淺析新型可調(diào)重型切削車刀的加工與工具系統(tǒng)

甘肅火電工程公司 范亞炯

淺析新型可調(diào)重型切削車刀的加工與工具系統(tǒng)

On machining w ith new ad justable SWC heavy duty turning tool and tooling system

甘肅火電工程公司 范亞炯

新型可調(diào)刀瘤切削 （SWC） 重型車削加工不僅是為了提高加工重型零件的生產(chǎn)率及設(shè)備利用率，還要求降低能耗并進(jìn)行干切削。結(jié)合我國現(xiàn)代切削加工實(shí)際情況，設(shè)計(jì)新型可調(diào)刀瘤切削重型車削刀具時(shí)，應(yīng)綜合考慮刀具材料、刀具涂層和刀具幾何形狀之間的相互兼顧的優(yōu)化關(guān)系，與解決不同切削條件下精粗加工工藝的集成以及對(duì)干式切削與綠色切削的新技術(shù)要求的實(shí)現(xiàn)程度問題，其相關(guān)技術(shù)和管理手段應(yīng)服務(wù)并能優(yōu)化整個(gè)加工過程的高效要求。因而，新型可調(diào)刀瘤切削重型切削車刀工具系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)的推廣與應(yīng)用對(duì)提高重車削效益有其重要的意義。

重型車削， 加工系統(tǒng)，刀瘤切削， 可調(diào)工具系統(tǒng)

重型車削是指切削速度vc≥38m/min,背吃刀量αp≥10mm，進(jìn)給量f≥0.8mm/r的車削加工，在我國由于工藝條件所限，生產(chǎn)現(xiàn)場的重型車刀一般背吃刀量αP=25mm，進(jìn)給量f≥1.0mm/r,切削速度vc≥ (40-60)m/min，與普通加工相比，切削深度大、切削速度低、進(jìn)給速度慢。加之切削過程中工件平衡較差、加工余量分布不均勻、機(jī)床的某些部件不平衡等因素引起的振動(dòng)，使加工的動(dòng)態(tài)不平衡過程要消耗很多的機(jī)動(dòng)時(shí)間和輔助時(shí)間。與普通車刀相比較，重型加工切削用量較大、工作條件與刀具加固方式也有很大不同，刀具的設(shè)計(jì)具有自身的顯著特點(diǎn)。所以，刀瘤切削重型車削加工不能僅表現(xiàn)在一道工序或一臺(tái)設(shè)備上，應(yīng)服務(wù)于整條生產(chǎn)線效益的提高，包括刀具結(jié)構(gòu)、幾何形狀、刀體材料、切削刃材料、刀具涂層等多個(gè)方面綜合的整體性能應(yīng)服務(wù)于整個(gè)系統(tǒng)，刀瘤切削重型車削加工技術(shù)與便于操作與管理的工具系統(tǒng)的應(yīng)用工程問題必須及時(shí)解決。

1.刀瘤切削重型加工刀具材料與刃口幾何參數(shù)優(yōu)化選擇的系統(tǒng)性

1.1 重型車削的刀瘤切削機(jī)理

重型切削深度一般可達(dá)30～50mm，且余量不均，工件表面的硬化層使粗加工階段的刀具磨損以磨粒磨損為主。切削速度一般為15～20m/min，刃口處于積屑瘤發(fā)生的區(qū)與時(shí)段，因而在充分發(fā)揮刀具先進(jìn)材質(zhì)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,改善與優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)和幾何形狀，能有效利用積屑瘤生成與消除規(guī)律進(jìn)行刀瘤切削，也能從增大切削層厚度和進(jìn)刀量入手，充分利用修光刃進(jìn)行大進(jìn)給的 “Wiper”技術(shù) （即用一個(gè)短的直線或短的大半徑圓弧來聯(lián)結(jié)刀尖圓角和副切削刃，從而能降低已加工表面的粗糙度的技術(shù)），提高加工表面的光潔度，達(dá)到降低切削力、減小摩擦力，進(jìn)行干式與綠色切削的高效加工目的。

1.2 刀瘤切削重型車削刀具的高效材料特性與結(jié)構(gòu)變化的系統(tǒng)性

刀瘤切削重型刀具刀片材質(zhì)與型號(hào)的選用要符合加工系統(tǒng)條件的高效要求，否則就產(chǎn)生負(fù)面影響。因而，必須考慮刀具材料的耐磨損、抗沖擊性能。彎強(qiáng)度低，沖擊韌性差的陶瓷類刀具，不適應(yīng)余量不均的重型車削，CBN也存在同樣的問題。硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)較低，刀具高溫耐用度強(qiáng)，適于高硬度材料和重載車削粗加工，但要有具體的工藝措施。例如：

