刀具人必掌握的高硬度材料加工及切削參數(shù)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(chǎn)設(shè)備中廣泛應(yīng)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(jīng)常出現(xiàn)打刀現(xiàn)象,。一刀車不到頭就要修磨或更換刀片,，磨刀、換刀次數(shù)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(shù)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(shè)計要求,，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,，降低了生產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)品質(zhì)量好,，效率高，生產(chǎn)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(jù)生產(chǎn)中的不同問題利用數(shù)學(xué)原理，合理安排試驗點,，減少試驗次數(shù),，以求迅速而準(zhǔn)確地找到最佳試驗點的一種科學(xué)方法。它是廣泛開展技術(shù)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(yīng)用優(yōu)選法選擇刀具的幾何角度和切削參數(shù)，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?jǐn)?shù)法等,；多因素方法有交替法（等高線法）、瞎子爬山法,、試驗設(shè)計法等,。我們經(jīng)常應(yīng)用的優(yōu)選法主要有0.618法、分?jǐn)?shù)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(shù)值可由公式一算出,，公式一：（大-�,。���0.618+小。再在第一點的對稱點處找第二點,，第二點的數(shù)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(shù)值都按公式二計算,，把兩次試驗的結(jié)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(shù)值,。應(yīng)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(shù)，迅速找到最佳點,。

　　分?jǐn)?shù)法（0.618數(shù)）,，優(yōu)選機床主軸轉(zhuǎn)速和走刀量，一般用分?jǐn)?shù)法進行優(yōu)化比較方便,。根據(jù)平日的加工經(jīng)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(nèi),，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?jǐn)?shù)3/5，5/8,，8/13,，13/21……的方法去找試驗點，這些分?jǐn)?shù)構(gòu)成規(guī)律：后一個分?jǐn)?shù)的分母等于前一分?jǐn)?shù)的分子和分母相加,，而分子就是前一個分?jǐn)?shù)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(zhuǎn)速、走刀量,、吃刀深度進行調(diào)整,，直到合適為止。這種調(diào)整實際上應(yīng)用了瞎子爬山法,，它一般應(yīng)用于小幅度的調(diào)整,。

2．刀具及刀具幾何參數(shù)

　　解決高硬度材料切削加工的關(guān)鍵之一是選擇最佳刀具,，隨著技術(shù)的進步,，供應(yīng)廠家在開發(fā)車削刀具方面有了新的進展。目前,，新型硬質(zhì)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(yīng)用,。

　　（1）刀具優(yōu)選

　　刀具的選擇是切削的重要基礎(chǔ)，怎樣才能選擇出最佳刀具,，從而以最經(jīng)濟的方式將硬度高的材料加工成最終的產(chǎn)品,，每種刀具都選擇試用不但不可能也沒有必要，我們根據(jù)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(zhì)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(fù)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(jīng)濟性,，使用效果還是相當(dāng)滿意的,。

　　（2）刀具幾何參數(shù)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(shù)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(yīng)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(yīng)使徑向力顯著增大,，引起加工零件振動,，產(chǎn)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(dāng)刃傾角為正值時,，切屑流向零件已加工表面；當(dāng)刃傾角為零時,，切屑流向刀具的前刀面,，當(dāng)刃傾角為負(fù)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(dāng)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(fù)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(shù)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(shù)的數(shù)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(yīng)向增大方向優(yōu)選出合適的吃刀深度,，以便減少吃刀次數(shù)，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(yīng)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(yīng)根據(jù)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(jù)經(jīng)驗，普通立車機床刀具的幾何參數(shù)和切削用量優(yōu)選后的數(shù)值如附表所示,。從表中看出,，優(yōu)選后切削速度較低，如在數(shù)控機床或?qū)Ｓ脵C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(jié)構(gòu),，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(shù)及切削用量的優(yōu)選過程,。

　　（2）車加工工序的機床設(shè)備　

　　密封套筒車加工工序的機床設(shè)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(shè)備的主要參數(shù)為：工作臺直徑：2 250mm、變速級數(shù)：16級,、變速范圍：2~63轉(zhuǎn)/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(shù),；18級,、進給范圍：0.25~145 mm。

　　密封套筒在該機床設(shè)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(zhì)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(shè)備為C5225型立式車床，以精加工為例進行參數(shù)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(shù)：主軸轉(zhuǎn)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(chǎn)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(nèi)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(shù)）,，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(jīng)比較，認(rèn)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(xiàn)輕微振動現(xiàn)象，加工約90min,，磨刀1次,。經(jīng)比較，認(rèn)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(chǎn)生波紋,。經(jīng)比較,，認(rèn)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(xiàn)振動現(xiàn)象,，因此，用分?jǐn)?shù)法在0°～15°的范圍內(nèi)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(jīng)試驗認(rèn)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(jīng)試驗比較,，第4點好，刃傾角λ=8°,。
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　　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(xiàn)象,。但前角太小,，車削費勁，因此用分?jǐn)?shù)法在0°～10°小范圍內(nèi)向增大的方向優(yōu)選前角,，見圖8,，經(jīng)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(xiàn)象,，提高了刀具耐用度。為了提高效率,，固定刀具角度,，用分?jǐn)?shù)法首先優(yōu)選主軸轉(zhuǎn)速，優(yōu)選范圍：4～12r/min,，見圖9。經(jīng)試驗比較,，第3點好,，主軸轉(zhuǎn)速為6 r/min，轉(zhuǎn)換成切削速度是3.81m/min,。再固定主軸轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jié)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(shù)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(yīng)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(shù)為：主軸轉(zhuǎn)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(guān)鍵問題。

5 .結(jié)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(shù)據(jù)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(jié)果,，參數(shù)的選擇和應(yīng)用是在特定的生產(chǎn)條件下取得的，并不能夠?qū)⑺鼈冏鳛闃?biāo)準(zhǔn)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