高效車削鋁合金刀具結構設計及切削性能研究

朱曉麗　鄧繼文　陳佃陽

(德州大陸架石油工程技術有限公司，山東 德州 253005)

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高效車削鋁合金刀具結構設計及切削性能研究

朱曉麗鄧繼文陳佃陽

(德州大陸架石油工程技術有限公司，山東 德州 253005)

針對石油工程行業(yè)中大量使用的整體鍛件和鑄件鋁合金在粗車、半精車時刀具存在針對性不強、換刀次數(shù)多、效率低等一系列問題，通過研究刀片幾何結構和裝夾方式研制出了適合數(shù)控車床鋁合金從毛坯到成品加工時的專用刀片和刀桿，提高了整體刀具的鋒利性和強度。通過對鋁合金材料進行車削工藝試驗研究，制定出一套適合數(shù)控車床鋁合金切削加工參數(shù)，有效地提高了切削加工效率。

鋁合金；切削性能；切屑；刀具結構；工藝參數(shù)

鋁合金具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗應力腐蝕性能，越來越多地被廣泛應用到石油工程領域。由于鋁合金塑性較小，熱導率高，強度和硬度相對也比較低，屬于易加工材料[1-2]。但鋁合金在切削加工時粘刀現(xiàn)象普遍，大量切屑易堆積在刀具前刀面上，形成積屑瘤[3]。

在石油工具的生產(chǎn)及科研試制中大量使用整體鍛件和鑄件鋁合金，大量的鋁合金需要從毛坯到成品完成一次性成型切削加工，存在大量的粗車、半精車、精車等綜合切削加工過程，切削量大，材料去除率高，普遍在70%以上。目前市場上現(xiàn)有的成型刀具以半精車、精車為主，對于筆者公司大批鑄件、棒料等鋁合金切削，采取小切深、小進給方式，切削加工效率低，而且設備得不到充分利用，刀具結構和切削參數(shù)的選擇存在很大局限性。

針對以上情況，提出一種新型的車削鋁合金刀具結構設計，其能夠提高刀具的適應能力，解決數(shù)控車床從毛坯到成品的一次成型切削及在切削過程中參數(shù)變化大時造成的崩刃、無法正常切削等問題，并對其切削加工性進行了研究。

1　刀具結構設計

在鋁合金切削加工過程中，切削效率的提高主要受刀片的切削深度和刀片排屑程度的影響，進行大切削時刀片排屑不暢、刀片強度不夠是影響切削效率的重要因素，甚至導致刀尖崩刃[4-5]。本文主要從排屑槽幾何結構和增大切削深度的條件開展研究：①優(yōu)化排屑槽結構，減小排屑阻力，增加刀片的鋒利性和耐用度；②結構改變后通過夾持方式優(yōu)化增加刀片的切削強度。

1.1刀片幾何結構和參數(shù)設計

結合多年的生產(chǎn)經(jīng)驗及相關理論資料，研制的切削刀具包括刀片、刀桿以及設置在刀桿前端的刀片容納槽。圖1所示為刀片整體結構設計，具有整體近似菱形的單件主體結構，具有相對的底面和頂面以及與之相關聯(lián)的4個側(cè)面。研制的該型號刀片具有兩個主切削刃，后刀面與副后刀面，過渡處是以圓弧半徑0.8 mm交接。兩個排屑槽的結構相同，一端封閉，另一端開通，由副切削刃、弧形段、修光刃和主切削刃共同構成，向上方延伸的曲面和修光刃共同保障了切屑斷屑、排屑順暢。其中修光刃是由刀片前刀面與刀尖圓弧過渡部分相交邊緣的延長線。

所研制的刀片可選參數(shù)為切削刃長度為16 mm，刀片厚度6 mm，刀刃寬度為1.2～1.8 mm。如圖2a所示，切削刀片的側(cè)面4與第一基準面A之間成β角，優(yōu)選角度為9°～10°，側(cè)面6與第二基準面B之間成δ角，見圖2b，δ角的優(yōu)選角度為36°～40°，修光刃9的部分曲面與側(cè)面6的Ⅱ-Ⅱ方向形成夾角α，優(yōu)選角度為50°～54°。圖2c所示為切削刀片在夾持后所處工作狀態(tài)Ⅰ-Ⅰ方向斷屑槽截面示意圖。刀具幾何結構參數(shù)設計如表1所示。