在加工鋼料時(shí)，k類硬質(zhì)合金重型車削時(shí)工件塑性變形大，摩擦劇烈，切削溫度高，因此在重型車削中很少用，如采用熱管式刀具，刃口有效持續(xù)冷卻，適應(yīng)性將會(huì)加強(qiáng)。P類硬質(zhì)合金有高硬度、高耐磨性以及高耐熱、抗粘結(jié)擴(kuò)散能力和抗氧化的性能，是重型車削常用的刀具材料，適于加工鋼料。但在低速車削且切削過程不平穩(wěn)時(shí)，YT類合金的韌性較差，會(huì)產(chǎn)生崩刃，尤其是加工一些高強(qiáng)度合金材料時(shí)，YT類硬質(zhì)合金耐用度下降快，無法滿足使用要求。為進(jìn)一步提高加工效益，刀具材料的應(yīng)選用M類刀具或細(xì)晶粒、超細(xì)晶粒合金刀具 (如643等)。與P類硬質(zhì)合金相比，其在重磨前壽命的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過重磨后的壽命損失，因?yàn)樗牧硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是刃口鋒利，即在加工條件惡劣的場合也可替代高速刀具，應(yīng)用范圍比較廣泛。加之細(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1倍以上。一般以上加工條件不能充分具備，所以重切削刀具結(jié)構(gòu)必須考慮并適應(yīng)因加工條件不足或變更，調(diào)換不同類型刀具材質(zhì),也即適應(yīng)調(diào)換同類與不同類刀片和調(diào)整刃口幾何參數(shù)的需要，刀具結(jié)構(gòu)的相應(yīng)變化應(yīng)利于操作與管理的具體要求。

1.3 刀瘤切削重型車削刀具可轉(zhuǎn)位刀片尺寸的高效特點(diǎn)與調(diào)換的系統(tǒng)性能

重型車加工可轉(zhuǎn)位刀片尺寸的具體要求為：正方形刀片的最小邊長為19mm；三角形刀片的最小邊長為19mm；五邊形刀以提高生產(chǎn)率來說是一種經(jīng)濟(jì)的方法，刀片的最小邊長為13mm；菱形要考慮刀片的最小邊長為16mm。其刀片毛胚主要幾何參數(shù)允差與平面度偏差應(yīng)符合YS/T553—2006相關(guān)規(guī)定。為提高可調(diào)刀具工具系統(tǒng)高效管理與使用的簡便可靠與標(biāo)準(zhǔn)化以及工藝過程集成的質(zhì)量水平，刀片的精度等級(jí)應(yīng)為A級(jí)或F級(jí)。為便于調(diào)整前后角的需要，后角相對(duì)刃口初始前角應(yīng)在15°、20°、25°（代號(hào)為D、E、F）之間選取，從而具有 （7-15）°左右的調(diào)整量。如主偏角調(diào)整變化的幅度較大，刀片形狀應(yīng)應(yīng)在S、C、M型號(hào)之間選擇。因而，為調(diào)換刀片的需要，刀具切削部分應(yīng)在刃口背吃刀量的矢量線上留有調(diào)整刀片退量的尺寸?；诰G色切削的基本要求，刀槽主偏角應(yīng)在45°～60°變化，這樣刃口主偏角的變化，在不增大進(jìn)給量的情況下，能增大切削厚度減小切削力，還能不同程度儲(chǔ)存一部分機(jī)床功率以提高生產(chǎn)率。

刀片刃口幾何參數(shù)的變化應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

前角γo=15～30°、 后角αo=5-8°、 主偏角kr=45～75°、 刃傾角λs=3～6°、 過渡刃主偏角krε=30～15°、 副偏角k'r=15～30°、修光刃偏角kr1=0°、修光刃刃傾角λS1=0-10°、主切削刃負(fù)倒棱寬度必須小于切削厚度ap(=f·sinkr)、 bγ1=(3/4-1/2)f， 刀尖圓角半徑γε=0.3～1.0mm，修光刃長度為背吃刀量的1.5倍，刃傾角為+15°，起到刮削作用，刃口棱面負(fù)前角γ1=-30°由倒棱獲得，效率將有所提高。刀槽初相角參數(shù)κcγ=60°∪45°、 αco= （25°∪20°∪ 15°）、 λcs=6°、 副偏角kco=-30°。刀片角度為γpo=15°∪20°∪25°αpr=20°∪15°、 刃傾角λps=-0°。在kr<90°的情況下， 主、 副刃傾角均由前角調(diào)整15°左右獲得。這樣結(jié)合刀片的調(diào)換性能，能使刃口刀具幾何參數(shù)與切削用量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

