重載車削刀具選用

■哈爾濱理工大學 （黑龍江 150080） 陳天啟 岳彩旭 翟元盛 馮新敏 劉獻禮

重載車削刀具選用

■哈爾濱理工大學 （黑龍江 150080） 陳天啟 岳彩旭 翟元盛 馮新敏 劉獻禮

摘要：大型零部件是清潔能源(如核電、水電)、石油化工以及交通運輸等行業極為重要的核心部件。隨著國家經濟的發展，對大型零部件的需求與日俱增。但對這些大型零部件的制造能力體現著一個國家的制造水平，而重載車削相比于其他制造手段，具有加工效率高、表面質量好等特點，成為加工大型零部件加工的主要方式。故本文從重載車削加工特點、重載刀具的選用及典型特征的加工案例等幾個方面進行探討。

1. 重載車削

重載車削也叫重型車削，是指切削速度vc≥38m/min，背吃刀量ap≥10mm ，進給量f≥0.8mm/r的車削加工。目前，在我國由于工藝能力的局限，重載車削特別是毛坯的粗加工，加工余量大而且不均勻，毛坯的表面狀態比較復雜，有大裂紋、硬化皮、夾砂、氣孔及補焊點等諸多缺陷狀況，這樣，在實際生產現場重載車刀的一般背吃刀量為ap≥25mm，進給量f≥1.0mm/r，切削速度vc≥40～60m/min以上。

在重載車削下的工件一般尺寸很大，重量很重（有的可達上百噸），因此重載車削加工用臥式車床的回轉直徑可達到6m，立式車床更可達到10m。與普通切削加工相比，由于重載切削加工具有背吃刀量大、切削速度低及進給速度慢等特點，因此其加工工藝與普通的機械加工工藝有很大不同。

（1）刀具結構與特點。重載車刀的結構形式以機夾式、可轉位式和模塊式硬質合金刀具為主，其結構特點如附表所示。

（2）刀具的選擇。重載車削加工時，切削刃工作部分通常可達到40～50mm。選擇刀具時，除了要選擇較高強度、韌性的刀桿外，一般重點考慮以下幾個方面：

刀片材料的選擇。由于重載車削的特殊性，因此刀片材料的選擇要具有強度高、耐磨損、抗沖擊及韌性較好等特點，同時刀片的厚度也是比較關鍵的因素。

重載車刀的結構特點

加工鋼料時，鎢鈷類（YG）硬質合金的強度和韌性好，但高溫硬度和高溫韌性較差，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YG類硬質合金。鎢鈷鈦類（YT）硬質合金有高硬度、耐磨性、高耐熱性、抗粘結

擴散能力和抗氧化能力，是重載車削常用的刀具材料，適于加工鋼料。然而在低速車削時，切削過程不平穩會造成YT類合金的韌性差，產生崩刃，尤其是加工一些高強度合金材料時，YT類硬質合金耐用度下降快，無法滿足使用要求。這時應選用YW類刀具或細晶粒、超細晶粒合金刀具。細晶粒合金的耐磨性好，更適用于加工冷硬鑄鐵類產品，效率較YW類刀具可提高1倍以上。

刀片幾何角度的選擇。由于在重載機械粗加工階段，刀具的工作環境比較惡劣，比如材料鍛造后的氧化皮、裂紋、鏟坑、鑄造后的夾雜及氣孔等缺陷，都易導致刀具的損壞，因此應選擇適當的刀具角度。用于重載車削的粗加工刀具一般采用0°～-5°前角，10°～15°后角，采用負的刃傾角，以增大工作前角和楔角，提高切削刃的鋒利性和刀尖的強度。同時，在主切削刃上開有1mm左右寬的負倒棱、R=2mm左右的刀尖圓角，以提高切削刃的抗沖擊性能。當然，這些角度還要根據實際加工情況進行調整。

精加工階段以保證產品精度為主要目標。刀具的鋒利對切除微小的余量極為重要。這時選用的刀具角度一般為：前角10°，后角15°，刃傾角10°；當用平刃刀片精光時，前角達25°～30°，后角15°，刃傾角20°，屬斜角切削。切削刃在刃磨后，應該用金剛石砂條或細目油石條進行研磨，去除微小毛刺及微裂，增強切削刃的鋒銳性和強度，并用刀尺進行透光檢查，保證切削刃的平直度。

切削用量的選擇。重載切削粗加工階段的背吃刀量可以達到單邊ap=40～50mm，相應的切削速度為vc=10m/min左右，進給量f=1.5mm/r。采用這樣的切削用量，工件的表面質量比較差，只能達到Ra=12.5～6.3μm。因為粗加工階段以去除余量為主要加工目的，按照機械加工中切削余量的確定原則，為提高切削效率，應適當加大背吃刀量。

