刀具人必掌握的高硬度材料加工及切削參數優(yōu)選法則！

寂靜天花板

高硬度耐磨損材料如耐熱鑄鋼、合金鋼,，耐磨堆焊層等在新型干法水泥生產設備中廣泛應用，材料硬度范圍為40～65 HRC。要求加工制造的工件主要有輥壓機輥軸,，立磨輥套、喇叭套,、密封套筒,，四代蓖冷機推料板、盲板等合金材料工件,，工件切削時切削力大,，切削溫度高，刀具磨損快,，還經常出現打刀現象,。一刀車不到頭就要修磨或更換刀片，磨刀,、換刀次數多,，輔助時間長，精度差,，效率低,，消耗大，很難加工,。我們利用優(yōu)選法對刀具,、刀具幾何參數和切削三要素進行優(yōu)選，解決了加工高硬度材料工件的一個個難題,，滿足了工件的設計要求,，提高了產品質量和生產效率，降低了生產成本及職工勞動強度,。

1．優(yōu)選法簡介

　　（1）優(yōu)選法定義

　　在金屬切削加工過程中,，經常遇到這樣的問題，如何選擇合理的刀具,、操作工藝和制作過程,，使產品質量好，效率高,，生產成本低等等,，所有這些都是優(yōu)選的問題。優(yōu)選法就是根據生產中的不同問題利用數學原理,，合理安排試驗點,，減少試驗次數，以求迅速而準確地找到最佳試驗點的一種科學方法。它是廣泛開展技術革新中一種行之有效的措施,。

　　（2）優(yōu)選法選用

　　高硬度耐磨材料加工過程中,，應用優(yōu)選法選擇刀具的幾何角度和切削參數，只需做十幾次試驗就可以達到良好的效果,。優(yōu)選法分為單因素方法和多因素方法兩類,。單因素方法有平分法、0.618法(黃金分割法),、分數法等,；多因素方法有交替法（等高線法）、瞎子爬山法,、試驗設計法等,。我們經常應用的優(yōu)選法主要有0.618法、分數法及瞎子爬山法,。

　　0.618法(黃金分割法),，0.618法確定第一個試驗點是在試驗范圍的0.618處。這點的數值可由公式一算出,，公式一：（大-小）×0.618+小,。再在第一點的對稱點處找第二點,，第二點的數值可用公式二算出，公式二：大+小-中（中不是中間,，是上一次試驗點）,。此后試驗點的數值都按公式二計算，把兩次試驗的結果進行比較,，如果第一點比較好,，則去掉第二點（壞點）以下的部分，如果第二點比較好,，則去掉第一點（壞點）以上的部分,。在留下的部分找出第二點的對稱點即第三點做試驗，按同樣方法進行比較和取舍,，留下好點,，去掉“壞點”以外部分。就這樣,，試驗比較,，再試驗再比較，一次比一次更接近合適的數值,。應用此法,，每次可以去掉試驗范圍的0.382，因此，可以以少量的試驗次數,，迅速找到最佳點,。

　　分數法（0.618數），優(yōu)選機床主軸轉速和走刀量,，一般用分數法進行優(yōu)化比較方便,。根據平日的加工經驗，可把優(yōu)選范圍固定在從某擋到某擋之間,。在這個范圍內,，如果共分5個、8個,、13個,、21個……區(qū)間（兩個擋之間算一個區(qū)間），那么就可以按照分數3/5,，5/8,，8/13，13/21……的方法去找試驗點,，這些分數構成規(guī)律：后一個分數的分母等于前一分數的分子和分母相加,，而分子就是前一個分數的分母。

　　瞎子爬山法：瞎子在山上某點,，想要爬到山頂,，怎么辦？從立足處用明杖向前一試,，覺得高些,，就向前一步，如果前面不高,，再向左一試,，高就向左走一步，不高再向右一試,，高就向右走一步……,。這樣一步一步地走，如果四面都不高,，說明到了山頂,。在切削過程中，為了提高工作效率,，常常對機床的轉速,、走刀量、吃刀深度進行調整,，直到合適為止,。這種調整實際上應用了瞎子爬山法，它一般應用于小幅度的調整。

