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重型可转位数控刀具的研制与应用 |
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作者：哈尔滨汽轮机厂 顾冰 张毅 顾祖慰 |
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可转位刀具的推广应用是金属切削加工的重要发展方向之一。与焊接式硬质合金刀具相比，可转位刀具具有切削效率高、刀具寿命长、加工质量好、综合经济效益显著等优点，因此在我国机械制造等行业的应用日益广泛。随着国内先进数控机床的应用不断增加，与之配套的数控可转位刀具也日益显示出其重要性。在重型数控机床上使用可转位刀具尤其具有重要的技术和经济价值。国外工具制造商提供的重型数控可转位刀具虽然技术水平较高，但价格昂贵，大量购买进口刀具会增加生产成本，加重企业经济负担。因此，自行开发研制物美价廉、适合国情的国产重型可转位数控刀具具有重要意义。哈尔滨汽轮机厂有限责任公司经过二十多年的探索和研制，自主开发出多种重型可转位数控刀具，并在生产实践中取得了初步成效。现选择应用较为成熟的几种刀具介绍如下，希望能对国内同行有所裨益。
1 重型可转位数控车刀
我公司开发的重型可转位数控车刀主要有整体光杆偏心夹紧式和模块化杠杆夹紧式两种结构型式，其结构简图分别见图1a、1b。
(a)光杆偏心夹紧式
(b)杠杆模块夹紧式
图1 重型可转位数控车刀结构简图
1.1 光杆偏心夹紧式可转位车刀
1) 偏心量的合理选择光杆偏心夹紧式可转位车刀工作时，既受到机械力的夹紧作用又受到切削力的锁紧作用，因此选择偏心量时，必须精确计算并在自锁角范围内进行选择。
2) 关键部位制造精度的保证制造车刀时，必须严格控制偏心轴回转孔中心与刀槽锁紧两侧面的位置尺寸以及刀槽底面与两侧面的垂直度(见图2)。
3) 刀片的正确夹紧通过旋转偏心轴夹紧刀片时，旋转方向应与刀具切削力方向一致，以利用切削力夹紧刀片，避免切削时因振动引起偏心轴松开(见图3)。
图2 需确保制造精度的刀具关键部位
图3 夹紧刀片时偏心轴旋转方向与切削力方向一致
实践证明，按上述要求研制的光杆偏心式重型可转位车刀可稳定应用于卧式或立式重型数控车床上，完成对普通碳钢、合金钢制大型轴类和缸体零件的断续或连续切削加工。
加工实例：被加工零件：汽轮机主轴(材料：34CrMo)；刀片型号：4K251OH10(42510H)；刀具主要几何角度：主偏角kr=75°，刀具刀槽安装前角g0=-8°，后角a0=8°，刃倾角ls=- 8°；切削用量：vc=60～80m/min，f=0.6～1.2mm/r，ap=12～18mm。经生产验证，完全可满足主轴加工要求。
1.2 模块化杠杆夹紧式可转位车刀
由于采用模块化结构可使刀具实现一杆多用，且能快速换装刀头，因此极具经济价值，国外工具制造商开发的重型可转位车刀已广泛采用模块化结构。模块式车刀的刀头可根据加工需要设计成不同的结构、型式和几何角度，可装夹三边、四边、菱形、圆形及各种非标准型式的可转位刀片，以满足外圆、端面、仿形、切槽、螺纹、成型面等工序的加工。模块式车刀刀头与刀杆的联接通常可采用机械夹紧和液压拉紧两种型式。加工外圆、端面的模块式刀头采用杠杆夹紧式结构为佳。杠杆式夹紧结构由于可将受力点设计(选择)在最佳位置，使刀片两侧面与刀槽两侧面紧密接触，同时还可形成向下的夹紧合力使刀片可靠地紧固定位(见图4)，因此较适用于大(进给)用量切削。
图4 杠杆夹紧式结构受力示意图
2 重型可转位数控铣刀
2.1 重型可转位面铣刀我公司开发的重型可转位面铣刀主要有不等齿后压式和不等齿模块式两种结构型式，其结构分别如图5a、5b 所示。
(a)不等齿后压式
(b)不等齿模块式