刀片結構及裝夾方式的選擇。一般情況下，重載車削的刀片的夾緊為立裝式，以提高刀片的強度要求。另外，刀片的斷屑方面也是比較重要的方面。重載車削的切屑厚而寬，斷屑不好會直接損傷切削刃及刀桿，引起切削振動，纏繞刀頭難以清理。一種好的斷屑槽型結構或者裝夾方式，會直接解決斷屑方面的困擾。例如：采用上壓式刀片夾緊方式往往采用鑲嵌硬質合金可調壓板，起到斷屑、壓板雙重作用；選用合理刀片斷屑槽型，也能減少切屑纏繞的可能性。

（3）重載車刀刀片。根據重載機床加工的特點與要求，重載車刀刀片的尺寸規定為：正方形刀片的最小邊長為19mm；三角形刀片的最小邊長為19mm；五邊形刀片的最小邊長為13mm；菱形刀片的最小邊長為16mm。

YS/T553-2006《重型刀具用硬質合金刀片毛坯》中，規定了重載刀具用硬質合金刀片毛坯的產品分類、技術要求、檢驗規則與試驗方法以及標志、包裝、運輸和儲存。

圖1　株洲鉆石重載車刀加工實例

2. 重載車削加工刀具選擇典型案例

（1）大型軸類零件、船用曲軸及大型筒節類零件等的重型車削加工（見圖1）。使用株洲鉆石型號為PLRNR5050T25的重型車刀（見圖2）在加工上述毛坯零件時表現出優異的切削性能，切削阻力小，刀片抗粘接性較好，切削平穩，卷屑順暢；在加工毛坯表面有鍛裂紋、變切深等較大沖擊場合也表現出良好的抗沖擊性能；由于切削溫度不高，刀片的

耐磨性較好，相比較常規車刀，切削效率和刀片耐用度都有較大提高。

圖2　株洲鉆石重載車刀

（2）大切深、大進給，加工粗糙而不規則的待加工表面的重載車削案例（見圖3）。刀具型號：PCLNL 4040S-25（見圖4）；刀片型號：CNMM 250924-H5P；切削參數：vc=150m/min，f=1.2mm/r，ap=10mm；工件材質：AISI 1045。

圖3　束魔車刀重載系列加工

圖4　束魔車刀

（3）加工環槽重載車削案例（見圖5）。在發電行業，蒸汽輪機轉子是由合金鋼制成的整體轉子，而燃氣輪機轉子則是由合金鋼輪盤與高溫合金輪盤組裝而成。不論哪種情況，制造單位都面臨著加工和重載切削方面的挑戰。采用山高公司設計的非標重載車槽刀在粗車環槽時，可以安全的發揮刀具和機床最佳性能。

零件材料：X38NiCrMo4。加工工序：重載割槽；冷卻方式：無；夾具：專用；刀片：NI-LN40-11770，S25M。切削參數：vc=90m/min，f=1mm/r，ap=50mm。

圖5　轉子及非標重載車槽刀

3. 結語

由于重載車削的切削量大，刀具與工件材料接觸面積增大，使得在切削過程中刀具易發生磨損現象，并且刀具承受的切削力是時刻變化的，機械沖擊的動態變化量很大。在時有時無、驟變不定的機械沖擊載荷作用下，刀具更容易出現疲勞折斷，這些因素極大的制約著重載車削的加工性能，而刀具的研究對于重載車削的發展至關重要。目前，重載車削刀具基體多采用硬質合金材料，其具有良好的高溫性能、高溫韌性和抗熱力沖擊性強等特點，此外應用新型涂層技術及根據大型零部件結構合理設計刀具槽型等方式綜合提高了刀具的加工性能。隨著重載車削加工機理的深入研究，刀具材料、結構的優化設計及刀片表面強化技術等的深入研究，用于加工大型零部件的重載車削刀具的選用將更加合理，也將對高端重型裝備的高精度、高質量及高效率的制造提供有力的支持。

參考文獻：

[1] 宋天虎. 先進制造技術的發展與未來[J].中國機械工程，1998(4): 5-38.

[2] 王永國. 金屬加工刀具及其應用[M]. 北京：機械工業出版社，2011.

[3] 陳宏鈞. 實用機械加工工藝手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2005.

[5] 鄧建新，趙軍. 數控刀具材料選用手冊[M].北京：機械工業出版社.2005.

[6] 袁哲俊，劉華明. 金屬切削刀具設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2008.

收稿日期：（20150113）