重型車床刀具及切削用量的選擇

1.引言 
         重型機(jī)械加工行業(yè)的特點(diǎn)是被加工件的尺寸很大，重量很重(有的可達(dá)上百噸)，因此重型加工用臥式車床的回轉(zhuǎn)直徑可達(dá)到6米，立式車床更可達(dá)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(jìn)給速度慢等特點(diǎn)，因此其加工工藝與普通的機(jī)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(gè)方面。本文對(duì)重型車床切削加工不同加工階段的特點(diǎn)分別作如下論述。
2.刀具的選擇
          機(jī)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(diǎn)(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(dá)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(shí)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(diǎn)，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(qiáng)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(gè)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(shí)，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(qiáng)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(kuò)散能力和抗氧化能力也很好，在加工鋼料時(shí)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(shí)較常用的刀具材料。然而在低速切削鋼料時(shí)，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(qiáng)度合金材料時(shí)，它的耐用度下降很快，無法滿足使用要求。如電站用機(jī)械產(chǎn)品工作于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的環(huán)境中，對(duì)材料(如26Cr2Ni4MoV、Mn18Cr18)機(jī)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(dá)Hs90，YT類刀具在加工此類產(chǎn)品時(shí)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(shí)的切削速度雖然有了很大提高(可達(dá)到40m/r)，但由于工件材質(zhì)等原因，仍然會(huì)產(chǎn)生積屑瘤，當(dāng)積屑瘤增長到一定高度時(shí)會(huì)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(shí)，剝離的積屑瘤會(huì)扎進(jìn)工件表面，形成硬點(diǎn)，降低加工表面質(zhì)量。因此，如果精加工時(shí)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(gè)問題的辦法就是改變刀具材料。在實(shí)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(shí)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(shí)，刀具耐用度提高了一倍；但使用陶瓷刀具未達(dá)到預(yù)期效果，當(dāng)切削速度達(dá)到100m/min時(shí)，刀片的磨損顯著加快，這是因?yàn)樘沾傻毒吲c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(jī)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(qiáng)度。同時(shí)，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(shí)際加工情況進(jìn)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(duì)切除微小的余量極為重要。這時(shí)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(shí)，前角達(dá)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(jìn)行研磨，去除微小毛刺及微裂，增強(qiáng)刀刃的鋒銳性和強(qiáng)度，并用刀尺進(jìn)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(diǎn)，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(jī)夾刀具。機(jī)夾刀具的刀片夾持結(jié)構(gòu)及加工精度對(duì)于刀具的選擇很重要，實(shí)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?yàn)榇旨庸�時(shí)的系統(tǒng)振動(dòng)較大，常使壓緊機(jī)構(gòu)松動(dòng)，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(duì)機(jī)夾刀具的制造精度要求也很高，因?yàn)榧词刮⑿〉恼`差，也會(huì)使定位機(jī)構(gòu)變成承力機(jī)構(gòu)，由于重型切削的加工過程中切削力巨大，就會(huì)造成刀具的損壞。經(jīng)實(shí)際加工驗(yàn)證，圖1所示結(jié)構(gòu)的刀具比較適于重型機(jī)械加工的粗加工，其優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)?shù)秹K與刀體間有誤差時(shí)，可以進(jìn)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?yàn)樗鼧O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(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，有利于生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量的提高。
         5.切削用量的選擇
         重型切削粗加工階段的切削深度可以達(dá)到單邊50mm，相應(yīng)的切削速度為10m/min左右，進(jìn)給量1.5mm/r。因?yàn)榇旨庸るA段以去除余量為主要加工目的，因此按照機(jī)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(shí)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(jìn)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(dá)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(jī)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(jìn)行。精加工時(shí)切削速度較高，一般可達(dá)40～50m/min。如果機(jī)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(jìn)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(jìn)給量。當(dāng)采用光刀精光外圓表面時(shí)，進(jìn)給量可以達(dá)到每轉(zhuǎn)幾十毫米，這時(shí)切削速度降為3m/min左右，并采用煤油進(jìn)行潤滑。精加工時(shí)，加工余量較小，從而切削深度也較小，對(duì)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(diǎn)對(duì)于易變形的工件尤其重要。
        6.結(jié)語
        重型切削同普通切削相比，其實(shí)際加工同理論計(jì)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(jī)械加工為依據(jù)，并不完全適用于重型機(jī)械加工，因此需要進(jìn)一步專門深入研究。