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?shù)刃袠I(yè)極為重要的核心部件。隨著國家經(jīng)濟的發(fā)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(xiàn)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(zhì)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(tài)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(chǎn)現(xiàn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)與特點。重載車刀的結(jié)構(gòu)形式以機夾式、可轉(zhuǎn)位式和模塊式硬質(zhì)合金刀具為主，其結(jié)構(gòu)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(guān)鍵的因素。

重載車刀的結(jié)構(gòu)特點

加工鋼料時，鎢鈷類（YG）硬質(zhì)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(zhì)合金。鎢鈷鈦類（YT）硬質(zhì)合金有高硬度、耐磨性、高耐熱性、抗粘結(jié)

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(wěn)會造成YT類合金的韌性差，產(chǎn)生崩刃，尤其是加工一些高強度合金材料時，YT類硬質(zhì)合金耐用度下降快，無法滿足使用要求。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(chǎn)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(huán)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?shù)牡毒呓嵌取Ｓ糜谥剌d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(jù)實際加工情況進行調(diào)整。

精加工階段以保證產(chǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)合金可調(diào)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(jù)重載機床加工的特點與要求，重載車刀刀片的尺寸規(guī)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(zhì)合金刀片毛坯》中，規(guī)定了重載刀具用硬質(zhì)合金刀片毛坯的產(chǎn)品分類、技術(shù)要求、檢驗規(guī)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(jié)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(xiàn)出優(yōu)異的切削性能，切削阻力小，刀片抗粘接性較好，切削平穩(wěn)，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(xiàn)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(guī)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(guī)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(shù)：vc=150m/min，f=1.2mm/r，ap=10mm；工件材質(zhì)：AISI 1045。

圖3　束魔車刀重載系列加工

圖4　束魔車刀

（3）加工環(huán)槽重載車削案例（見圖5）。在發(fā)電行業(yè)，蒸汽輪機轉(zhuǎn)子是由合金鋼制成的整體轉(zhuǎn)子，而燃氣輪機轉(zhuǎn)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(zhàn)。采用山高公司設(shè)計的非標重載車槽刀在粗車環(huán)槽時，可以安全的發(fā)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(shù)：vc=90m/min，f=1mm/r，ap=50mm。

圖5　轉(zhuǎn)子及非標重載車槽刀

3. 結(jié)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(fā)生磨損現(xiàn)象，并且刀具承受的切削力是時刻變化的，機械沖擊的動態(tài)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(xiàn)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(fā)展至關(guān)重要。目前，重載車削刀具基體多采用硬質(zhì)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(shù)及根據(jù)大型零部件結(jié)構(gòu)合理設(shè)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及刀片表面強化技術(shù)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(zhì)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(shù)的發(fā)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(yè)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(yè)出版社，2005.

[5] 鄧建新，趙軍. 數(shù)控刀具材料選用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社.2005.

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

收稿日期：（20150113）