重型機械加工行業的特點是被加工件的尺寸很大,重量很重(有的可達上百噸),因此重型加工用臥式車床的回轉直徑可達到6米,立式車床更可達到10余米。與普通切削加工相比,由于重型切削加工具有切削深度大、切削速度低、進給速度慢等特點,因此其加工工藝與普通的機械切削加工工藝有很大不同,這些工藝問題包括刀具的選擇、刀具的安裝、切削用量的選擇以及工件的裝夾等各個方面。本文對重型車床切削加工不同加工階段的特點分別作如下論述。
刀具的選擇
機械加工中常用的刀具材料主要有高速鋼、硬質合金、立方氮化硼(CBN)、陶瓷等。由于重型切削的特點(切削深度大,余量不均,表面有硬化層),刀具在粗加工階段的磨損形式主要是磨粒磨損。由于切削溫度高,盡管切削速度處于積屑瘤發生區,但高溫可以使切屑與前刀面的接觸部位處于液態,減小了摩擦力,抑制了積屑瘤的生成,所以刀具材料的選擇應要求耐磨損、抗沖擊,刀具涂層后硬度可達80HRC,具有高的抗氧化性能和抗粘結性能,因而有較高的耐磨性和抗月牙洼磨損能力。硬質合金涂層具有較低的摩擦系數,可降低切削時的切削力及切削溫度,可以大大提高刀具耐用度(涂層硬質合金刀片的耐用度至少可提高1倍)等優點,但由于涂層刀片的鋒利性、韌性、抗剝落和抗崩刃性能均不及未涂層刀片,故不適用高硬度材料和重載切削的粗加工。陶瓷類刀具硬度高,但抗彎強度低,沖擊韌性差,不適用于余量不均的重型切削,CBN刀具同樣也存在這個問題。綜合以上分析,只有硬質合金刀具適合于重型切削的粗加工。硬質合金分為鎢鈷類(YG)、鎢鈷鈦類(YT)和碳化鎢類(YW)。加工鋼料時,由于金屬塑性變形大,摩擦劇烈,切削溫度高,YG類硬質合金雖然強度和韌性較好,但高溫硬度和高溫韌性較差,因此在重型切削中很少應用。與之相比,YT類硬質合金刀具適于加工鋼料,由于YT類合金具有較高的硬度和耐磨性,尤其是具有高的耐熱性,抗粘結擴散能力和抗氧化能力也很好,在加工鋼料時刀具磨損較小,刀具耐用度較高,因此YT類硬質合金是重型加工時較常用的刀具材料。然而在低速切削鋼料時,由于切削過程不太平穩,YT類合金的韌性較差,容易產生崩刃,而且在加工一些高強度合金材料時,它的耐用度下降很快,無法滿足使用要求。如電站用機械產品工作于高溫、高壓、高轉速的環境中,對材料(如26Cr2Ni4MoV、Mn18Cr18)機械性能的要求非常高;而一些高硬度軋輥,表面硬度在淬火后可達Hs90,YT類刀具在加工此類產品時就無法勝任,在這種情況下應選用YW類刀具或細晶粒、超細晶粒合金刀具(如643等)。細晶粒合金的耐磨性好,更適用于加工冷硬鑄鐵類產品,效率較YW類刀具可提高一倍以上。
精加工階段同樣要求刀具耐磨損,但是精加工階段的磨損形式是以粘蝕磨損為主,這時的切削速度雖然有了很大提高(可達到40m/r),但由于工件材質等原因,仍然會產生積屑瘤,當積屑瘤增長到一定高度時會從刀具上剝離,將接觸部位的刀具材料帶走一部分,形成刀具的磨損。同時,剝離的積屑瘤會扎進工件表面,形成硬點,降低加工表面質量。因此,如果精加工時仍然采用普通硬質合金刀具,則刀具磨損非???,換刀次數增多,不僅影響加工效率,也易在工件表面形成接刀痕跡,影響外觀質量。解決這個問題的辦法就是改變刀具材料。在實際加工中發現涂層刀具比較適合重型切削的精加工,刀具的涂層減小了切屑與刀面間的摩擦,減少了積屑瘤的發生,降低了刀具的磨損,延長了刀具的壽命。實際加工中,我們采用瓦爾特公司的涂層硬質合金刀片,在加工45Cr4NiMoV支撐輥時,刀具耐用度提高了一倍;但使用陶瓷刀具未達到預期效果,當切削速度達到100m/min時,刀片的磨損顯著加快,這是因為陶瓷刀具與金屬材料之間由于親和作用加劇了刀具的磨損。高速鋼刀具在精加工階段得到了廣泛的應用,由于高速鋼刀具的鋒銳性較好,經常用于精加工階段的光整工序以去除微小余量,目前來看,其它刀具還無法完全取代高速鋼刀具的作用。
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