1.4 涂層

為使刀具具有高可靠性，刀具涂層是不可缺少的，由于刀具涂層有類似于冷卻液的功能，能產(chǎn)生一層保護(hù)層，把刀具與切削熱隔離開來，使熱量很少傳到刀具，從而能在較長的時(shí)間內(nèi)保持刀尖的堅(jiān)硬和鋒利。而表面光滑的涂層還可以減少摩擦來降低切削熱，保持刀具材料不受化學(xué)反應(yīng)的作用。重切削刀瘤切削刀片應(yīng)選用TiAlN涂層和Mo2軟涂層的多涂層刀具刀片，以有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系數(shù)小、切屑易流出的替代冷卻液的功能。在干切削技術(shù)中，刀具涂層發(fā)揮著非常重要的作，用現(xiàn)已解決了涂層與基體材料結(jié)合強(qiáng)度低的技術(shù)難題應(yīng)盡快應(yīng)用于重車削的。

2．?dāng)嘈伎煽匦缘慕档团c可調(diào)斷屑寬度的刀片壓板技術(shù)

一般，不可調(diào)刀具由于結(jié)構(gòu)功能的缺陷，刃口前角參數(shù)的優(yōu)化不理想，因而在重型車床上用大切深、大進(jìn)給量車削鋼件進(jìn)時(shí)，切屑又寬又厚發(fā)紫，動(dòng)力消耗既大，形成的C形屑更容易損傷切削刃或飛濺傷人。而刀瘤切削重型車削刀具刃口實(shí)際工作前角大 （由積屑瘤形成的實(shí)際前腳可在50°左右），動(dòng)力消耗減少1/3左右,切屑顏色由白轉(zhuǎn)黃,且由于有過渡刃和負(fù)刃的作用，斷屑槽的槽底圓弧半徑加大 (寬度一般為10mm)，能使切屑向上卷曲，卷成螺旋線型發(fā)條狀切屑，并能在加工表面上碰撞折斷，或靠其自重墜落，可控性較強(qiáng)。不會(huì)使刀片切削刃不受沖擊而破碎，生產(chǎn)效率能較大幅度提高。但未能很好解決它的刃口角度的調(diào)整與重磨問題，工作與冷卻條件的變化以及檔屑機(jī)理的不完善，斷屑的可控性也會(huì)降低，因而可調(diào)斷屑寬度的刀片壓板技術(shù)問題應(yīng)及時(shí)解決。

針對(duì)重型加工車削工作條件的變化情況，刀片可調(diào)整斷屑寬度的壓板前部卷屑的工作部分焊有厚3～5mm的硬質(zhì)合金片。前端下部壓住硬質(zhì)合金刀片，而后端則與擋板球形內(nèi)弧面緊密配合，并靠壓板下部的有限往返直線運(yùn)動(dòng)調(diào)整位移量，以適應(yīng)調(diào)換內(nèi)接圓半徑在一定范圍變化的不同型號(hào)刀片與刀片重磨后調(diào)整夾緊的需要。上部壓板能在下部壓板的接觸面上能作有限往返運(yùn)動(dòng)，且能靠壓板螺栓有效緊固，強(qiáng)度較高。上部壓板調(diào)整量為正負(fù)1～2mm，能使切屑成螺旋狀卷出。斷屑寬度調(diào)整量應(yīng)依據(jù)切屑剖面的大小而定。不應(yīng)使切屑猛烈沖擊壓板前端，否則會(huì)造成車刀的切削部分破裂，也要及時(shí)更換磨鈍的或破裂的刀片，把切屑渣從壓板上清理凈。刀瘤切削在加工過程對(duì)檔屑器的沖擊不是很大，這種重型車刀的可調(diào)整斷屑寬度的多功能壓板結(jié)構(gòu)效應(yīng)較好。

該類可轉(zhuǎn)位刀片應(yīng)與刀墊、刀槽形成變界面組合梁，其伸出刀墊與刀槽前端邊沿的長度不應(yīng)超過2mm，以便于刀片的修磨與調(diào)整主偏角。刀片有單斜面與矩形截面兩種。刀墊與刀片接合面有裝配誤差時(shí)，要及時(shí)修正以保證裝配精度。壓緊螺栓位于壓板上方，為浮動(dòng)壓境裝置，不容易被切屑損壞。比較適合重型切削，要求各部件配合良好，接觸性能高，否則會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)，不利于生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量的提高。

