關于高速切削加工技術在地質機械工程中的應用

摘 要：高速切削加工過程屬于新型制造技術，是當前地質機械施工過程中的主要切削技術，擁有廣闊的應用前景。本文通過概述高速切削加工技術內容，圍繞應用要點等方面探究高速切削加工技術在地質機械工程中的應用情況，進而降低地質機械工程生產周期和成本，通過創新高速切削技術提升工程生產質量和效率。

關鍵詞：高速切削加工技術;地質機械;切削刀具

中圖分類號：TG506.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）07-0099-02

0引言

高速切削技術可以實現高精度、高質量的加工制造，創新數控系統和控制單元。同時，該技術切削力低，研發時間短，進而優化地質機械工程質量和效率，化解傳統機械切削工程中的問題。因此，有必要探究高速切削在地質機械工程施工中的應用，結合地質鉆探相關工作，進而提升材料切削效率，改善切削技術。

1高速切削加工技術概述

1.1高速切削技術分析

切削工作實際上是借助砂輪、刀具等設備針對材料多余部分和剩余區域進行削減和切除的過程。相較于常規切削工作，高速切削速度是其5倍至10倍，因此該模式不僅需要提升切削量，還應發揮高轉速、小切深、小步距、快進給等優勢[1]。此模式可以創新地質機械工程切削工作，對于不同地質材料完成科學切削，合理選擇刀具材料和速度，借助數控設備提升工程加工速度。

1.2高速切削技術優勢

其一，增加工作效率。高速切削技術是傳統技術的5倍至10倍，因此進給速度顯著提升，能夠增加單位時間內地質材料切除效率，降低工程加工時間和成本。同時，高速切削技術省略了傳統加工模式中的瑣碎過程，增加了加工效率。

其二，提升零件加工精密度。應用高速切削技術會減少30%的切削力，防止切削熱對工程工件的消極作用。同時，切削過程中工件上聚集的熱量較低，很難影響工程加工過程，避免工件變形情況。

其三，優化加工品質。高速切削技術中刀具高速旋轉會產生激勵頻率，可以與固有頻率分隔開，降低切削寬度、深度、力度，確保破壞層殘余的應力降低，完成低粗糙性、高精度的加工，減少加工表面粗糙度，優化加工品質。此外，該技術可以節約工程成本。高速切削技術步驟小、施工環節簡單，效率較高，無需利用手工研磨和粗加工等過程，降低零件加工時間，節省加工周期和成本。

其四，簡化工程流程。高速切削技術可以借助自身優勢節省切削液、材料、刀具、時間，進而最大程度地避免地質機械工程切削技術對于環境和自然資源的破壞和污染，提升工程質量和生產率，因此將高速切削技術應用于工業生產過程中發展前景廣闊。

2高速切削加工技術在地質機械工程中的應用研究

2.1應用要點

2.1.1高速切削技術應用原則

在應用高速切削技術時需要與機床相互輔助，確保機床在機械工程中發揮大功率、高轉速、剛性等優勢，與高速切削技術特點相契合，還能夠降低材料制造和加工階段出現的不必要振動情況，實現后續工作的正常開展，具體原則如下：

其一，機床主軸的高速運轉。主軸是高速切削機床的關鍵位置，對于功率系數和扭矩要求較高，經過高速運轉過程后能夠最大程度地發揮自身動態特性。高速主軸中包含電機一體化、主軸等部件，通過直接傳動方式降低傳動誤差，且承載性和剛度較強。例如，應用新式潤滑技術和陶瓷軸承，可以提升切削主軸轉速，增加進給速度。此外，高速主軸還包含磁懸浮軸承、動壓軸承、靜壓軸承，而陶瓷軸承成本較低，應用范圍較為廣泛[2]。

其二，增加進給加速度。進給系統中機床行程會停留幾十至幾百毫米，可以提升切削工作的有序性和穩定性，保持進給系統中的最優加速度，促進后續切削工作的順利進行。既可以優化切削機床結構，還能促進機床設計工作的發展和創新。此外，建議優化切削機床結構。切削技術對于機床的力學性能和剛度要求較高。

