機(jī)夾可轉(zhuǎn)位合金車刀分析研究

李 成

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730021）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)和制造業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量有了更高的追求。我國的制造業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)國家來說還具有一定差距，特別是對(duì)于機(jī)械制造業(yè)要求比較高的重要領(lǐng)域，例如航空航天、軍事、航海船舶等領(lǐng)域所需求的零件，其精度要求越來越高，加工形狀復(fù)雜多變。在制造材料的選擇方面，還存在著諸多的不足，因此目前車刀的材料及性能的選擇成為了機(jī)械制造業(yè)的重中之重。

1 材料的選擇方向

在合金刀具材料的選擇方面，其耐磨性、強(qiáng)度及工藝性等不可兼顧，因此只能在使用過程中根據(jù)加工對(duì)象的特性和加工條件選擇合適的刀具，因此對(duì)使用者和管理造成了諸多問題。結(jié)合當(dāng)前迫切的形式，為進(jìn)一步改善合金車刀在使用時(shí)的切削能力，提出以下幾個(gè)方面[1]。

1.1 材料分子的改變

通過細(xì)化晶粒，形成理想的鑄錠組織等軸晶，等軸晶具有各向異性小，加工時(shí)變形比較均勻、可塑性好、性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，利于鑄造及隨后的塑性加工。晶粒度的大小影響鑄錠的質(zhì)量和力學(xué)性能，枝晶的細(xì)化程度及枝晶間的疏松、偏析、夾雜對(duì)鑄錠質(zhì)量也有很大影響。因此通過分子材料的改變使得硬質(zhì)相晶間表面積增大，從而增強(qiáng)晶粒間的結(jié)合力，可使其耐磨性和強(qiáng)度均可得到提高[2]。

1.2 材料熱處理

為了提高刀具表面的耐磨性，可選用硬質(zhì)合金材料，在強(qiáng)韌性較好的的基礎(chǔ)上，對(duì)其表面進(jìn)行滲氮、滲硼等熱處理即可。對(duì)于強(qiáng)韌性較差的硬質(zhì)合金材料，對(duì)其進(jìn)行整體熱處理，在改變材料分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以降低WC 硬質(zhì)相晶的鄰接度，從而全面提高硬質(zhì)合金刀具的強(qiáng)度和韌性。

1.3 添加涂層材料

使用涂層硬質(zhì)合金材料制造的刀具的優(yōu)點(diǎn)：抗磨損能力比較強(qiáng)，其切削刃形狀、槽形相對(duì)穩(wěn)定，斷屑效果良好，切削能力可靠，因此在加工過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制時(shí)較為常用；在選擇涂層硬質(zhì)合金材料做刀具時(shí)，對(duì)其基體進(jìn)行精化處理，可獲得較高的尺寸精度。在新的TiN 基合金和多元復(fù)合層添加TiN 涂層，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)形成新的耐磨、耐高溫涂層。比如為了提高涂層的硬度和抗磨損性及熱穩(wěn)定性，可以在TiN 涂層中添加Al、Zr、Cr 等，以形成新的多元涂層體系，從而達(dá)到目的[3]。

1.4 添加稀土元素

由于稀土元素能夠強(qiáng)化硬質(zhì)合金材料中的硬質(zhì)相和黏結(jié)相，凈化晶界，增加炭化物固溶體對(duì)粘結(jié)相的潤濕性，因此在以WC 基形成的硬質(zhì)合金中添加少量鈰、釔等稀土元素，可以有效提高材料的韌性和抗彎強(qiáng)度，也可改善耐磨性。添加了稀土元素的硬質(zhì)合金，因其特有的韌性與抗彎強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，最適用于制造粗加工刀具、抗壓抗拉刀具及鉆探工具等。因此稀土硬質(zhì)合金在21 世紀(jì)中必有發(fā)展和應(yīng)用前景[4]。

1.5 金剛石

金剛石材料因其極高的硬度，優(yōu)異的熱化學(xué)性能，良好的導(dǎo)熱性能，且與金屬的親和力小的特性，是目前公認(rèn)的最理想的且不能替代的超精密切削刀具材料[5]。由于金剛石材料制作的刀具可以磨出鋒銳的刀口，且沒有缺口、崩刃等現(xiàn)象，刀刃強(qiáng)度高和耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)，因此常用于銅、鋁等非鐵素金屬及其合金，以及光學(xué)玻璃、大理石、碳素纖維等非金屬材料的超精密切削加工[6]。

2 可轉(zhuǎn)位車刀的分析研究

2.1 可轉(zhuǎn)位車刀組成及結(jié)構(gòu)

可轉(zhuǎn)位車刀是將帶有多個(gè)切削刃的刀片，固定在同一刀體上的特殊刀具。在使用中需要更換刀片時(shí)，將刀片的夾緊螺釘松開，進(jìn)行轉(zhuǎn)位使得新的切削刃進(jìn)入工作位置，或著在更換新刀片之后就可以繼續(xù)使用，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的（如下頁圖1 所示）。

2.1.1 車刀的組成

在一般情況下，可轉(zhuǎn)位車刀由刀片、刀墊、夾緊螺釘和刀體組成，如圖2 所示。

2.1.2 基本夾緊形式

在刀片的夾緊過程中，刀片的幾何形狀、基本尺寸及功用等因素均對(duì)刀片的夾緊形式有影響。其中夾緊力的作用原理及夾緊的幾種形式如表1 所示。

2.2 車刀分析

2.2.1 刀具的幾何參數(shù)