表1　刀具幾何參數(shù)

1.2裝夾方式

切削刀片利用壓板固定并配合施加一定的壓緊力形成工作狀態(tài)下的切削角度，增大了切削前角和排屑槽的結構強度，保持切削加工中切削負荷的相對穩(wěn)定性及導屑槽排屑、斷屑的順暢；刀桿的接觸面與切削刀片的壓板槽槽底和側(cè)壁成120°，向下牢固壓緊切削刀片，切削狀態(tài)下的裝夾方式見圖3a。切削刀片相對基準面B旋轉(zhuǎn)γ角為30°利用壓板固定，通過旋轉(zhuǎn)形成切削刀片新的切削角度，如圖3b所示，底面和壓板夾緊保持刀片的固定加工狀態(tài)，能夠獲得大的切削前角和良好的切削狀態(tài)。該種裝夾方式有利于保持刀片的穩(wěn)固性，增大切削刃強度，適合于鋁合金的切削加工。

2　刀片結構試驗

2.1試驗準備

為驗證刀片結構的可行性，自制一把焊接式硬質(zhì)合金(YG8)刀具，如圖4所示，并設計了一系列切削實驗，切削條件如表2所示。實驗材料是GB/T3190-1998牌號為2A90型鋁合金。所有的切削在QT250L數(shù)控車床上完成，屬于一次裝夾，連續(xù)切削。

2.2試驗結果分析

在切削速度為500 m/min冷卻切削狀態(tài)下，平穩(wěn)狀態(tài)切削深度由3 mm達到7 mm，切屑狀態(tài)為斷屑到卷屑，如圖5a所示。當切深為7 mm，進給量0.3 mm/r，切削長度為110 mm時，切屑狀態(tài)為螺旋寶塔型切屑，是一種較為理想的切屑狀態(tài)，斷屑、排屑較好，得到的工件加工表面質(zhì)量如圖5b所示，初步驗證了刀片結構的可行性；當切削深度為8 mm，進給量0.3 mm/r時，切屑狀態(tài)為長屑，并出現(xiàn)纏刀，刀具前刀面粘刀，刀尖微崩刃，圖5c所示為刀具磨損狀態(tài)。

表2　切削狀態(tài)

3　刀片材質(zhì)優(yōu)選試驗

3.1試驗條件

通過對優(yōu)選出的刀片參數(shù)進行YG8、YG6和這3種硬質(zhì)合金材質(zhì)進行樣機試制，并進行切削加工，可進一步驗證刀片結構設計是否合理；以刀具失效形式和切屑排屑狀況為刀片材質(zhì)是否適合鋁合金粗加工、半精加工的依據(jù)。

3.2試驗結果分析

3種材質(zhì)刀片不經(jīng)任何表面處理，多次進行連續(xù)切削，切削參數(shù)和試驗結果如表3所示。在排屑、切削深度、切削負荷等方面3種材質(zhì)刀片均表現(xiàn)出良好的性能，都可以滿足切削加工鋁合金從毛坯到成品一次性成型的切削加工，斷屑、排屑順暢，進一步驗證了刀具結構設計的合理性。由表3可知， YG6和W1類刀片材質(zhì)切削加工時主軸負載指示較YG8類合金刀片大，對機床的沖擊力大，切削不穩(wěn)定。在相同的切削條件和切削時間下，YG6和W1類合金刀片出現(xiàn)不同程度的微崩刃和崩刃現(xiàn)象，如圖6b和c所示。 YG8刀片磨損較均勻，如圖6a所示，刀片無破損，切屑微粘刀，認為該材質(zhì)刀片切削加工鋁合金時應用效果相對較為理想。

4　刀片幾何結構優(yōu)選試驗

4.1試制刀片切削條件

經(jīng)多次切削試驗選定3種較為理想?yún)?shù)(刀刃長度×刀片厚度×排屑槽圓弧R×刀刃寬度)： 16×6×R1.5×1.2、16×6×R1.5×1.5、16×6×R1.5×1.8進行刀具試制，刀具材料均為YG8，切削條件如表4所示。