其三，優化刀—刀接口。由于高速切削工程對于刀具、刀柄的要求較高，既需要降低刀具的跳動率，還應延長其使用時間。因此，高速切削條件下需要契合刀-刀接口要求：首先，保證低跳動度。一般跳動度每增加0.01mm，會降低50%的刀具使用壽命。其次，保持較高夾緊力。若刀具在工作中處于松動狀態，容易使地質機械工程中其他工件和設備受到損壞，減少傳輸扭矩。最后，平衡刀柄。避免出現無關振動情況，進而對立軸和刀具的使用性能產生消極作用。例如，高速切削工作中一般會應用彈性卡頭替代鉆夾頭，其對稱性較強，或者借助刀-刀接口，凸顯工作定位和剛性優勢，在確保主軸正常轉速的基礎上，提升穩定性。

2.1.2高速切削技術中對于刀具的要求

在選擇刀具材料時，需要將耐磨度、高強度、經濟性納入考慮范圍，還應兼具耐熱性和抗沖擊優勢，可以在地質機械工程中展示優秀的力學性能。例如高速切削系統中一般會選擇直徑是6.35～19.1mm的端銑刀，原因是大直徑端銑刀無法保持切削平衡。在選擇刀具時還應關注主軸結果的轉速，刀具材料一般包含陶瓷、合金、聚晶金剛石PDC等類型。應用高速切削技術時需要提升刀具使用周期，進而增加加工精密度和質量，規避影響加工效率的因素。同時，需要結合高溫強度、韌性等要素選擇刀具，如涂層刀具、金屬陶瓷刀具、金剛石刀具。高速切削刀具的前角相較于傳統刀具低10°，后角高5°～8°，因此刀尖角也會隨之增加[3]。

高速切削模式中刀具一般選擇短錐柄類型，可以增加切割準確度和接觸剛度，降低材料更換時間，確保刀具切削過程中的可靠性和安全性。其中注意需要完成精密動平衡測試，防止工程中出現不良振動情況。以金屬切削刀材料為例，該刀具廣泛應用于地質勘測工作中，能夠幫助地質工作人員采集地下土壤和含有金屬物質的巖石，在選擇該刀具時會在設備上裝設紫外線滅菌設備，內部設置微型蓄電池，同時在刀具表面設置刻度線、存土凹槽，數量為14組。此外，可以應用金剛石刀具開展地質機械工程，由于其具有良好的導熱性、抗壓強度、硬度、耐磨性，在具體工程中主要采取正切削角方式，提升刀具切削強度，降低刀具加工成本，突出其適用性。

2.1.3高速切削技術要求

首先，建議借助順銑加工技術為后續高速切削工藝奠定基礎，原因是切削工作開始階段，切削的厚度一般較大，隨著加工時間的增加會降低厚度。若通過逆銑模式，刀具一開始切入厚度較低，若持續減少會增加工件和刀具之間的摩擦力，提升刀具表面切削熱量、增加徑向力，不利于切削工作進行。其次，提高金屬去除率的穩定性。在高速切削工作中，需要確保工件中刀具負荷的承載力、穩定性和均衡度，增加刀具使用周期，促進切削工作的正常開展，優化高速切削效率和質量。最后，選取走刀模式。在地質機械工程中，針對敞口較大的區域，建議從材料外部走刀，進而逐漸掌握并了解材料實際情況，降低刀具急速轉向等臨時操作次數。注意圍繞“方向一致”原則開展切削工作，原因是切削急速轉向會導致機床停止工作，拖延后續機械工程進度、浪費作業時間、降低切削精度，因此有必要最大程度地減少臨時變向情況。

2.2高速切削在PDC切削巖石中的應用

2.2.1構建高速切削模型

以某巖石切削工程為例，刀具的直徑是6mm，厚度為2mm，摩擦系數是0.1，切削時間設置為0.03s，后傾角是-10°，將PDC（即聚晶金剛石）作為高速切削刀具的刀面材料，其下部設置成碳化鎢合金。在工程中若想提升高速切削精確度，需要加大系統運轉速度。將刀具前部分和巖石表面緊鄰，設置切削部分，將其設置為總長度的1/3。

