机夹可转位刀具选用综合因素分析

2022-12-11

如果你是初次使用某种刀具时, 常常遇到这样的情况, 有时觉得这种刀具使用效果不够理想甚至不能继续使用下去, 这时我们就断然下结论:这个刀具不好用或不能用。其实这样简单地下结论是偏面的甚至说是错误的。殊不知合理使用某种刀具是一个系统工程问题, 考核一种刀具应用效果的好坏, 是一个综合性的指标, 它受制于很多因素, 从大的方面讲, 有切削工艺系统、切削方法、切削用量、技术管理和岗前培训等几个环节, 下面就着几个环节分别加以论述和探讨。

1 选择刀具必须考虑切削工艺系统

切削工艺系统包括使用刀具的性能、刀具结构、几何参数、刀具材质、工件加工精度、工件毛坯状况以及所使用机床的特点等等。

1.1 选择刀片材质

可转位刀具刀片材质的选择取决被加工材料及加工性质, 它直接影响切削速度、刀片耐用度和消耗, 至于加工哪一种材料需选用何种牌号的刀片在有关书籍中有较详细的论述, 在此不再做论述。而作为刀具材料的选择原则, 是在可以防止低速性崩刀的限度内使用高质量的硬质合金。对于难加工材料的切削加工, 刀片材质的选择范围是很窄的, 需慎重选用。

现以车削某轧辊为例, 此工件材料为3Cr3W18V, 硬度HRC60-65, 毛坯是堆焊层表面且呈波浪型, 切削条件十分恶劣。当选用YT5, YW2焊接刀车削时, 一上刀就打刀, 根本无法切削;YW2虽能切削, 但一把刀只能加工10~20分钟就须换刀, 效率低且刀耗大, 根据工件材料性能和加工条件, 粗车时我们选用具有高耐磨性, 高抗弯强度, 高热强性的YG610、YG643车刀片进行车削, 效果明显得到了改善, 在半精车和精车时, 由于工件表面加工条件得到了改善, 为了更进一步提高刀具耐用度和车削效率, 选用了AG2圆弧陶瓷车刀进行精车和半精车, 效果很好。

1.2 注重刀具的结构和几何参数

就可转位刀具而言, 刀具结构设计应达到刀片定位;夹持可靠且转位方便, 排屑流畅的要求;刀具的结构设计宜筒单不宜复杂, 附件宜少不宜多, 刀具的几何参数选择与设备、工件的刚性, 被加工材料有关, 它直接影响切削力, 刀具耐用度, 抗振性和破损率, 对于机床刚性较差, 主轴悬伸较长的铣镗床和铣削低碳钢、不锈钢、耐热钢以及软材料都应选用双正前角的铣刀,

而对于机床刚性较好, 功率较大且稳定性较高铣削铸钢, 铸铁工件时大多采用双负前角或正、负前角的铣刀。

1.3 机床系统刚性

可转位刀具使用效果的好坏与机床系统的刚性有很大的关系, 我们把机床的刚性作为不变因素而合理选择刀具的主偏角和齿距等分形式解决由于机床因素引起的切削振动。对于铣削, 在一般的端铣刀中, 主偏角多在450~750范围之内, 这个角度的大小, 影响铣削过程的高频振动.即对于作用在主轴轴向的力, 在工件、工作台以及主轴的动刚性较低的情况下, 主偏角小的铣刀容易产生高频振动, 这是因为主偏角小的铣刀, 其轴向铣削分力增大, 并且由于轴向振动的缘故, 某一切削刃在工件巳加工表面残留下来的凹凸, 要直接影响, 下一个切削刃的切削量, 因此, 由高频振动理论的再生反馈效果将成为容易产生自激高频振动的原因对于主偏角为900的铣刀, 在轴线方向所产生的振动, 几乎不影响下一个切削刀的切削量, 因此, 在轴线方向上最难产生高频振动。但是由于在工作台的走刀方向上也存在上述产生高频振动的结构, 所以在工作台走刀方向刚性低的条件下, 也容易产生轴线方向的高频振动。这一情况除了要合理地选择好刀具的主偏角外, 还应尽量选取不等分齿距的铣刀来消除高频振动现象和有效防止工艺系统出现的共振。除此之外, 还应根据机床功率的大小合理选择铣刀的最大直径;根据机床的转速高低合理选择铣刀的最小直径。

2 选择刀具必须考虑切削用量

硬质合金可转位刀具的使用技术是至关重要的, 在刀具使用客观条件相同的情况下, 选择不同的切削用量, 可以得到截然不同的切削效果, 这在切割加工中是常常遇见的。

切削用量指的是切削用量四要素, 即:切削速度, 切削深度, 切削宽度和进给量。在被加工材料, 切削刀具的型号、规格、加工机床等巳确定的情况下, 铣削用量选择正确与否将关系到工件加工质量、切削效率等。