3．刀具結(jié)構(gòu)與工具系統(tǒng)

刀瘤切削重型車加工系統(tǒng)，要求刀具結(jié)構(gòu)能在最小范圍內(nèi)適應(yīng)加工系統(tǒng)中相關(guān)的調(diào)整、調(diào)換與變化要求，所以不僅要求切削部分與加持部分的構(gòu)件的參數(shù)要在相近范圍內(nèi)有效變化，而求要求配合精度要符合刀具結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜剛度要求，因而不同類型刀槽參數(shù)要有相應(yīng)的初相角，刀頭切削部分不僅能做平面直線有限往返與圓弧的有限運(yùn)動(dòng)縱向，而且能做相應(yīng)刀片定位銷與刀片可調(diào)壓板以及圓弧球面可調(diào)壓板以及刀桿構(gòu)件配合精度與連接強(qiáng)度高的配合精度與結(jié)合強(qiáng)度要高，并具有良好的平衡性能，剛性優(yōu)異，不致發(fā)生異常振動(dòng)，也能在承受較大切削力時(shí)有過載脫落裝置，因而方形加持套與刀桿應(yīng)通過計(jì)算采用熱裝結(jié)構(gòu)。也可用國家發(fā)明專利車床類可調(diào)式刀具簡式工具系統(tǒng) （專利號(hào)：200810017571.0）所配合進(jìn)行組裝，技術(shù)要求、性能與效益均能達(dá)到重切削的相應(yīng)要求。材料可用用45#鋼或40CrMO鍛造、車削成型，熱處理硬度為HRC45～48，彈性變形量應(yīng)滿足刀具的結(jié)構(gòu)性能的動(dòng)態(tài)動(dòng)、靜剛度要求，才能作為機(jī)床功能的補(bǔ)充，滿足加工系統(tǒng)的高效需要。，

實(shí)踐證明采用重型可調(diào)式車刀簡式工具系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，初步實(shí)現(xiàn)了集約化與綠色化切削，有效提高工藝措施的經(jīng)濟(jì)性，從一般車床到最現(xiàn)代化的CNC車床都可適用，換刀時(shí)間只有一般車床刀具的1/20-1/10,且重復(fù)定位精度高，又有很好的加工尺寸穩(wěn)定性，是模塊式重型車刀技術(shù)的拓展，有較大發(fā)展前途。粗加工階段以去除余量為主要加工目的，應(yīng)加大切削深度，效率可提高5倍以上。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。

4．切削用量的選擇

在大型機(jī)床上 （切削功率P m在40kW以上），加工大型中碳鋼、鑄鋼、及鍛鋼工件時(shí)，建議選用切削用量：

V＝70m／min， f=1.25～1.5mm/r， αp=33mm，

在切削功率Pm=25KW的機(jī)床上，加工中型工件時(shí)：

V＝50m／min， f=3.15mm/r， αp=11mm;

將大型綜合車刀改造為S.W.C可調(diào)式刀具，可使加工的綜合效益提高到80%強(qiáng)。

5.結(jié)論

近年來，國外開發(fā)了許多大前角車削刀片 (如美國Carboloy公司推出的一種ME-13新型硬質(zhì)合金刀片上的前角達(dá)34°)和帶正前角的螺旋形刀刃銑削刀片(這種刀片沿切削刃幾乎有恒定不變的前角，背前角或側(cè)前角可由負(fù)變正或由小變大)，旨在減少機(jī)床的驅(qū)動(dòng)功率，并通過減小切削力，降低切削溫度來滿足干切削時(shí)對(duì)刀具的要求。但未形成可調(diào)的工具系統(tǒng)，通用優(yōu)化率不高，因而，由調(diào)整而綜合形成的工具系統(tǒng)帶來的S.W.C刀瘤切削切削加工效益就相對(duì)較高。面向加工系統(tǒng)與刃口幾何參數(shù)在相近范圍變化的具體特點(diǎn)，合理選擇系統(tǒng)刀具角度初相角，優(yōu)化構(gòu)件與機(jī)構(gòu)的調(diào)整性能，包括與CAPTO工具系統(tǒng)功能相似的刀具加持系統(tǒng)，并集成熱管式刀具的特點(diǎn)，既能有效進(jìn)行綠色干切削，又能形成便于操作與管理的系統(tǒng)功能，因而技術(shù)含量較高，與普通大進(jìn)給車刀相比較，可明顯看出其優(yōu)越性，值得進(jìn)一步研究探討并推廣運(yùn)用。