WMEM | 石墨电极套料加工深孔机床的开发与应用

深孔一般是指孔深与孔径之比大于5-10的孔，常用的深孔加工方式有内排屑深孔钻削、内排屑套料钻削、深孔镗削、深孔滚压等方式。

石墨电极是一种典型的深孔石墨管部件，其最大长度可达2500mm，孔径尺寸φ77.8-φ112.8mm，深径比超过25:1。在石墨电极的选材及加工过程中，为避免疏松、裂纹等缺陷，通常不使用管材，常用的方法是用高质量研磨石墨粉进行制坯，自然固化后进行烘烤烧结，粗车外圆后进行内孔到量加工，检测后，对无缺陷的部件进行内孔烧结，以内孔为基准再次精加工外圆而得。

在上述加工中，内孔加工是最重要的环节，传统的加工方式是采用加长杆麻花钻钻削后，再用减振刀杆进行内孔车削，鉴于内孔的深径比，车削必须采用掉头的方式。对石墨类脆性材质，掉头车削接刀痕形成的应力集中会大大降低部件的性能。并且整个加工过程排出的石墨粉会严重污染环境，不但对人体造成伤害，且石墨粉尘会进入电控柜，附着在电路板上，形成短路等直接的破坏。

本文研究设计了相应的深孔机床，综合考虑机床结构、加工工艺、刀具设计等因素，很好解决了石墨电极内孔加工的问题。

1. 深孔机床结构设计

（1）加工方式的确定

确定采用内排屑套料钻削的方式加工石墨电极内孔。套料钻即环钻法，在大规格孔的钻削过程中，不但可以减少切削扭矩及功率消耗，还可以获得完整的料芯，减少材料消耗。综合石墨电极的孔径及长度尺寸，经过试验确定在加工孔径为φd的条件下，选择套料钻杆的外径尺寸为φd-2mm，套料钻杆的内孔尺寸为φd-12mm，获得料芯的尺寸（即为套料刀的内刃尺寸）为φd-16mm。

确定切削的冷却冲屑介质为干燥洁净的压缩空气，气源压力0.4-0.6MPa，使用车间内的集中供给压缩空气即可满足要求。

为尽可能减小套料钻孔的出口轴线偏斜，确定采用工件旋转、刀具钻杆反向旋转并进给的加工方式。鉴于石墨类脆性材质不适于高速旋转，确定工件的旋转速度不超过50r/min，低速旋转也有利于保证切削过程中呈悬臂状态的料芯不会因强力偏甩发生脆断。

（2）机床结构

如图1所示，机床由床身、床头箱、授气器、钻杆支架、钻杆箱、进给拖板、抽屑装置、出芯装置等组成，压缩空气通过授气器进入切削区，携带切掉的石墨颗粒向钻管尾端排出，由负压抽屑装置排向集中集尘袋，实现切削区与外界环境的完全隔离，杜绝了环境污染。

图1 深孔机床结构

1.床身 2.床头箱3.液压自定心卡盘 4.工件5.授气器 6.授气器拖板 7.钻杆支架 8.钻杆支架拖板 9.钻杆箱 10.抽屑装置 11.出芯装置 12.进给拖板

床头箱部分采用变频电机+蜗轮蜗杆直接驱动主轴旋转的结构，满足低速旋转，若加工短工件时，利用床头主轴的自锁性能，可实现工件固定，仅刀具旋转进给的加工方式。床头主轴端配液压自定心卡盘，和授气器前端的三爪自定心卡盘一起，实现石墨工件的快速精确定位夹持。

授气器拖板由伺服电机驱动，通过伺服电机的堵转及恒扭矩控制，可满足长时间顶靠工件右端面实现封气；钻杆支架拖板的工进设定为以进给拖板移动速度的1/2进行随动，保证在进给过程中，钻杆支架始终处于授气器与钻杆箱的中间，实现对钻杆的良好辅助支承。

（3）机床关键部件

①授气器。如图2所示，其主要作用包括：头部安装刀具导向套，用于刀具的导向，实现切入精度；头部安装卡盘，实现工件的定位夹持；顶紧工件的右端面，形成密封腔，供给高压气体对切削区形成冷却并带走切屑；尾端实现对钻杆的导向。

图2 授气器结构

②钻杆箱及出芯装置。

钻杆箱（见图3）主轴采用同步带直联结构，实现不低于1000r/min的输出转速，主轴前后端分别布置夹头及辅助支撑，实现薄壁钻杆的良好夹持。钻杆箱尾端插入抽屑装置，并配置两个方向的旋转密封圈，抽屑装置通过排屑口外接夹钢丝螺纹管，连接至负压吸尘集中集屑装置。

图3 钻杆箱结构

在抽屑装置的尾端配置了出芯装置（见图4），工件套料加工完毕后，料芯与工件分离，在气压作用下自动向后移动，直至碰触图4中的密封盖，并使得接近开关工作，通过转角油缸实现密封盖自动旋转开启。料芯向后移动一端距离后，通过图3中的限位梁停止，手动打开限位梁后将料芯抽出，关闭尾盖，再进行下一工件的加工。因为负压抽屑装置的存在，密封盖的打开会使空气反向流入，不会造成粉尘飞溅，环境保证可靠。

图4 出芯装置结构

2. 套料刀具设计

套料刀具的设计遵循切出的环面尽可能窄的原则，对于石墨材质，刃部的磨损很小，使用寿命长，采用图5所示焊接刀片的整体结构设计。刀片材质选用硬质合金，6组刀片采用相同结构在同一截面内均匀分布，刀具理论进给量可达1.8mm/r以上，保证加工效率。

图5 套料刀具结构

刀具以φd外圆面与已加工表面配合，形成自导向效应，保证大深比孔的稳定加工。在每组刀片的后方布置螺旋槽，用于高压气体的注入，在切削区实现气流速度增加，迅速带走剥落的切屑至刀具内孔里，向后排出。

3. 机床配套辅具

辅具作为深孔类机床重要的配套件，依据不同规格内孔的工件进行配置，本文中石墨电极套料深孔机床的辅具包括：

（1）封气盘

按照加工内孔和工件外圆综合设计，安装在床头液压卡盘内顶靠工件左端面，用于钻穿时容纳钻头并密封。

（2）刀具导向套

按照套料刀具的规格配，外端面处布置平面密封圈。

（3）套料钻杆

外径按照套料刀具的规格配置，长度按照工件长度+授气器长度+钻杆支架长度+钻杆箱主轴内含长度之和配置。

（4）套料钻杆套件

包括授气器尾端的钻杆导套、密封组件，钻杆支架处的钻杆导套，钻杆箱主轴处的钻杆夹头、钻杆尾端支承。

4. 加工应用

根据反复的试验切削参数可知，石墨电极内孔套料加工应用上述深孔机床结构及刀辅具配置，可稳定实现加工线速度150-200m/min、进给量1.2-1.5mm/r的工作状态，较大的孔径采用较高的线速度、较小的进给量，保证排屑顺畅。以φ112.8mm内孔工件为例，采用床头转速50r/min，钻杆箱转速500r/min，进给量1.2mm/r，进给速度可达660mm/min，属于该类工件效率较高的加工方式。图6所示为加工工件实物。

图6 加工工件实物图（工件及料芯）

作者：鲁绪阁 卢传杰 齐鹏 张国斌（德州普利森机床有限公司）  

来源：《世界制造技术与装备市场（WMEM）》杂志2022年第2期

责编：梅峰

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