前面说过, 对于硬质合金刀具来说是有一定的适用范围的, 因此, 在任何切削加工中, 在工作之前就指定最适宜的切削条件是不可能的, 开始切削时, 首先选择被认为最适宜的切削用量, 然后看其结果进行修正, 找出最佳的妥协点, 这是正确的处理办法。目前各类切削技术书籍中都有较详细的切削用量推荐值, 在此不作论述, 而需论述的是切削用量对断屑和刀具耐用度的影响规律。

2.1 切削用量对断屑的影响

2.1.1 进给量的影响

进给量是影响断屑最敏感, 最重要的因素, 进给量增大时, 切屑变厚, 容易断屑, 但过大的进给量会形成飞溅切屑, 严重影响安全使用, 因此在使用时如发现切屑飞溅, 就可以减小进给量, 如果切屑不断, 则适当加大进给量就可以得到理想的切削效果。

2.1.2 切削速度的影响

切削速度提高就使切削温度增高, 切屑变软, 不易断裂, 切削速度低比较容易断屑, 但速度过低容易产生飞溅切屑, 所以在使用时, 如果断屑不良, 可以适当降低些切削速度, 如果发生飞溅切屑则不能去降低速度, 而必须适当提高切削速度, 才能得到良好的切削效果。由于切削深度对断屑的影响较小且受到加工余量的限制因此不再讨论。

2.2 切削用量对刀具耐用度的影响

在切削中刀具的最终破损大多是由于切削热引起的, 根据切削热的计算公式:

可能选取大的切削深度QP, 其次选择尽可能大的进给量Vf, 这对于加工硬度性大的材料加工尤其重要。在保证刀具经济耐用度的前提下尽可能取高的切削速度。

对于切削速度与耐用度的关系。由于进给量, 切削深度分别受到被加工零件表面粗糙度要求和加工余量的限制, 故不能随意增大, 那么提高效率潜力较大的, 主要还是切削速度, 由于进行高速切削, 切削热确是大幅度增加, 据有关实验得出, 当切削速度增长一倍时, 切削热要相应增加35%左右, 但切削热的增加并不就是切削力的增加, 这两者并不是一回事, 当用00前角的车刀切削速度从60米/分增加到120米/分时, 其切削力相反降低了15%。如果用150前角的车刀在同一情况下, 则增大10%, 如果不改变切削速度而将切削深度增大一倍, 则切削力也增大90%, 切削热却只增加7%, 若将进给量增大一倍, 则切削力要增大68%, 切削热增加18%。因此切削热和切削力的关系, 并不是成正比例关系, 相对比较起来, 提高切削速度, 增加的切削力最少但增加的切削热最多。这就出现了一个问题, 在切削中如何将这些切削热带走。由传递切削热的四个途径分析 (即空气介质, 刀具、工件、切屑) , 空气介质的传导热是有限的, 靠工件、刀具传热将影响工件的尺寸精度和加速刀具的磨损, 因此, 靠切屑传导热量是行之有效的方法。在实际切削中我们力图使切削产生“C”型屑, 其原因就在于能够最好地把热量迅速带走。由于绝大部分热量都被切屑带走, 所以切屑上集中了大量热量, 其颜色发蓝, 发黑。因此我们要正确认识切屑发蓝、发黑这一客观现象。改变传统观念, 随着切速的提高产生发蓝发黑的切屑是必然的现象, 是一种较理想的切屑。切削速度的提高能够避免产生积屑瘤堵塞和低速崩刀, 能有效地提高刀具的经济耐用度。

3 选择刀具必须考虑切削方法

切削方法 (包括刀具的位置选择, 走刀方式, 刀片使用前的修磨及冷却方式等) 。切削技术的另一个内容是切削方法, 它包括刀具切削位置的选择, 走刀方向, 刀具切削前的修磨及冷却方式等, 在此我重点以铣削加以论述。即铣削方法的正确选择。

对于主要是断续切削的铣刀与主要是进行连续切削的车刀有很大的不同, 它必须承受反复冲击载荷而不破损, 那么铣刀刀齿切入, 切离工件的状态对刀具耐用度将产生重大的影响, 那么决定铣刀刀齿切人工件和切离工件时的冲击状态的是切入角和切离角 (见图1) , 而切入角和切离角的大、小是随铣刀直径 (或工件宽度) 和偏移值 (K) 而异。铣刀中心与被铣削工件轴线相对位置如图1所示, 偏移值在切入角一侧为正值, 偏移值在切离角一侧时为负值, 对切人角, 切离角的最佳选择方法进行了详细的论述并得出结论;不论是对铣刀的低速性破损还是高速性破损, 切人角E与切离角DE都会产生很大的影响。为了防止刀具破损, 切离角具有更重要的意义。就是说为了防止初期破损, 必须优先考虑切离角取小值 (大的负值) , 而切入角E应避免取接近径向前角值同时以取大的负值为好。

