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新型重型车削用硬质合金刀具结构 |
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作者：吴立勋 燕山大学 马军 |
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引言
车削加工是机械制造加工工艺的主要工序。特别是在重型机械加工制造业中，工件结构尺寸堪称巨型，重量高达60～80t，甚至上百吨，加工设备重型卧车回转直径达到6m，重型立车可达到10m。重型车削加工与普通加工相比，切削深度大、切削速度低、进给速度慢。加工余量达单边35～50mm，加之切削过程中工件平衡差，加工余量分布不均匀，机床的某些部件不平衡等因素引起的振动，使加工的动态不平衡过程要消耗很多的机动时间和辅助时间。所以加工重型零件，提高生产率或机器设备的利用率，必须从增大切削层厚度和进刀量入手，要重点考虑切削用量和刀具的选择，改善刀具结构和几何形状，将刀具材质的强度特点考虑进去，以求提高切削用量，显著降低机动时间。
1 刀具材料的选择
切削常用的刀具材料主要有高速钢、硬质合金、立方氮化硼(CBN)、陶瓷等。重型切削深度一般可达30～50mm，余量不均，工件表面有硬化层，粗加工阶段的刀具磨损以磨粒磨损形式为主：切削速度一般为15～20m/min，尽管速度值处于积屑瘤发生区，但切削的高温足使切屑与前刀面的接触点处于液态，减小了摩擦力，抑制了积屑瘤生成。刀具材料的选择要耐磨损、抗冲击。陶瓷类刀具硬度高，但抗弯强度低，冲击韧性差，不适于余量不均的重型车削，CBN存在同样的问题。硬质合金却有较低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，大大提高刀具耐用度，适于高硬度材料和重载车削粗加工。硬质合金分为钨钴类(YG)、钨钴钛类(YT) 和碳化钨类(YW)。加工钢料时，YG类硬质合金的强度和韧性好，但高温硬度和高温韧性较差：重型车削时工件塑性变形大，摩擦剧烈，切削温度高，因此在重型车削中很少用YG类硬质合金。YT类硬质合金有高硬度和耐磨性、高耐热性、抗粘结扩散能力和抗氧化能力，是重型车削常用的刀具材料，适于加工钢料。然而在低速车削时，切削过程不平稳会造成YT类合金的韧性差，产生崩刃：尤其是加工一些高强度合金材料时，YT类硬质合金耐用度下降快，无法满足使用要求。在这种情况下应选用YW类刀具或细晶粒、超细晶粒合金刀具(如643等)。细晶粒合金的耐磨性好，更适用于加工冷硬铸铁类产品，效率较YW类刀具可提高1倍以上。
用硬质合金刀具提高重型加工的车削速度，是提高生产率的关键之一，也是缩短生产循环期的有利因素。工序中分几个行程切除大余量，每次的切削深度很小，而利用硬质合金刀具的切削性能，切削速度就会大大提高。
2 刀具角度的选择
重型车削粗加工阶段，工件外表面的锻造氧化皮、裂纹、铲坑、铸造夹杂、气孔等缺陷都易导致刀具破碎，因此应选择合理刀具角度。重型加工条件下，因粗加工要切除很厚的切屑，车刀一般采用前角g=8°～12°，而普通g=15°。切削刃倾角l=10°～18°。如果减小前角，即增大切削角，可在某种程度上增加切削刃的强度。应指出： 减小前角，切削力增大，但在g由15°变到10°时，切削力增加得很小，而增大的工作前角和楔角，提高了刀刃的锋利性和刀尖强度3 尤其是在工件很重，旋转带有冲击性的负荷时，切削刃的刃倾角l=10°～18°创造了最有利的切削条件，因而在切削时，冲击力的作用点离开了刀尖，可防止刀尖破碎。 同时，在主切削刃上开有1mm左右宽的负倒棱、R2mm左右的刀尖圆角以提高刀刃的抗冲击性能，但刀具安装角度还要根据实际情况调整。
3 刀具结构的选择
粗加工阶段切削余量大，对刀具的刚性要求较高。 一般而言，整体刀具刚度好，但结构笨重，装卸困难：而机夹刀具拆卸灵活，动刚度也可满足加工要度。机夹刀具的刀片材质选择及夹持结构对加工精度很重要，实际加工中发现，偏心销夹紧和勾头压紧式不适合重型粗加工，因为粗加工时工艺系统振动大，常使压紧机构松动，导致刀片损坏：上压式结构也常因阻碍了切屑的流出而造成压块的损坏。机夹刀具的制造精度要求也很高，因为即使微小的误差，也能使定位机构变成承力机构，由于重型切削的加工过程中切削力很大，易使刀具损坏。经实际加工验证，图1所示结构的刀具更适于重型车削的粗加工。
