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重型车床刀具及切削用量的选择 |
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作者：燕山大学 王志勇 |
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1.引言
重型机械加工行业的特点是被加工件的尺寸很大，重量很重(有的可达上百吨)，因此重型加工用卧式车床的回转直径可达到6米，立式车床更可达到10余米。与普通切削加工相比，由于重型切削加工具有切削深度大、切削速度低、进给速度慢等特点，因此其加工工艺与普通的机械切削加工工艺有很大不同，这些工艺问题包括刀具的选择、刀具的安装、切削用量的选择以及工件的装夹等各个方面。本文对重型车床切削加工不同加工阶段的特点分别作如下论述。
2.刀具的选择
机械加工中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。由于重型切削的特点(切削深度大，余量不均，表面有硬化层)，刀具在粗加工阶段的磨损形式主要是磨粒磨损。由于切削温度高，尽管切削速度处于积屑瘤发生区，但高温可以使切屑与前刀面的接触部位处于液态，减小了摩擦力，抑制了积屑瘤的生成，所以刀具材料的选择应要求耐磨损、抗冲击，刀具涂层后硬度可达80HRC，具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。硬质合金涂层具有较低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可以大大提高刀具耐用度(涂层硬质合金刀片的耐用度至少可提高1倍)等优点，但由于涂层刀片的锋利性、韧性、抗剥落和抗崩刃性能均不及未涂层刀片，故不适用高硬度材料和重载切削的粗加工。陶瓷类刀具硬度高，但抗弯强度低，冲击韧性差，不适用于余量不均的重型切削，CBN刀具同样也存在这个问题。综合以上分析，只有硬质合金刀具适合于重型切削的粗加工。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，由于金属塑性变形大，摩擦剧烈，切削温度高，YG类硬质合金虽然强度和韧性较好，但高温硬度和高温韧性较差，因此在重型切削中很少应用。与之相比，YT类硬质合金刀具适于加工钢料，由于YT类合金具有较高的硬度和耐磨性，尤其是具有高的耐热性，抗粘结扩散能力和抗氧化能力也很好，在加工钢料时刀具磨损较小，刀具耐用度较高，因此YT类硬质合金是重型加工时较常用的刀具材料。然而在低速切削钢料时，由于切削过程不太平稳，YT类合金的韧性较差，容易产生崩刃，而且在加工一些高强度合金材料时，它的耐用度下降很快，无法满足使用要求。如电站用机械产品工作于高温、高压、高转速的环境中，对材料(如26Cr2Ni4MoV、Mn18Cr18)机械性能的要求非常高；而一些高硬度轧辊，表面硬度在淬火后可达Hs90，YT类刀具在加工此类产品时就无法胜任，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类刀具可提高一倍以上。
精加工阶段同样要求刀具耐磨损，但是精加工阶段的磨损形式是以粘蚀磨损为主，这时的切削速度虽然有了很大提高(可达到40m/r)，但由于工件材质等原因，仍然会产生积屑瘤，当积屑瘤增长到一定高度时会从刀具上剥离，将接触部位的刀具材料带走一部分，形成刀具的磨损。同时，剥离的积屑瘤会扎进工件表面，形成硬点，降低加工表面质量。因此，如果精加工时仍然采用普通硬质合金刀具，则刀具磨损非常快，换刀次数增多，不仅影响加工效率，也易在工件表面形成接刀痕迹，影响外观质量。解决这个问题的办法就是改变刀具材料。在实际加工中发现涂层刀具比较适合重型切削的精加工，刀具的涂层减小了切屑与刀面间的摩擦，减少了积屑瘤的发生，降低了刀具的磨损，延长了刀具的寿命。实际加工中，我们采用瓦尔特公司的涂层硬质合金刀片，在加工45Cr4NiMoV支撑辊时，刀具耐用度提高了一倍；但使用陶瓷刀具未达到预期效果，当切削速度达到100m/min时，刀片的磨损显著加快，这是因为陶瓷刀具与金属材料之间由于亲和作用加剧了刀具的磨损。高速钢刀具在精加工阶段得到了广泛的应用，由于高速钢刀具的锋锐性较好，经常用于精加工阶段的光整工序以去除微小余量，目前来看，其它刀具还无法完全取代高速钢刀具的作用。
