重型车床刀具及切削用量的选择

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3、作者: 刘志峰, 北京工业大学机电系 CAD 中心,100022 北京市收稿日期: 2003 年4 月重型车床刀具及切削用量的选择王志勇燕山大学摘? 要: 对重型车床切削中的刀具材料、 刀具角度、 切削用量的选择以及刀具安装等工艺问题进行了分析。结合生产实际, 分别提出了粗加工和精加工工艺方案, 对重型车削加工的实际生产具有借鉴作用。关键词: 重型车削, ? 切削用量, ? 机夹刀具Selection of Tool and Cutting Parameter in Heavy Lathe MachiningWang ZhiyongAbstract: The process problems

4、in heavy lathe machining , such as the selection of toolmaterials, tool angles, cutting pa?rameter, and the mount of tools are analyzed. The schemes of roughmachining and finishmachining are put forward combinedwithproductive practice and the feasible schemes are useful reference to other practices

5、of heavy lathe machining.Keywords:heavy lathe, cutting parameter,? ? ?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

6、? 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

7、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

8、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392003 年第 37卷? 10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,

9、 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

10、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

11、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

12、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,

13、 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,

14、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 EJ?= M= Pz( a- x )(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40工 具 技 术程为yc反=Pza2 3EJ(2)图 2? 刀具反安装计算简图? 同理, 在刀具正安装时, 由

15、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yc正=Pza2 3EJ( L+ a)(3)由式( 3) 和式( 2) 得到刀具反安装和刀具正安装时的刀尖挠度值之差:yc正-yc反? ? =-Pza2 3EJ(L+ a)-Pza2 3EJ=Pza2L 3EJ(4)显然| yc正| | yc反| , 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

16、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? ?5? 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