1.刀夹 2.垫板 3.挡铁 4.附加卷屑器 5.螺栓 6.刀片
图1 用机械法固定硬质合金刀片的车刀
这种新型硬质合金机夹车刀，装有可调整的附加卷屑器，使切屑卷成螺旋线型滑出。图1中，附加卷屑器4同时又是刀片6的夹持器，使刀片紧固在刀夹1中。切削时，切屑碰到卷屑器的工作部分就卷起来，此部分焊一个厚3～5mm的硬质合金片。附加卷屑器的前端压住硬质合金刀片，而后端则压住挡铁3。挡铁3下部及垫板2上部有锯齿纹，刀片磨损后，借此结构可将刀片伸出。垫板，用合金及淬火工具钢制成，用以保护硬质合金刀片不受折损。
该新型机夹车刀采用长方形刀片，磨刀时，刀片夹在专用刀杆内，磨出的刀具角度用样板检查。硬质合金刀片的刃磨角度为，前角g=10°，后角a=8°，主偏角kr=55°或45°， 副偏角kr1'=15°。为使刀杆可以重复使用，用45#钢锻造制成，热处理硬度为HRC45～48。用该车刀的重型车削经验表明：切屑在高速切削时卷成螺旋线型是最好的形状(切削断面很大)，切屑在切削刃附近就即行折断。若重型车床运转平稳，则硬质合金刀片切削刃不致破碎，生产效率就大大提高。
经过使用比较，该型车刀与采用整体硬质合金刀片焊接的车刀使用寿命相同。但与生产中其它类型的硬质合金车刀比较，在大多数的情况下，该型重型车刀更耐用，可切削切屑的剖面更大。经验证明，在任何条件下，切屑卷出条件均好，切屑以长螺旋型或短螺旋型卷出。当切削深度与进刀量之比不大于3～4时，切屑碰在刀杆后即变成细碎块掉落。
这种带有卷屑装置的新型硬质合金机夹车刀，在车床上及立式车床上切削钢件时使用。剖面为40mm×60mm及40mm×40mm的车刀，若切削余量均匀，其最大的切屑剖面在宽30mm的刀片上为20mm2，在宽25mm的刀片上为15mm2。当切削余量不均匀的硬皮时，切屑剖面要缩小30%～40%，当加工过程冲击很大时，不宜采用这种结构的重型车刀。
刃磨该类硬质合金刀片时应注意，把硬质合金刀片放在刀杆槽内，用螺栓和卷屑器的垫板固定住。刀片从刀杆内伸出长度不要超过1～1.5mm。垫板要安置在刀片的前面，安放时，要使切屑能够成螺旋状卷出。从刀片中部测出的距离或伸出量依据切屑剖面的大小而定。伸出量的尺寸，不应小于表1中所列值，否则切屑将猛烈击打卷屑器，会造成车刀的切削部分破裂，甚至把刀杆打断。当切削时，要及时更换磨钝的或破裂的刀片。更换刀片必须把切屑渣从刀杆上清理净。表1 从硬质合金刀片的切削刃到垫板的距离(伸出量)mm
切削深度
mm | 进刀量 (mm/r) | | <0.5 | <0.8 | <1.2 | | <6 | 5～7 | 8～10 | 12～14 | | <10 | 7～8 | 9～11 | 13～15 | | <15 | - | 11～13 | 15～16 |
该型刀具结构优点在于：刀块与刀体间有误差时，可以进行修磨，从而保证装配精度；压紧螺栓位于后刀面上，不容易被切屑损坏。 板式刀架比较适合重型切削，因为它极大地增加了刀片受力方向的刚度，在增加切削用量后，也不致产生大振动，有利于生产效率和加工质量的提高。
4 切削用量的选择
重型车削粗加工阶段的切削深度可达到单边50mm，相应的切削速度为10m/min 左右，进给量1.5mm/r。因为粗加工阶段以去除余量为主要加工目的，因此按照机械加工中切削余量的确定原则，为提高切削效率，应加大切削深度。重型切削时由于切削深度大，所以切削力大，相应的选择较低的切削速度，一般为10～15m/min，进给量为1～2mm/r。采用这样的切削用量，工件的表面粗糙度比较差，只能达到Ra12.5～Ra6.3，可以通过滚压的方法提高粗糙度值，以满足后序加工的要求。
5 结束语
重型车削与普通车削相比，其实际加工同理论计算区别很大。目前，重型车削的很多工艺及刀具资料都是以普通机械加工为依据，这并不完全适用，因此需要做更深入的探讨。
河北师范大学职技学院 吴立勋 燕山大学 马军(end)
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(12/1/2007) |
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