淺析硬質(zhì)合金刀具應(yīng)用和刀具材料

車削加工是機械制造加工工藝的主要工序。特別是在重型機械加工制造業(yè)中，工件結(jié)構(gòu)尺寸堪稱巨型，重量高達60～80t，甚至上百噸，加工設(shè)備重型臥車回轉(zhuǎn)直徑達到6m，重型立車可達到10m。重型車削加工與普通加工相比，切削深度大、切削速度低、進給速度慢。加工余量達單邊35～50mm，加之切削過程中工件平衡差，加工余量分布不均勻，機床的某些部件不平衡等因素引起的振動，使加工的動態(tài)不平衡過程要消耗很多的機動時間和輔助時間。所以加工重型零件，提高生產(chǎn)率或機器設(shè)備的利用率，必須從增大切削層厚度和進刀量入手，要重點考慮切削用量和刀具的選擇，改善刀具結(jié)構(gòu)和幾何形狀，將刀具材質(zhì)的強度特點考慮進去，以求提高切削用量，顯著降低機動時間。    

1刀具材料的選擇   

    切削常用的刀具材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、立方氮化硼(CBN)、陶瓷等。重型切削深度一般可達30～50mm，余量不均，工件表面有硬化層，粗加工階段的刀具磨損以磨粒磨損形式為主：切削速度一般為15～20m/min，盡管速度值處于積屑瘤發(fā)生區(qū)，但切削的高溫足使切屑與前刀面的接觸點處于液態(tài)，減小了摩擦力，抑制了積屑瘤生成。刀具材料的選擇要耐磨損、抗沖擊。陶瓷類刀具硬度高，但抗彎強度低，沖擊韌性差，不適于余量不均的重型車削，CBN存在同樣的問題。硬質(zhì)合金卻有較低的摩擦系數(shù)，可降低切削時的切削力及切削溫度，大大提高刀具耐用度，適于高硬度材料和重載車削粗加工。硬質(zhì)合金分為鎢鈷類(YG)、鎢鈷鈦類(YT)和碳化鎢類(YW)。加工鋼料時，YG類硬質(zhì)合金的強度和韌性好，但高溫硬度和高溫韌性較差：重型車削時工件塑性變形大，摩擦劇烈，切削溫度高，因此在重型車削中很少用YG類硬質(zhì)合金。YT類硬質(zhì)合金有高硬度和耐磨性、高耐熱性、抗粘結(jié)擴散能力和抗氧化能力，是重型車削常用的刀具材料，適于加工鋼料。然而在低速車削時，切削過程不平穩(wěn)會造成YT類合金的韌性差，產(chǎn)生崩刃：尤其是加工一些高強度合金材料時，YT類硬質(zhì)合金耐用度下降快，無法滿足使用要求。在這種情況下應(yīng)選用YW類刀具或細晶粒、超細晶粒合金刀具(如643等)。細晶粒合金的耐磨性好，更適用于加工冷硬鑄鐵類產(chǎn)品，效率較YW類刀具可提高1倍以上。   

用硬質(zhì)合金刀具提高重型加工的車削速度，是提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵之一，也是縮短生產(chǎn)循環(huán)期的有利因素。工序中分幾個行程切除大余量，每次的切削深度很小，而利用硬質(zhì)合金刀具的切削性能，切削速度就會大大提高。   

2刀具角度的選擇   

    重型車削粗加工階段，工件外表面的鍛造氧化皮、裂紋、鏟坑、鑄造夾雜、氣孔等缺陷都易導(dǎo)致刀具破碎，因此應(yīng)選擇合理刀具角度。重型加工條件下，因粗加工要切除很厚的切屑，車刀一般采用前角g=8°～12°，而普通g=15°。切削刃傾角l=10°～18°。如果減小前角，即增大切削角，可在某種程度上增加切削刃的強度。應(yīng)指出：減小前角，切削力增大，但在g由15°變到10°時，切削力增加得很小，而增大的工作前角和楔角，提高了刀刃的鋒利性和刀尖強度3尤其是在工件很重，旋轉(zhuǎn)帶有沖擊性的負荷時，切削刃的刃傾角l=10°～18°創(chuàng)造了最有利的切削條件，因而在切削時，沖擊力的作用點離開了刀尖，可防止刀尖破碎。同時，在主切削刃上開有1mm左右寬的負倒棱、R2mm左右的刀尖圓角以提高刀刃的抗沖擊性能，但刀具安裝角度還要根據(jù)實際情況調(diào)整。   

3刀具結(jié)構(gòu)的選擇   

    粗加工階段切削余量大，對刀具的剛性要求較高。一般而言，整體刀具剛度好，但結(jié)構(gòu)笨重，裝卸困難：而機夾刀具拆卸靈活，動剛度也可滿足加工要度。機夾刀具的刀片材質(zhì)選擇及夾持結(jié)構(gòu)對加工精度很重要，實際加工中發(fā)現(xiàn)，偏心銷夾緊和勾頭壓緊式不適合重型粗加工，因為粗加工時工藝系統(tǒng)振動大，常使壓緊機構(gòu)松動，導(dǎo)致刀片損壞：上壓式結(jié)構(gòu)也常因阻礙了切屑的流出而造成壓塊的損壞。機夾刀具的制造精度要求也很高，因為即使微小的誤差，也能使定位機構(gòu)變成承力機構(gòu)，由于重型切削的加工過程中切削力很大，易使刀具損壞。經(jīng)實際加工驗證，圖1所示結(jié)構(gòu)的刀具更適于重型車削的粗加工。 

