重型車床刀具及切削用量的選擇

1.引言
      重型機械加工行業(yè)的特點是被加工件的尺寸很大，重量很重(有的可達上百噸)，因此重型加工用臥式車床的回轉(zhuǎn)直徑可達到6米，立式車床更可達到10余米。與普通切削加工相比，由于重型切削加工具有切削深度大、切削速度低、進給速度慢等特點，因此其加工工藝與普通的機械切削加工工藝有很大不同，這些工藝問題包括刀具的選擇、刀具的安裝、切削用量的選擇以及工件的裝夾等各個方面。本文對重型車床切削加工不同加工階段的特點分別作如下論述。
2.刀具的選擇
       機械加工中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。由于重型切削的特點(切削深度大，余量不均，表面有硬化層)，刀具在粗加工階段的磨損形式主要是磨粒磨損。由于切削溫度高，盡管切削速度處于積屑瘤發(fā)生區(qū)，但高溫可以使切屑與前刀面的接觸部位處于液態(tài)，減小了摩擦力，抑制了積屑瘤的生成，所以刀具材料的選擇應(yīng)要求耐磨損、抗沖擊，刀具涂層后硬度可達80HRC，具有高的抗氧化性能和抗粘結(jié)性能，因而有較高的耐磨性和抗月牙洼磨損能力。硬質(zhì)合金涂層具有較低的摩擦系數(shù)，可降低切削時的切削力及切削溫度，可以大大提高刀具耐用度(涂層硬質(zhì)合金刀片的耐用度至少可提高1倍)等優(yōu)點，但由于涂層刀片的鋒利性、韌性、抗剝落和抗崩刃性能均不及未涂層刀片，故不適用高硬度材料和重載切削的粗加工。陶瓷類刀具硬度高，但抗彎強度低，沖擊韌性差，不適用于余量不均的重型切削，CBN刀具同樣也存在這個問題。綜合以上分析，只有硬質(zhì)合金刀具適合于重型切削的粗加工。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，由于金屬塑性變形大，摩擦劇烈，切削溫度高，YG類硬質(zhì)合金雖然強度和韌性較好，但高溫硬度和高溫韌性較差，因此在重型切削中很少應(yīng)用。與之相比，YT類硬質(zhì)合金刀具適于加工鋼料，由于YT類合金具有較高的硬度和耐磨性，尤其是具有高的耐熱性，抗粘結(jié)擴散能力和抗氧化能力也很好，在加工鋼料時刀具磨損較小，刀具耐用度較高，因此YT類硬質(zhì)合金是重型加工時較常用的刀具材料。然而在低速切削鋼料時，由于切削過程不太平穩(wěn)，YT類合金的韌性較差，容易產(chǎn)生崩刃，而且在加工一些高強度合金材料時，它的耐用度下降很快，無法滿足使用要求。如電站用機械產(chǎn)品工作于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的環(huán)境中，對材料(如26Cr2Ni4MoV、Mn18Cr18)機械性能的要求非常高；而一些高硬度軋輥，表面硬度在淬火后可達Hs90，YT類刀具在加工此類產(chǎn)品時就無法勝任，在這種情況下應(yīng)選用YW類刀具或細(xì)晶粒、超細(xì)晶粒合金刀具(如643等)。細(xì)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類刀具可提高一倍以上。
精加工階段同樣要求刀具耐磨損，但是精加工階段的磨損形式是以粘蝕磨損為主，這時的切削速度雖然有了很大提高(可達到40m/r)，但由于工件材質(zhì)等原因，仍然會產(chǎn)生積屑瘤，當(dāng)積屑瘤增長到一定高度時會從刀具上剝離，將接觸部位的刀具材料帶走一部分，形成刀具的磨損。同時，剝離的積屑瘤會扎進工件表面，形成硬點，降低加工表面質(zhì)量。因此，如果精加工時仍然采用普通硬質(zhì)合金刀具，則刀具磨損非�？�，換刀次數(shù)增多，不僅影響加工效率，也易在工件表面形成接刀痕跡，影響外觀質(zhì)量。解決這個問題的辦法就是改變刀具材料。在實際加工中發(fā)現(xiàn)涂層刀具比較適合重型切削的精加工，刀具的涂層減小了切屑與刀面間的摩擦，減少了積屑瘤的發(fā)生，降低了刀具的磨損，延長了刀具的壽命。實際加工中，我們采用瓦爾特公司的涂層硬質(zhì)合金刀片，在加工45Cr4NiMoV支撐輥時，刀具耐用度提高了一倍；但使用陶瓷刀具未達到預(yù)期效果，當(dāng)切削速度達到100m/min時，刀片的磨損顯著加快，這是因為陶瓷刀具與金屬材料之間由于親和作用加劇了刀具的磨損。高速鋼刀具在精加工階段得到了廣泛的應(yīng)用，由于高速鋼刀具的鋒銳性較好，經(jīng)常用于精加工階段的光整工序以去除微小余量，目前來看，其它刀具還無法完全取代高速鋼刀具的作用。
3.刀具角度的選擇
      由于在重型機械粗加工階段刀具的工作環(huán)境比較惡劣，比如材料鍛造后的氧化皮、裂紋、鏟坑、鑄造后的夾雜、氣孔等缺陷，都易導(dǎo)致刀具的損壞，因此應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牡毒呓嵌取Ｓ糜谥匦颓邢鞯牡毒咭话悴捎?°～－5°前角，10°～15°后角，采用負(fù)的刃傾角，以增大工作前角和楔角，提高刀刃的鋒利性和刀尖的強度。同時，在主切削刃上開有1mm左右寬的負(fù)倒棱、R2mm左右的刀尖圓角以提高刀刃的抗沖擊性能。當(dāng)然，這些角度還要根據(jù)實際加工情況進行調(diào)整。
       精加工階段以保證產(chǎn)品精度為主要目標(biāo)。刀具的鋒利對切除微小的余量極為重要。這時選用的刀具角度一般為：前角10°，后角15°，刃傾角10°；當(dāng)用平刃刀片精光時，前角達25°～30°，后角15°，刃傾角20°，屬斜角切削。刀刃在刃磨后，應(yīng)該用金剛石砂條或細(xì)目油石條進行研磨，去除微小毛刺及微裂，增強刀刃的鋒銳性和強度，并用刀尺進行透光檢查，保證刀刃的平直度。
4.刀具結(jié)構(gòu)的選擇
       根據(jù)粗加工加工余量大、切削余量大的特點，用于粗加工的刀具應(yīng)該具有很好的剛性。一般來講，整體刀具的剛性較好，但重型刀具的結(jié)構(gòu)笨重，裝卸比較困難，所以發(fā)展方向應(yīng)該是機夾刀具。機夾刀具的刀片夾持結(jié)構(gòu)及加工精度對于刀具的選擇很重要，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，這是因為粗加工時的系統(tǒng)振動較大，常使壓緊機構(gòu)松動，導(dǎo)致刀片損壞。而上壓式結(jié)構(gòu)常因阻礙了切屑的流出造成壓塊的損壞。對機夾刀具的制造精度要求也很高，因為即使微小的誤差，也會使定位機構(gòu)變成承力機構(gòu)，由于重型切削的加工過程中切削力巨大，就會造成刀具的損壞。經(jīng)實際加工驗證，圖1所示結(jié)構(gòu)的刀具比較適于重型機械加工的粗加工，其優(yōu)點在于：當(dāng)?shù)秹K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，可以使得在增加切削用量后，不會產(chǎn)生振動，有利于生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量的提高。
                                                                                     