图5 可转位面铣刀结构
1) 不等齿后压式面铣刀
标准型式可转位面铣刀的刀齿通常为等齿分布，其缺点是刀具切削时易产生周期性振动(有时还可能引起共振)，从而加剧刀片磨损或引起崩刃，限制切削效率的提高，影响工件加工质量。不等齿后压式面铣刀结构简单(刀具除紧定螺钉外只有刀体、定位圈、压块和刀片四种零件)，制造方便，使用可靠。通过正交试验设计，该铣刀在选取径向前角gf=9°、轴向前角gP=7°、后角a0=7°时，加工马氏体不锈钢的切削效率比原用标准面铣刀提高1倍，刀具寿命提高50%。
加工实例：被加工零件：汽轮机叶片(材料：1Cr13、2Cr13)；刀片材料：YS25、M2、YM30；刀具切削用量推荐值：粗铣：vc=120～160m/min，vf=300mm/min，ap=3～4mm；精铣：vc=200～250m/min，vf=150mm/min，ap=0.5mm。
2) 不等齿模块式面铣刀
该铣刀的主要优点是节省刀体，可扩大面铣刀的应用范围。通过更换不同型式的模块刀头，可完成平面、直角面及圆弧成型面的加工。该铣刀主要用于合金钢铸件的粗铣加工。
2.2 重型可转位槽铣刀
可转位槽铣刀常用于在数控龙门铣床和镗铣床上进行铣槽及圆周表面插补加工，刀具结构型式见图6。该刀具的刀齿采用等齿分布型式，选用带沉孔的可转位立装刀片(刀片型号CNE454)，用锥头螺钉直接将其紧定在刀块刀槽中，以适应强力切削的要求。为保证装配精度，分别将刀块和刀体设计成凹、凸环形定位键，以确保端面误差最小。开发的铣刀直径范围Ø450～800mm；加工合金钢铸件时，常用切削用量为：vc=120～160m/min，vf=200～250mm/min，ap=5～8mm。
图6 大直径可转位槽铣刀
2.3 可转位超精面铣刀
该铣刀常用于缸体接合平面的精加工，可实现以铣代磨(代刮研)，零件加工面粗糙度可稳定达到Ra1.6～0.8µm。刀具结构简图见图7(型号YCE434 -01)，刀具端面四个刀齿的刃口呈圆弧面。为保证切削精度，刀片常选用两个齿(如采用多齿切削，刀刃端跳需控制在≤0.005mm)，刀片材料选用金属陶瓷为佳(如YN10)。加工合金钢时推荐切削用量为：vc=180～ 220m/min，vf=400～600mm/min，ap=0.5mm。
图7 可转位超精面铣刀
3 大直径可转位复合钻
加工缸体二平面连接紧定的大螺孔时，传统工艺是先用高速钢钻头钻出底孔，然后用扩孔钻(或镗刀)将底孔逐级扩大至要求尺寸。该工艺的缺点是切削效率低、刀具寿命短。研制的新型大直径可转位复合钻(见图8)则可将钻、扩工序改为一次完成。该复合钻由定心钻、切削头、保险环和刀杆(包括冷却环)四部分组成。定心钻(材料为高速钢)可在高速钻孔时保证钻削稳定；切削头由不对称的多刃可转位刀片组成，选用凸三角形带点式断屑槽的可转位刀片，可保证良好的强度和断屑性能。为保证高速钻削的稳定性，在切削头上还点焊有硬质合金导向块(这对加工通孔尤为重要)；保险环的作用是在超负荷切削时保护刀杆不受损坏。大直径可转位复合钻的直径范围为Ø68～350mm，最大加工深度为钻径的6 倍。
图8 大直径可转位复合钻
大直径可转位复合钻适用于加工铸铁、碳钢和合金钢(锻、铸件)缸体连接螺孔的不通孔(如采用导向措施，也可用于通孔加工)。为保证顺利排屑及延长刀具寿命，刀杆上配有冷却环，切削液在压力作用下通过冷却环进入刀杆内孔，在冷却刀刃的同时将切屑冲出孔外。大直径可转位复合钻加工合金钢材料的常用切削用量为：vc=60～80m/min，f=0.1～0.14mm/r。 (end)
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(4/30/2007) |
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