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)代切削加工實際情況，設(shè)計新型可調(diào)刀瘤切削重型車削刀具時，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干式切削與綠色切削的新技術(shù)要求的實現(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，使加工的動態(tài)不平衡過程要消耗很多的機(jī)動時間和輔助時間。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)計具有自身的顯著特點。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、刀具涂層等多個方面綜合的整體性能應(yīng)服務(wù)于整個系統(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，k類硬質(zhì)合金重型車削時工件塑性變形大，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，YT類合金的韌性較差，會產(chǎn)生崩刃，尤其是加工一些高強(qiáng)度合金材料時，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，因為它的另一個優(yōu)點是刃口鋒利，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，刀片的精度等級應(yīng)為A級或F級。為便于調(diào)整前后角的需要，后角相對刃口初始前角應(yīng)在15°、20°、25°（代號為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：

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，從而能在較長的時間內(nèi)保持刀尖的堅硬和鋒利。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，切屑又寬又厚發(fā)紫，動力消耗既大，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際工作前角大 （由積屑瘤形成的實際前腳可在50°左右），動力消耗減少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)及時解決。

針對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，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，否則會造成車刀的切削部分破裂，也要及時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，要及時修正以保證裝配精度。壓緊螺栓位于壓板上方，為浮動壓境裝置，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，否則會產(chǎn)生較大振動，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，也能在承受較大切削力時有過載脫落裝置，因而方形加持套與刀桿應(yīng)通過計算采用熱裝結(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：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)性能的動態(tài)動、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，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：

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)動功率，并通過減小切削力，降低切削溫度來滿足干切削時對刀具的要求。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，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，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。