                                                                                       圖1 機夾重型車刀

5.刀具的安裝
 
                                                            圖2 刀具反安裝計算簡圖

     機械加工中刀具的安裝方式對于加工很重要。通常以正夾為主，但計算結(jié)果表明，反夾的剛度更好，如圖2 所示，根據(jù)刀具反安裝時的計算式           (1)
      將式(1)積分后，代入固定端點的轉(zhuǎn)角、撓度均為零的邊界條件，將刀尖x=a代入式(1)得撓度方程為.同理，在刀具正安裝時，由于走刀抗力影響較小，故計算變形時只考慮主切削力，則有刀尖C點撓度為
(3)
      由式(2)和式(3)得到刀具反安裝和刀具正安裝
時的刀尖撓度值之差：
(4)

        顯然yc正的絕對值>yc反的絕對值) ，即反安裝車刀的剛度優(yōu)于正安裝車刀的剛度。此外，反向加工時，機床受力方向是剛度最大的方向，而刀具受力方向是剛度較小的方向，因此可以減小加工中的振動。另一方面，由于實際加工中機床都是按正夾設(shè)計的刀臺，所以除非采用特殊設(shè)計的刀體，否則刀具安裝后將高于中心，造成刀具的工作后角減小，加據(jù)后刀面磨損。圖3所示為一種反向裝夾切斷刀。
 
圖3 彎頭反切斷刀

6.切削用量的選擇
       重型切削粗加工階段的切削深度可以達到單邊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。
       重型機械加工的產(chǎn)品尺寸較大，所以很多產(chǎn)品的精加工只能在重型車床上進行。精加工時切削速度較高，一般可達40～50m/min。如果機床及刀具性能允許，應(yīng)盡可能提高切削速度，相應(yīng)的可以采用較小的進給量，以利于表面質(zhì)量的提高(一般可取0.1～0.2mm/r)。如果刀片有修光刃，則可根據(jù)修光刃的寬度，適當(dāng)加大進給量。當(dāng)采用光刀精光外圓表面時，進給量可以達到每轉(zhuǎn)幾十毫米，這時切削速度降為3m/min左右，并采用煤油進行潤滑。精加工時，加工余量較小，從而切削深度也較小，對于形狀精度較高的表面，應(yīng)分多次去除余量，這樣可以有效消除殘留的形狀誤差，這一點對于易變形的工件尤其重要。
7.結(jié)語
       重型切削同普通切削相比，其實際加工同理論計算均有很大的區(qū)別。目前，重型切削的很多工藝及刀具資料都是以普通機械加工為依據(jù)，并不完全適用于重型機械加工，因此需要進一步專門深入研究。  歡迎瀏覽蘭生數(shù)控網(wǎng)站www.rxdzic.cn