2．刀具及刀具幾何參數

　　解決高硬度材料切削加工的關鍵之一是選擇最佳刀具,，隨著技術的進步,，供應廠家在開發(fā)車削刀具方面有了新的進展。目前,，新型硬質合金,、涂層刀具、陶瓷刀具,、聚晶氮化硼（CBN）以及聚晶金剛石（PCD）材料的刀具在加工硬度高的材料方面都得到了應用,。

　　（1）刀具優(yōu)選

　　刀具的選擇是切削的重要基礎，怎樣才能選擇出最佳刀具,，從而以最經濟的方式將硬度高的材料加工成最終的產品,，每種刀具都選擇試用不但不可能也沒有必要，我們根據廠商推薦及平時使用比較好的刀具進行優(yōu)選試驗,，先從硬質合金刀具開始,，逐步試用理度較高且較貴的新型刀具，主要試用了YG8,、YS8 ,、YT726、FBN3500（富耐克超硬刀具）等幾種型號的刀具,，部分刀具如圖1所示

　　通過反復試驗,，我們最終選用了YS8和YT726兩種型號的焊接合金刀具，YS8刀具,，硬度≥92.5HRC，適用于鐵基高溫合金,，高強度鋼,、冷硬鑄鐵、耐熱不銹鋼,、高錳鋼,、淬火鋼的車削。YT726刀具,，硬度≥93HRC,，紅硬性高，耐磨性好,，適于冷硬鑄鐵,、淬火鋼的車削。試驗表明YS8刀具在粗加工時,，效果較好,。YT726刀具在精加工時，效果較好。這兩種刀具不管是耐磨性,，韌性還是經濟性,，使用效果還是相當滿意的。

　　（2）刀具幾何參數優(yōu)選

　　切削加工過程中,，車刀的角度需要進行優(yōu)選,，在加工高硬度材料合金件方面，優(yōu)選后效果比較突出的刀具幾何參數主要有前角,、主偏角,、刃傾角等。

　　前角：前角是刀具切削部分主要角度之一,，刀具是否鋒利,，主要取決于前角的大小。向增大方向優(yōu)選前角,，可以減少切屑變形,，降低切削力，切削時輕快,。但前角過大,，又會使刀尖變得薄弱，刀具的耐用度受到影響,。相反,，如果前角過小，又會增加切屑變形,，切削費力,。一般情況下，工件材料較硬時,，應選取較小前角,。

　　主偏角：主偏角是刀具上很重要的角度之一，對刀具的耐用度影響很大,。在固定切削用量的情況下,，如果減小主偏角，可以使切屑變薄,，增加刀刃的散熱長度,，同時增大刀前角，提高了刀具的耐用度,。過于減小主偏角,，又相應使徑向力顯著增大，引起加工零件振動,，產生波紋,，甚至造成廢品,，還會使刀具崩壞，損壞機器,。

　　刃傾角：刃傾角的主要作用是控制切屑流出方向,。當刃傾角為正值時，切屑流向零件已加工表面,；當刃傾角為零時,，切屑流向刀具的前刀面，當刃傾角為負值時,，可使切屑流向零件待加工表面,。切屑流向直接影響到刀尖的受沖擊情況。當向增大方向優(yōu)選刃傾角時（一般優(yōu)選后的刃傾角為正值）,；可使刀尖不先受沖擊,。但是刃傾角過大，徑向力增大,，會引起振動造成打刀,。相反，刃傾角為負值時,，刀尖受沖擊,。

　　（3）刀具切削用量優(yōu)選

　　車刀角度的幾何參數優(yōu)選后，在高硬度材料合金件加工過程中,，還需要進一步優(yōu)選切削用量,。切削用量用來表示切削時各運動參數的數量，它包括切削速度,、吃刀深度和走刀量,。