3.刀具角度的选择
由于在重型机械粗加工阶段刀具的工作环境比较恶劣，比如材料锻造后的氧化皮、裂纹、铲坑、铸造后的夹杂、气孔等缺陷，都易导致刀具的损坏，因此应选择适当的刀具角度。用于重型切削的刀具一般采用0°～－5°前角，10°～15°后角，采用负的刃倾角，以增大工作前角和楔角，提高刀刃的锋利性和刀尖的强度。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。当然，这些角度还要根据实际加工情况进行调整。
精加工阶段以保证产品精度为主要目标。刀具的锋利对切除微小的余量极为重要。这时选用的刀具角度一般为：前角10°，后角15°，刃倾角10°；当用平刃刀片精光时，前角达25°～30°，后角15°，刃倾角20°，属斜角切削。刀刃在刃磨后，应该用金刚石砂条或细目油石条进行研磨，去除微小毛刺及微裂，增强刀刃的锋锐性和强度，并用刀尺进行透光检查，保证刀刃的平直度。
4.刀具结构的选择
根据粗加工加工余量大、切削余量大的特点，用于粗加工的刀具应该具有很好的刚性。一般来讲，整体刀具的刚性较好，但重型刀具的结构笨重，装卸比较困难，所以发展方向应该是机夹刀具。机夹刀具的刀片夹持结构及加工精度对于刀具的选择很重要，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，这是因为粗加工时的系统振动较大，常使压紧机构松动，导致刀片损坏。而上压式结构常因阻碍了切屑的流出造成压块的损坏。对机夹刀具的制造精度要求也很高，因为即使微小的误差，也会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巨大，就会造成刀具的损坏。经实际加工验证，图1所示结构的刀具比较适于重型机械加工的粗加工，其优点在于：当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，可以使得在增加切削用量后，不会产生振动，有利于生产效率和加工质量的提高。
图1 机夹重型车刀
5.刀具的安装
图2 刀具反安装计算简图
机械加工中刀具的安装方式对于加工很重要。通常以正夹为主，但计算结果表明，反夹的刚度更好，如图2 所示，根据刀具反安装时的计算式
 (1)
将式(1)积分后，代入固定端点的转角、挠度均为零的边界条件，将刀尖x=a代入式(1)得挠度方程为.同理，在刀具正安装时，由于走刀抗力影响较小，故计算变形时只考虑主切削力，则有刀尖C点挠度为 (3)
由式(2)和式(3)得到刀具反安装和刀具正安装
时的刀尖挠度值之差： (4)
显然yc正的绝对值>yc反的绝对值) ，即反安装车刀的刚度优于正安装车刀的刚度。此外，反向加工时，机床受力方向是刚度最大的方向，而刀具受力方向是刚度较小的方向，因此可以减小加工中的振动。另一方面，由于实际加工中机床都是按正夹设计的刀台，所以除非采用特殊设计的刀体，否则刀具安装后将高于中心，造成刀具的工作后角减小，加据后刀面磨损。图3所示为一种反向装夹切断刀。
图3 弯头反切断刀
6.切削用量的选择
重型切削粗加工阶段的切削深度可以达到单边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。
重型机械加工的产品尺寸较大，所以很多产品的精加工只能在重型车床上进行。精加工时切削速度较高，一般可达40～50m/min。如果机床及刀具性能允许，应尽可能提高切削速度，相应的可以采用较小的进给量，以利于表面质量的提高(一般可取0.1～0.2mm/r)。如果刀片有修光刃，则可根据修光刃的宽度，适当加大进给量。当采用光刀精光外圆表面时，进给量可以达到每转几十毫米，这时切削速度降为3m/min左右，并采用煤油进行润滑。精加工时，加工余量较小，从而切削深度也较小，对于形状精度较高的表面，应分多次去除余量，这样可以有效消除残留的形状误差，这一点对于易变形的工件尤其重要。
7.结语
重型切削同普通切削相比，其实际加工同理论计算均有很大的区别。目前，重型切削的很多工艺及刀具资料都是以普通机械加工为依据，并不完全适用于重型机械加工，因此需要进一步专门深入研究。(end)
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(12/25/2004) |
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