一种脉冲电流辅助切削加工系统及其应用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属加工领域，具体涉及一种脉冲电流辅助切削加工系统及其应用方法。
【背景技术】
[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，加工过程中切削抗力大，刀具损耗和破坏严重，加工效率低下，成本高昂。因此，开发高效低成本的难加工金属切削加工技术是当前业内的一个主要研宄方向。
[0003]中国专利《一种电致塑性切削加工系统及其应用方法》(公开号CN103447832A)提供了一种利用脉冲电流电致塑性效应进行难加工金属材料高效切削加工的系统及应用方法。但该专利中所涉及的电流回路为电源正极一车床卡盘一工件一车床尾座一电源负极，脉冲电流通过整个工件，对于仅仅发生在工件表面的切削过程来说其电流利用效率很低。尤其是切削大直径尺寸的工件，或切削导电性和导磁性较差的材料，或进行大切削用量的切削加工时，该专利所描述的加工系统和方法需要更高的脉冲电流来实现其电致塑性作用效果，这就意味着需要更大功率的脉冲电源和更高的能量消耗。因此，该系统相距实际生产应用仍有很大距离。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明提供一种新型的脉冲电流辅助切削加工系统及其应用方法。该系统借助安装于小滑板上的、与切削刀具同步移动的、紧密滑动接触于切削区两侧工件表面的电刷装置将脉冲电流导入工件表面切削区，使脉冲电流始终高度集中在工件表层切削加工区，能够带来更高的切削加工效率和更低的成本消耗。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
一种脉冲电流辅助切削加工系统，包括:
车床，该车床包含小滑板和夹持工件(导电工件)的卡盘；
切削力传感器，安装于所述小滑板上；
安装有刀具的刀架，该刀架绝缘安装于所述切削力传感器上；
位于所述气缸左、右两侧的左电刷装置和右电刷装置，所述左、右电刷装置绝缘安装于所述滑小滑板上，所述左电刷装置的左电刷和所述右电刷装置的右电刷与所述工件表面紧密滑动接触；所述左电刷的中心、所述右电刷的中心和所述刀具的刀尖均处于所述工件的中心线所在的水平面内；
脉冲电源，两输出端分别连接所述左电刷和右电刷；及，
监测控制开关模块，该模块连接于所述脉冲电源的电源输入回路中，输入端接所述切削力传感器的输出端，用于根据所述切削力传感器的输出信号控制所述脉冲电源开始或停止工作。
[0006]本系统进一步可以包括冷却装置，可使用不导电介质作为冷却或者强制风冷方式冷却。
[0007]其中，所述左电刷装置由左电刷、左调节器和左电刷架组成，所述左电刷架由水平的安装部、斜支杆和该斜支杆上端的连接段组成；所述左调节器由左套筒和设置于左套筒内的左弹簧组成，所述左电刷位于该左套筒一端，所述左电刷架的连接段插接于该左套筒另一端内并接触该左弹簧。当所述左弹簧处于自由状态时，在进刀方向上所述左电刷工作面位于所述刀具刀尖的前方，当所述左弹簧处于压缩状态时，所述左电刷工作面与所述工件表面紧密滑动接触。
[0008]所述右电刷装置由右电刷、右调节器和右电刷架组成，所述右电刷架由水平的安装部、斜支杆和斜支杆上端的连接段组成；所述右调节器由右套筒和设置于右套筒内的右弹簧组成，所述右电刷位于该右套筒一端，所述右电刷架的连接段插接于该右套筒另一端内并接触该右弹簧。当所述右弹簧处于自由状态时，在进刀方向上所述右电刷工作面位于所述刀具刀尖的前方，当所述右弹簧处于压缩状态时，所述右电刷工作面与所述工件表面紧密滑动接触。