　　一般粗加工時，加工余量較大,，因此應向增大方向優(yōu)選出合適的吃刀深度,，以便減少吃刀次數，其次優(yōu)選走刀量,，最后再優(yōu)選切削速度。精加工時,，加工余量較小,，為了保證加工零件的精度和粗糙度，應向增大方向優(yōu)選切削速度,，其次優(yōu)選走刀量,，最后優(yōu)選吃刀深度。斷續(xù)切削時,，由于加工零件表面不規(guī)則,，加工零件對刀子的沖擊力較大,，因此，和連續(xù)切削相比,，切削用量要向減小的方向優(yōu)選,。由于加工零件的材料和選用刀具的材料不同，以及所用機床的剛性也不同,，因此應根據具體情況合理的優(yōu)選切削用量,。高硬度材料切削加工過程中，根據經驗,，普通立車機床刀具的幾何參數和切削用量優(yōu)選后的數值如附表所示,。從表中看出，優(yōu)選后切削速度較低,，如在數控機床或專用機床優(yōu)選,，效率要提高若干倍。

3 .加工實例

　　（1）立磨密封套筒加工要求　

　　密封套筒加工要求如圖2所示：材料：高鉻鑄鐵,；重量為122kg,；硬度為63～65 HRC，如圖3所示,，該處測量點的硬度為64.7 HRC,，工件毛坯為半圓型結構，兩件把合成整圓車加工,，需要鉆加工4-φ22 mm把合孔,，18-φ18 mm端面孔，車加工外園平面等工序,。

　　加工工藝流程為：先在鏜床進行鉆把合孔工序,，再上立車進行車加工工序，最后在鉆床鉆端面孔工序,。整個工藝流程中,，最難加工及周期最長的工序為車加工工序，本文重點介紹該過程的刀具幾何參數及切削用量的優(yōu)選過程,。

　　（2）車加工工序的機床設備　

　　密封套筒車加工工序的機床設備為C5225型雙柱立式車床,，如圖4所示，機床上工件為密封套筒粗加工時的狀態(tài),。該機床設備的主要參數為：工作臺直徑：2 250mm,、變速級數：16級、變速范圍：2~63轉/分,；工件最大切削直徑,；2 500 mm、最大高度：1 600mm,、最大重量：10 000kg,；進給量級數,；18級、進給范圍：0.25~145 mm,。

　　密封套筒在該機床設備主要加工直徑為1 270 mm處的外園尺寸及φ1 270 mm和φ1 130 mm之間的端面尺寸,。由于該工件為半圓鑄造，把合后兩半圓哈夫線處錯縫,，因此粗加工時的加工性質為斷續(xù)切削,。密封套筒車加工工序完工后的狀態(tài)如圖5所示。

4．優(yōu)選過程

　　（1）刀具角度優(yōu)選

　　密封套筒工件車加工工序設備為C5225型立式車床,，以精加工為例進行參數優(yōu)選,，刀具為焊接刀，刀片選用YT726,，刀桿為45號鋼,，優(yōu)選前的參數：主軸轉速為2r/min，走刀量為0.2～0.3mm/r,，吃刀深度為0.4～0.5mm,，刀具前角為0°，主偏角為70°,，刃傾角為0°,。由于高鉻鑄鐵的硬度值范圍為63～65HRC，加工材料太硬,，產生的切削力大,，切削力集中在刀尖上，刀尖易敲壞,，因此向減小方向優(yōu)選主偏角,。

　　首先固定其它因素，用0.618法優(yōu)選刀具主偏角,，在10°～70°范圍內向小的方向優(yōu)選主偏角,，見圖6（圖中“○”表示最終優(yōu)選點，以下同）,。優(yōu)選過程為：