4.2試驗結果分析

在切削速度為500 m/min冷切削加工狀態(tài)下，得到不同切削條件下試驗結果如表4所示。不同刀具幾何參數(shù)下，排屑、斷屑順暢，切削深度達到結構設計的要求。圖7所示為不同刀刃幾何參數(shù)下排屑形態(tài)，在刀刃寬度為1.5 mm時可以得到排屑效果良好的短狀螺旋形切屑，如圖7b所示，是實際生產(chǎn)中可接受的良好屑形。圖7a所示的崩碎切屑易導致切削過程不平穩(wěn)，容易破壞刀具，對機床也有損害，造成工件已加工表面粗糙，應力求避免。圖7c所示的不規(guī)則帶狀切屑易隨工件旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下易損壞刀具和設備，對已加工表面造成損傷。由排屑狀況、負載指示和刀具失效形式選定16×6×R1.5×1.5為推薦刀片設計參數(shù)。

表3　不同材質(zhì)刀片切削效果

表4　不同結構參數(shù)的刀片切削結果

在主軸負荷穩(wěn)定的情況下，得出試制刀具與傳統(tǒng)使用刀具性能參數(shù)見表5。由表5知試制刀具較傳統(tǒng)用刀具最佳切削深度大約提高了3 mm，切削負荷穩(wěn)定，而且切削效率提高了20%以上，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

5　結語

通過對現(xiàn)有刀片加工方式、方法經(jīng)驗的基礎上，完成了特殊結構的刀片設計和切削性能實驗，結論如下：

表5　設計刀具與傳統(tǒng)刀片性能參數(shù)對比

(1)研制的切削刀片斷屑槽結構設計合理，能夠應對從毛坯到成品的切削過程，排屑、斷屑順暢，增大了刀片強度，切削深度可達7 mm，提高了切削加工效率。

(2)改變傳統(tǒng)刀片的裝夾方式，增加了刀具切削刃的鋒利性和結構強度。

(3)通過多次切削試驗的研究，在穩(wěn)定切削狀態(tài)下使用新研制的刀片數(shù)控加工鋁合金最佳切削參數(shù)切削深度ap為7～8 mm、進給量f為0.2～0.5 mm/r、線速度vc為400～600 m/min。

[1]董必輝.鋁合金切削刀具加工參數(shù)分析與選用[J]．金屬加工：冷加工，2010,39(17):38-40.

[2]何永利,段虹，王仲民.鋁合金高速切削表面粗糙度的實驗研究[J].機械設計與制造,2006(1)：117-119.

[3]Riccardo Polini，F(xiàn)abrizio Casadei，Pierangelo D’Antonio，et al. Dry turning of alumina/aluminum composites with CVD diamond coated Co-cemented tungsten carbide tools[J]. Surface and Coatings Technology. 2003,166 (2-3)：127-134.

[4]熊建武,周進,劉楚玉.鋁合金切削加工條件選擇及其切削加工性能改善[J].科技信息:科學教研,2007(26)：23-24.

[5]朱明臣.金屬切削原理與刀具[M].北京:機械工業(yè)出版社,1995

(編輯李靜)

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Design of solid cutter for high-speed cutting aluminum and study of its cutting performance

ZHU Xiaoli, DENG Jiwen, CHEN Dianyang

(Shelfoil Petroleum Equipment & Services Co., Ltd., Dezhou 253005, CHN)

In the petroleum engineering, the extensive use of overall forgings and castings bring a range of issues when cutting aluminum in roughing and semi-finishing, for example, pertinence，multi-frequency of tool changes and low efficiency. By studying the blade geometry and clamping ways develop a special tool for machining aluminum from roughing to semi-manufactured, which effectively enhance the sharpness and intensity of the cutter. By studying the experimental investigations, develop a suitable cutting process and parameters for turning aluminum and effectively improve the machining efficiency.

aluminum; machinability; chip morphology; tool structure; cutting process

中國分類號：TG68B

朱曉麗，女，1983年生，碩士，工程師，主要從事加工工藝設計和計算機輔助設計與制造。

2015-07-07)

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