[0009]所述左电刷架与所述小滑板之间设置第一绝缘层，所述左电刷架用穿过所述左电刷架的安装部和所述第一绝缘层的多个第一绝缘螺栓螺于所述刀架左侧的所述小滑板上；所述右电刷架和所述小滑板之间设置第二绝缘层，所述右电刷架用穿过所述右电刷架的安装部和所述第二绝缘层的多个第二绝缘螺栓螺于所述刀架右侧的所述小滑板上；所述刀架和所述切削力传感器之间设置第三绝缘层，所述刀架用穿过所述刀架的安装部和所述第三绝缘层的多个第三绝缘螺栓螺于所述切削力传感器上。
[0010]所述左电刷的工作面在进刀时先于所述刀具刀尖紧密滑动接触于所述工件表面，退刀时后于所述刀具刀尖离开所述工件表面；所述右电刷的工作面在进刀时先于所述刀具刀尖紧密滑动接触于所述工件表面，退刀时后于所述刀具刀尖离开所述工件表面。
[0011]所述左调节器(左弹簧)的最大压缩行程、所述右调节器(右弹簧)的最大压缩行程均大于切削加工所使用的最大背吃刀量。
[0012]所述脉冲电源能够输出频率为50-1OOOOHz、脉宽为20-1000 μ s、峰值电流为100-10000A的脉冲电流。
[0013]由于刀架绝缘安装于小滑板上的切削力传感器上，通过切削力传感器可以探测切削过程中产生的切削力。当所述切削力传感器探测到切削力不为零时，所述监测控制开关模块对来自所述切削力传感器的输出信号进行处理，并接通所述脉冲电源的输入电源使所述脉冲电源开始工作；当所述切削力传感器探测到切削力为零时，所述监测控制开关模块对来自所述切削力传感器的输出信号进行处理，并切断所述脉冲电源的输入电源。
[0014]本脉冲电流辅助切削加工系统的一种应用方法，包括以下步骤:
将工件一端用卡盘夹紧，启动车床，工件随卡盘转动；
移动小滑板进刀，使左电刷装置的左电刷和右电刷装置的右电刷首先与工件表面紧密滑动接触；随后刀具刀尖接触工件表面并开始切削，与此同时切削力传感器探测到切削力不为零，监测控制开关模块对来自切削力传感器的输出信号进行处理，并接通脉冲电源的输入电源使脉冲电源开始工作；脉冲电源通过所述左电刷和右电刷向工件表面切削加工区导入脉冲电流；切削过程中，左、右电刷装置由小滑板拖动随刀具的进给而同步移动； 切削毕，移动小滑板退刀，车刀刀尖首先离开工件表面，同时切削力传感器探测到切削力变为零，监测控制开关模块对来自切削力传感器的输出信号进行处理，并切断脉冲电源的输入电源脉冲电源停止工作；
关闭车床，卡盘停止转动，从卡盘上取下工件。
[0015]其中，所述工件为导电工件，所述脉冲电流参数为:频率为50-10000HZ、脉宽为20-1000 μ s、峰值电流为100-10000Α的脉冲电流。
[0016]本发明脉冲电流辅助切削加工系统，借助安装于小滑板上的、与切削刀具同步移动的、紧密滑动接触于切削区两侧工件表面的电刷装置将脉冲电流导入工件表面切削区。基于电路最短电阻最小原理和脉冲电流集肤效应，所加脉冲电流绝大部分会沿着两个电刷装置之间的工件表面切削区流过。始终高度集中在工件表层切削加工区的脉冲电流可带来更高的切削加工效率和更低的成本消耗。该系统在切削高硬度大直径尺寸的工件，或切削导电性和导磁性较差的材料，或进行大切削用量的切削加工时具有显著优势，装置简单易行，成本低廉，刀具切入和切出工件没有打火放电现象，具有很好的实用前景。
[0017]用该系统对工件进行脉冲电流辅助切削加工试验，相同切削用量参数下，其主切削力比不加电的普通切削主切削力降低23-31.8%，比中国专利《一种电致塑性切削加工系统及其应用方法》(公开号CN103447832A)所提供切削方法的主切削