普通外圓車刀設(shè)計(jì)時(shí)的六個(gè)基本角度均有確定的角度值。然而可轉(zhuǎn)位車刀的后角α0、副偏角β′r、副后角α′0均受到刀片型式參數(shù)的制約，設(shè)計(jì)時(shí)其標(biāo)注的角度僅有三個(gè)，前角γ0、后角α0、刃傾角λs。如圖3為可轉(zhuǎn)位外圓車刀角度的標(biāo)注形式。

2.2.2 刀片安裝形式

刀片的安裝形式是根據(jù)刀片在使用時(shí)所處于刀桿上的位置狀態(tài)，所給予了平裝和立裝兩種習(xí)慣性定義，如圖4、5 所示。對(duì)普通車刀來說，平裝時(shí)刀片的夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路較寬、斷屑槽型多，可滿足不同工藝功能的車刀設(shè)計(jì)使用，立裝所采用刀片暫無具體標(biāo)準(zhǔn)，其主要優(yōu)點(diǎn)就是使用大的刀片和較大的斷面來承受工件的反作用力，以提高刀片強(qiáng)度。

2.2.3 斷屑

車刀的主要斷屑形式有斷屑槽、斷屑臺(tái)和斷屑器。因帶有斷屑槽的刀片在制造時(shí)是將槽模壓在刀片上，斷屑穩(wěn)定，斷屑范圍區(qū)域固定，因此大部分可轉(zhuǎn)位車刀基本均在采用。在實(shí)際切削加工時(shí)存在復(fù)雜多變的情況，就形成了斷屑槽型的形式多樣，在選用時(shí)存在諸多不便。而在實(shí)際加工中影響斷屑的因素頗多，若在使用中能結(jié)合現(xiàn)有加工條件進(jìn)行試切，因此在大批量生產(chǎn)用的刀片槽型選定時(shí)還是有所幫助的[7]。

2.3 刀具的選用

2.3.1 尺寸選擇

在選擇刀片時(shí)，由于可轉(zhuǎn)位車刀的刀刃數(shù)量較多、刀尖角強(qiáng)度大，能適應(yīng)工藝性要求即可，刃長滿足基本切削要求，切勿過長或者過短。

2.3.2 刀片厚度

刀片厚度通常根據(jù)背吃刀量和進(jìn)給量來選用，使得刀片有足夠的強(qiáng)度來承受切削力。如下表2 是部分參考數(shù)據(jù)。

表2 根據(jù)背吃刀量和進(jìn)給量選用刀片厚度

2.3.3 刀尖角半徑

由于刀尖的強(qiáng)度、使用壽命及加工表面質(zhì)量等均與刀尖角半徑rε的大小有關(guān)。因此增大刀尖角半徑rε以改善刀尖的散熱條件，減少刀尖的磨損。刀尖角rε過大將會(huì)使切削力FP增大而引起振動(dòng)。一般在粗加工時(shí)，為了提高切削刃的強(qiáng)度，盡可能選擇較大刀尖圓弧半徑。精車時(shí)刀尖圓弧半徑取決于表面粗糙度和進(jìn)給量的大小，其相互關(guān)系為：

如下頁表3 給出了表面粗糙度、進(jìn)給量與刀尖圓弧半徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系參考值，可參照選擇。在表面粗糙度值確定后，系統(tǒng)剛性高，則rε取較大值；反之取較小值。

表3 Ra、Ry，進(jìn)給量f 與刀尖圓弧半徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系參考值

2.4 刀片定位

2.4.1 底面定位

在以底面定位時(shí)，底面應(yīng)平整且表面粗糙度小于3.2 μm，較高要求的車刀還應(yīng)適當(dāng)減小此值。其平面度要求以小于0.05 mm 為宜，若存在微小彎曲變形時(shí)僅允許向內(nèi)彎曲且彎曲度盡可能小。刀尖角及棱邊可做輕微倒鈍，不允許倒角。形狀與刀片近似，尺寸與刀墊相一致。

2.4.2 側(cè)面定位

在采用側(cè)面定位時(shí)，一般用1～2 個(gè)側(cè)面進(jìn)行定位，刀片頂面略高于刀桿的頂面，以防止刀刃被定位面損壞。各定位面交界處不允許有圓角，以防止定位時(shí)不能緊密相貼；最好能選擇空刀槽處，以便刀片能緊貼定位面。

2.4.3 其他定位

圓柱銷定位和非標(biāo)準(zhǔn)可轉(zhuǎn)位刀片定位時(shí)，根據(jù)具體刀片的設(shè)計(jì)決定，達(dá)到測(cè)量基準(zhǔn)與定位面一致即可。

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)的融合引領(lǐng)了制造業(yè)變革的新浪潮。在全球制造業(yè)面臨新一輪技術(shù)革命背景下，世界各國紛紛提出了各自的發(fā)展戰(zhàn)略，均有其各自的新形勢(shì)，尤其是新型材料在合金刀具方面的應(yīng)用，以及其他學(xué)科的進(jìn)步也極大地推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展[8]。從近幾年制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，其他學(xué)科的進(jìn)步對(duì)材料學(xué)科的革新推動(dòng)甚大，比如納米技術(shù)、超聲加工技術(shù)、微雕技術(shù)的進(jìn)步，刀具材料的發(fā)展已成為制造業(yè)在繳烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地并求得迅速發(fā)展的關(guān)鍵因素。