这里需特别指出以下两点。

3.1 设备刚性控制

在卧式 (落地) 铣镗床上进行大面积铣削时, 考虑设备的刚性相对弱一些, 应取最小的主轴申出长度, 铣刀从工件的右下角切人, 横向走刀, 使切削力的反作用力压住铣刀, 消除机床传动间隙, 避免因走刀爬行面引起的振动崩刀。

3.2 切宽控制

大面积铣削时的切削宽度推荐为刀具直径的0.6~0.7倍, 但是要避免切人角接近径向前角的铣刀偏呈, 以免冲击系数增大造成振动崩刃。同时要避免为节省退刀时间而采用顺一逆铣往复铣削的方向, 这将大大降低铣刀的耐用度。关于在铣削中是否采用冷却液 (指用硬质合金铣刀) 的问题, 我认为在大多数情况下不宜采用切削液。无论是水溶性的, 还是非水溶性, 切削液, 相对应的切割速度范围很小且很难掌握, 若使用不当反而会加速刀具的破损, 尤其是高速铣削。由于切削液在切削时具有润滑作用。因此在加工个别难加工材料如奥氏体不锈钢这类附着性强的材料时:使用切削液可能会有效果, 但切削速度要在50米/分以下。

4 选择刀具必须与技术管理结合起来

选择刀具必须与技术管理结合起来, 才能更加发挥先进刀具的作用。

4.1 重视经验与专业知识的积累

重视金属切削加工的实践经验和较深的专业知识, 对机床性能及现实状况要有充分的了解, 这样才能对刀具使用中出现的问题对症下药, 及时解决, 还应配备相应的维修, 刃磨设备和人员。对于可重磨刀具和刀片应限定磨损标准, 超过磨损标准应立即停止使用及时加以刃磨, 避免应磨损超标造成打刀和崩刃。

4.2 合理确定使用寿命

对于硬度合金可转位铣刀的刀片夹紧螺钉要制定使用寿命值, 超过使用寿命应及时更换, 这是因为, 可转位铣刀在断续切削时产生很大的机械冲击和热冲击, 在刀片夹紧螺钉定位锥面根部易产生应力集中造成疲劳断裂, 一旦螺钉头部断裂就使得刀片无法从刀体上拆下, 只能敲碎刀片取出螺钉, 很多铣刀片可转位六次, 而遇到螺钉断裂时还没有转位就得敲碎刀片造成很大的浪费, 有时螺钉甚至断在刀体上无法取出使整个铣刀无法使用, 在实际铣削中是经常遇到这类事发生的。然而, 螺钉的使用寿命究竟是多长目前尚在摸索之中, 但必须加以解决。

4.3 制定经济精度标准

必须制定可转位刀具 (尤其是可转位铣刀) 的经济精度验收标准。对于数控机床使用的刀具其精度要求应该是高的, 然而对于普通机床尤其是一些机床巳丧失部分精度也一味地追求刀具的高精度是不恰当的, 也是不经济的。

4.4 刀具实行预调

硬质合金可转位刀具的使用应逐步实现刀具主要尺寸的预调, 实行送刀上机床, 按照每个机床配备刀具是不合适的。这样势必造成很大的库存占有资金, 也增大加工的辅助时间, 同时不利于刀具的集中管理, 这就要求加强调刀室的力量, 建立可转位刀具使用卡, 内容包括切削用量, 使用方法等, 使用卡随刀具一并送到机床, 用完后及时收回。

4.5 刀体、刀片及备件的统一分阶段对使用的各类刀具进行选型、定型、去劣择优, 并逐步贯彻统一的刀体、刀片及备件的标准, 这样便于刀具的采购和管理

5 选好用好刀具与岗前培训相结合

机床的主机工必须进行各类新刀具应用技术的培训, 新工人 (机加工) 也应在上岗前进行这方面的培训。要充分认识到, 先进的机械设备制造很多要靠机械加工实现, 而加工要靠工艺装备 (包括机床和刀具) , 正确地使用好刀具是提高生产效率, 提高产品质量的重要途径, 即刀刃上见效益。以上所论述的是机夹可转位刀具在生产实践中的经验总结与理论分析, 找出了正确选用可转位刀具的方法和一些关键的环节, 以及个人对存在于多个环节中一些问题的看法和认识。

摘要：机夹可转位刀具具有许多优点, 它的正确选用与诸多因素有关, 本文结合作者在生产实践中的经验总结与理论分析, 提出了正确选用机夹可转位刀具的方法和一些关键的环节, 可供工艺人员及操作人员借鉴。

关键词：可转位刀具,选用,加工方法,因素分析