這種新型硬質(zhì)合金機夾車刀，裝有可調(diào)整的附加卷屑器，使切屑卷成螺旋線型滑出。圖1中，附加卷屑器4同時又是刀片6的夾持器，使刀片緊固在刀夾1中。切削時，切屑碰到卷屑器的工作部分就卷起來，此部分焊一個厚3～5mm的硬質(zhì)合金片。附加卷屑器的前端壓住硬質(zhì)合金刀片，而后端則壓住擋鐵3。擋鐵3下部及墊板2上部有鋸齒紋，刀片磨損后，借此結(jié)構(gòu)可將刀片伸出。墊板，用合金及淬火工具鋼制成，用以保護硬質(zhì)合金刀片不受折損。   

    該新型機夾車刀采用長方形刀片，磨刀時，刀片夾在專用刀桿內(nèi)，磨出的刀具角度用樣板檢查。硬質(zhì)合金刀片的刃磨角度為，前角g=10°，后角a=8°，主偏角kr=55°或45°，副偏角kr1’=15°。為使刀桿可以重復(fù)使用，用45#鋼鍛造制成，熱處理硬度為HRC45～48。用該車刀的重型車削經(jīng)驗表明：切屑在高速切削時卷成螺旋線型是最好的形狀(切削斷面很大)，切屑在切削刃附近就即行折斷。若重型車床運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，則硬質(zhì)合金刀片切削刃不致破碎，生產(chǎn)效率就大大提高。   

    經(jīng)過使用比較，該型車刀與采用整體硬質(zhì)合金刀片焊接的車刀使用壽命相同。但與生產(chǎn)中其它類型的硬質(zhì)合金車刀比較，在大多數(shù)的情況下，該型重型車刀更耐用，可切削切屑的剖面更大。經(jīng)驗證明，在任何條件下，切屑卷出條件均好，切屑以長螺旋型或短螺旋型卷出。當(dāng)切削深度與進刀量之比不大于3～4時，切屑碰在刀桿后即變成細碎塊掉落。   

    這種帶有卷屑裝置的新型硬質(zhì)合金機夾車刀，在車床上及立式車床上切削鋼件時使用。剖面為40mm×60mm及40mm×40mm的車刀，若切削余量均勻，其最大的切屑剖面在寬30mm的刀片上為20mm2，在寬25mm的刀片上為15mm2。當(dāng)切削余量不均勻的硬皮時，切屑剖面要縮小30%～40%，當(dāng)加工過程沖擊很大時，不宜采用這種結(jié)構(gòu)的重型車刀。   

    刃磨該類硬質(zhì)合金刀片時應(yīng)注意，把硬質(zhì)合金刀片放在刀桿槽內(nèi)，用螺栓和卷屑器的墊板固定住。刀片從刀桿內(nèi)伸出長度不要超過1～1.5mm。墊板要安置在刀片的前面，安放時，要使切屑能夠成螺旋狀卷出。從刀片中部測出的距離或伸出量依據(jù)切屑剖面的大小而定。伸出量的尺寸，不應(yīng)小于表1中所列值，否則切屑將猛烈擊打卷屑器，會造成車刀的切削部分破裂，甚至把刀桿打斷。當(dāng)切削時，要及時更換磨鈍的或破裂的刀片。更換刀片必須把切屑渣從刀桿上清理凈。   

    該型刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于：刀塊與刀體間有誤差時，可以進行修磨，從而保證裝配精度；壓緊螺栓位于后刀面上，不容易被切屑損壞。板式刀架比較適合重型切削，因為它極大地增加了刀片受力方向的剛度，在增加切削用量后，也不致產(chǎn)生大振動，有利于生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量的提高。   

4切削用量的選擇   

    重型車削粗加工階段的切削深度可達到單邊50mm，相應(yīng)的切削速度為10m/min左右，進給量1.5mm/r。因為粗加工階段以去除余量為主要加工目的，因此按照機械加工中切削余量的確定原則，為提高切削效率，應(yīng)加大切削深度。重型切削時由于切削深度大，所以切削力大，相應(yīng)的選擇較低的切削速度，一般為10～15m/min，進給量為1～2mm/r。采用這樣的切削用量，工件的表面粗糙度比較差，只能達到Ra12.5～Ra6.3，可以通過滾壓的方法提高粗糙度值，以滿足后序加工的要求。   

5結(jié)束語   

    重型車削與普通車削相比，其實際加工同理論計算區(qū)別很大。目前，重型車削的很多工藝及刀具資料都是以普通機械加工為依據(jù)，這并不完全適用，因此需要做更深入的探討。