　　第（1）點：（70°－10°）×0.618+10°=47°（取整數）,，試驗切削不順，工件加工約20min,，“打刀尖”兩次,，第（2）點：（70°+10°）-47°=33°，試驗切削稍順,，工件加工約40min，“打刀尖”1次,，經比較,，認為第（2）點好,，去掉第（1）點47°以上部分，不試驗,。第（3）點：（47°+10°）－33°=24°,，試驗切削順利，工件出現輕微振動現象,，加工約90min,，磨刀1次。經比較,，認為第（3）點比第（2）點好,，去掉第（2）點33°以上部分，不試驗,。第（4）點：（33°+10°）－24°=19°,，試驗切削效果有些下降，加工時零件振動增大,，產生波紋,。經比較，認為第（3）點比第（4）點好,，因此取主偏角為24°,。

　　主偏角優(yōu)選后，刀具耐用度有所提高,，但由于刀刃與工件接觸的寬度較大,，加工時出現振動現象，因此,，用分數法在0°～15°的范圍內優(yōu)選刀具刃傾角,，見圖7。優(yōu)選過程為：

　　假如分13個區(qū)間,，第（1）試驗點就在8/13處（即9°角度處）做,，第（2）試驗點在和8/13相對稱的地方5/13處（即6°角度處）做，比較第（1）,、第（2）試驗點,，決定取舍。經試驗認為第（1）試驗點好,，就把第（2）試驗點以下部分去掉不再試驗,，然后找第（3）試驗點。第（3）試驗點在和第（1）試驗點相對稱的地方10/13處（即11°角度處）做,，然后比較第（1）,、第（3）試驗點，去掉“壞點”,，留下好點,。

　　試驗點的計算仍可用0.618法的第二個公式計算,。經試驗比較，第4點好,，刃傾角λ=8°,。

　　主偏角、刃傾角優(yōu)選后,，工件加工過程中克服了打刀尖及工件振動現象,。但前角太小，車削費勁,，因此用分數法在0°～10°小范圍內向增大的方向優(yōu)選前角,，見圖8，經試驗比較,，第（2）點好,，前角為4°。

　　（2）切削用量優(yōu)選

　　刀具角度優(yōu)選后,，切削較順利,，消除了打刀和讓刀現象，提高了刀具耐用度,。為了提高效率,，固定刀具角度，用分數法首先優(yōu)選主軸轉速,，優(yōu)選范圍：4～12r/min,，見圖9。經試驗比較,，第3點好,，主軸轉速為6 r/min，轉換成切削速度是3.81m/min,。再固定主軸轉速,，用瞎子爬山法優(yōu)選吃刀深度和走刀量。見圖10,，在原生產點處向爬山一樣往上交替優(yōu)選吃刀深度和走刀量,，試驗結果在走刀量為0.7mm/r，吃刀深度為1mm時加工效果較好,。

　　以上參數優(yōu)選后,，刀具的主偏角為24°，刃傾角為8°,，前角為4°,，刀具的主偏角減小，相應地增大了刀尖角；采用8°刃傾角,，使刀具強度提高了,，可以大走刀；同時增大前角,，可減小機床動力消耗，使切削輕快,。刀具的切削參數為：主軸轉速為6r/min（即工件切削速度為3.81m/min）,，走刀量為0.7mm/r，吃刀深度為1mm,，切削效率明顯提升,，優(yōu)選前加工一件需82h，優(yōu)選后只需28h,，提高工效3倍,，刀具耐用度提高4倍。整個加工過程切削順利,，減少了輔助時間,，降低了刀具損耗，解決了加工高硬度材料關鍵問題,。

5 .結語

　　高硬度材料加工是機械加工行業(yè)中比較難的一道工序,，本文中列出的一些具體數據是我們用普通機床加工具體的高硬度材料工件獲得的一些試驗結果，參數的選擇和應用是在特定的生產條件下取得的,，并不能夠將它們作為標準使用,，僅為讀者提供有益的參考及共同商榷。

yuyaibo

漲知識了,，謝謝樓主的思路,。

lsq726

寫的好

yinlichao

寫的真好，漲知識啦