安装部与夹持卡盘2之间的左导电环1，该左电刷7与该左导电环1紧密接触，左电极6通过绝缘套8和绝缘螺栓\n9固定在车床上的支撑件上，该左导电环1与所述主轴4绝缘。左导电环1与主轴4的安装部之间设置第一绝缘垫5，第一绝缘螺栓3穿过主轴4安装部、第一绝缘垫5、左导电环1螺于夹持卡盘2，主轴4转动时，在第一绝缘螺栓3的作用下，左导电环1和夹持卡盘2随主轴\n4转动。为了提高结合强度，左导电环1与夹持卡盘2采用阶梯面配套连接，即左导电环1与夹持卡盘2的接触面为阶梯面。\n[0043] 尾座19能够在车床的导轨上滑动，实现靠近或者远离夹持卡盘2。旋转轴10可旋转的安装于尾座19上，旋转轴10的中心线与主轴4的中心线重合，旋转卡盘11安装于所述旋转轴10一端。\n[0044] 第二连接装置包括带右电刷16的右电极15和安装于旋转轴10与旋转卡盘11之间的右导电环12，右电刷16与右导电环12紧密接触，右导电环12与旋转轴10绝缘。右导电环12与旋转轴10之间设置第二绝缘垫14，第二绝缘螺栓13穿过旋转轴10安装部、第二绝缘垫14、右导电环12螺于旋转卡盘11，由于旋转轴10可转动且在第二绝缘螺栓的连接作用下，旋转卡盘11能够转动。右导电环12与旋转卡盘11采用阶梯面配套连接，即右导电环12与旋转卡盘11的接触面为阶梯面，能够提高右导电环12与旋转卡盘11之间的结合强度。右电极15通过第三绝缘垫17和第三绝缘螺栓18固定在尾座19上。在尾座\n19移动时，带动右电极15、右电刷16、右导电环12以及旋转轴10、旋转卡盘11一起整体移动。\n[0045] 刀具24通过紧固螺栓25固定安装于刀架20上，刀架20与小滑板21之间设置第四绝缘垫22，通过第四绝缘螺栓23将刀架20绝缘固定安装在小滑板21上。小滑板21的设置、安装与现有技术中车床小滑板相同，小滑板21同样安装在中滑板上，同时具有滑动导轨，为了保证绝缘效果，在小滑板与中滑板之间设置绝缘垫（图中未示出），同时在滑板导轨上铺设风琴式绝缘保护罩（图中未示出）。\n[0046] 脉冲电源的两输出端分别连接第一连接装置的左电极6和第二连接装置的右电极15，通过左电极6、左电刷7、左导电环1、夹持卡盘2、工件26、旋转卡盘11、右导电环12、右电刷16和右电极15构成电流回路。脉冲电源，用于向工件26提供频率为50-10000Hz、脉宽为20-1000μs的脉冲电流，通过工件26的峰值电流可在100-5000A之间选择。\n[0047] 为了在工件加工过程中对工件进行冷却，还设置了冷却装置，该冷却装置使用不导电介质作为冷却剂进行冷却，或者采用强制风冷方式冷却；不导电介质包括油、液氮等。\n[0048] 左导电环1和右导电环12的外柱面均为光滑圆柱面，采用导电性良好且强度较高的金属材料制成。左电极6和右电极15均采用导电性良好且强度较高的金属材料制成。\n[0049] 第一绝缘垫5和第二绝缘垫14均由具有一定弹性的绝缘材料制成，调整第一绝缘螺栓3的紧固程度使夹持卡盘2的中心线与主轴4的中心线重合；调整第二绝缘螺栓13的紧固程度使旋转卡盘2的中心线与旋转轴10的中心线重合。\n[0050] 在本发明中，夹持卡盘、左导电环均与主轴共中心线，旋转卡盘、右导电环均与旋转轴共中心线，由于主轴与旋转轴的中心线重合，因此，主轴、夹持卡盘、左导电环、旋转轴、旋转卡盘和右导电环共中心线。在加工圆柱状棒材时，工件也与上述零件共中心线。\n[0051] 为了使应用过程更加清楚，结合图1-2，选取S50C模具钢棒材作为工件，切削加工规格为Ф10×150mm，采用高速钢刀具，刀具前角0°、后角10°、主偏角75°，切削进给量\n0.1mm/r，背吃刀量0.5mm，主轴转速792r/min。\n[0052] 首先将工件26的两端分别用夹持卡盘2和旋转卡盘11夹紧，在夹持过程中，根据需要移动尾座19，以满足工件的长度要求。然后打开脉冲电源开关，通过第一、二连接装置向工件导入脉冲电流。接着启动车床，主轴4开始转动，并带动工件26一起转动，根据设定切削进给量0.1mm/r、背吃刀量0.5mm、主轴转速792r/min，刀具24对工件进行切削加工。\n加工完毕后，刀具24脱离工件26，关闭车床，主轴4停止转动。最后关闭脉冲电源开关，将工件从夹持卡盘和旋转卡盘上取下，完成工件的加工。\n[0053] 采用测力仪测试主切削力，实验结果如下表1所示。\n[0054] 表1 电致塑性切削与普通切削的主切削力比较\n[0055] \n[0056] 由表1可以看出，采用本发明电致塑性切削加工方法，对工件进行电致塑性切削加工时，其主切削力比不加电的普通切削有明显降低（降低8.2-16.6%），且切削过程无打火放电现象。\n[0057] 如图1，本发明提供了一种用于上述系统的电致塑性切削支撑装置，该支撑装置包括：\n[0058] 一主轴4，该主轴4上安装夹持卡盘2；第一连接装置，包括带左电刷7的左电极6和安装于所述主轴4的安装部与所述夹持卡盘2之间的左导电环1，该左电刷7与该左导电环1紧密接触，该左导电环1与所述主轴4绝缘；可旋转地安装于一尾座19上的旋转轴\n10，该旋转轴10的中心线与所述主轴4的中心线重合；旋转卡盘11，安装于所述旋转轴10一端，该旋转卡盘11和所述夹持卡盘2用于夹持导电工件26；及，第二连接装置，包括带右电刷16的右电极15和安装于所述旋转轴10与所述旋转卡盘11之间的右导电环12，该右电刷16与该右导电环12紧密接触，该右导电环12与所述旋转轴10绝缘。\n[0059] 以上通过具体实施例对本发明做了详细的说明，这些具体的描述不能认为本发明仅仅限于这些实施例的内容。本领域技术人员根据本发明构思、这些描述并结合本领域公知常识做出的任何改进、等同替代方案，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。