2.2.2高速切削中切屑應用分析

在巖石切削工作中設置巖石破碎位置，TCZ即最上端破碎區域，應鄰近高速切削是刀刃部位。因為該部分是由于巖石破碎而產生的，因此在切削工程中需要按照同一方向移動，進而在該區域構成相對穩定和規律的破碎區域。借助高速切削技術可以將區域巖石快速轉變為切屑。傳統切削工作中切屑形狀和大小是該工藝的關鍵，傳統切屑形式巖石表面和刀具一般較為平滑，切屑原理是壓碎工作，巖石會在刀具周圍產生塑性區和應力區，從塑性區域向自由表面形成裂縫，構成切屑，此過程極易出現脆性破壞情況，形成體積較大的切屑。而在高速切削過程中，產生切屑的過程分成三種模式：首先形成微切屑，應力為巖石與刀具接觸點的下側，是最先破碎的區域。其次，巖石會嚴重變形。應力在變形和未變形交界區域，構成微切屑。最后，在原有巖石和變形位置形成應力。相較于常規切削技術，高速切削技術主要將壓碎工作轉變為切削作業，構成脆性破壞方式，進而提升切削工作的穩定性，降低能量累積時間，增加巖石破碎效率，以PDC切削層面分析，該巖石切削工作中最佳速度是5.0m/s。

2.2.3刀具表面溫度應用對比

當傳統切削速度設置為0.5m/s時，溫度存在上升趨勢，在巖石和刀具之間產生熱量，溫度最高達到40℃，同時刀具表面會呈現出周期化變動。若刀具壓入巖石后，其表面未破碎，二者相互摩擦也會產生大量熱量，無法有效傳導，使得刀具的刀面迅速提升。而高速切削技術相較于傳統模式，刀具表面溫度顯著下降。高速切削技術在刀具上積累的熱量較低，溫度上升平緩，當開展井下等地質施工項目時，由于溫度提升，會增加裂紋擴散速度，因此可以通過高速切削技術把控設備刀具溫度變化幅度，降低熱沖擊的消極影響，提升高速切削工件使用周期。例如，當高速切削刀具的速度設置為10.0m/s時，巖石和刀具之間會快速積累熱量，產生壓碎和摩擦作用，在后續工程中溫度基本穩定、緩慢上漲，并抑制金剛石部分產生的分層問題。因此，以溫度層面分析，建議聚晶金剛石切削速度設置為10.0m/s以上。

2.2.4刀具承受力對比

地質機械工程切削工作中能量的積累和釋放會使應力以周期性的方式變化，高頻次的應力改變容易形成刀具切削齒中的剩余應力，同時產生沖擊疲勞問題，在切削工作中出現不良沖擊振動狀況。此外，PCD位置金剛石粘結劑會遭受空化和侵蝕威脅，發生磨損問題，在高沖擊環境中導致PCD刀具出現破裂情況。經過數據分析發現，當切削速度上升至10.0m/s后，平均應力會提升，相關機械比能降低。同時機械比能可以提升切削效率，該數值越低則切削效率越高，而切削工作中產生的應力會對刀具使用周期產生不良影響，當切削速度位于5.0～15.0m/s的范圍內時，應力標準差增長速度較慢，且偏度較為穩定，因此可以將10.0～15.0m/s這一范圍作為最佳切削速度。

3結論

由于高速切削技術的優勢十分顯著，因此屬于地質機械工程切削加工發展的主要模式，能夠得到較多的經濟效益和社會效益。高速切削的應用可以提升切削速度、降低切削力、增加加工效率、優化加工質量、節省成本，成為地質機械工程中的新式技術，因此建議克服刀具磨損等問題進一步創新高速切削加工技術。

參考文獻

[1] 崔巍.談數控高速切削加工技術在機械制造中的應用[J].電子元器件與信息技術，2020，4（2）：138-139.

[2] 常利民.高速切削加工技術在數控機床中的應用[J].科學技術創新，2020（5）：153-154.

[3] 王麗敏.數控高速切削加工技術在機械制造中的應用探討[J].內燃機與配件，2020（3）：77-78.

收稿日期：2020-03-09

作者簡介：張虎（1986—），男，甘肅蘭州人，本科，助理工程師，研究方向：地質機械切削加工。