高锰钢辙叉加工中可转位圆弧刃端铣刀的加工方法

　　“硬质合金圆弧刃端铣刀结构简单,附件少,装夹方便,精度高,用于高锰钢辙叉加工,能有效地克服直刃端铣刀强度低、磨损、崩刃严重等不足。与正方形刀片相比,圆形刀片的可多转位2～3次,充分利用刀具材料,从而降低生产成本。实践证明,将硬质合金圆弧刃端铣刀用于高锰钢辙叉加工切实可行。”

　　1.高锰钢特性

　　高锰钢是一种单相奥氏体组织的耐磨钢。经水韧处理(1000～1100℃加热保温后水冷却的热处理方式)的高锰钢具有显著加工硬化效果,即在高的外力冲击作用下,其工作表面硬度由170～220 HB W增加到450～550 HBW以上,心部依然保持极高的韧性,因而获得很高的抗冲击、耐磨耗和抗裂纹扩展的性能。铁路道岔整铸高锰钢辙叉(以下简称:高锰钢辙叉)就是利用上述特性生产制造的。具有整体性好、耐磨性强、安全可靠,成本低、养护维修方便等优点。

　　高锰钢材料的使用提高了零件的硬度、强度以及使用寿命等,这是有利的一面。但是正是由于其自身加工硬化严重、导热系数小、切削温度高、韧性高、延伸率大、断屑困难、线膨胀系数大、切削力大等物理性能,尤其是加工硬化现象,给高锰钢机械加工带来了很大困难。以零件去除材料加工的难易程度上划分,高锰钢属于难加工材料。

　　2.高锰钢辙叉加工刀具

　　随着铁路运输向着高速、重载方向的发展,对运输设备质量的要求也越来越高。高锰钢辙叉是使机车车辆的车轮由一股钢轨越过另一股钢轨的过轨设备,是铁路道岔设备关键部件,材质:ZGMn13,工件长度一般在4～6m,厚度一般在140～180 mm,宽度一般在350～500 mm范围内。

　　高锰钢辙叉机械加工,主要是平面加工。切削方式为端铣。刀具一般选用硬质合金可转位端铣刀。由于是高锰钢铸件,加之工件长而薄,加工中变形较大,有一定的加工难度。我厂开展高锰钢辙叉机械加工已有十多年的历史,积累了一定的经验。

　　多年来,在高锰钢辙叉加工刀具材料上,我们采用的是刀片牌号为767硬质合金。

　　刀具结构形式主要采用楔块夹紧,轴向定位环式。这种结构夹紧方便可靠,定位精度高。只要定位元件及刀片几何尺寸有较高的制造精度,就能保证刀具有较高的定位精度,当切削力过大时,限制刀片及刀片座沿轴向窜动,防止损坏刀体。

　　由于铣削加工是断续切削,每个刀齿在切入工件时都要发生冲击,为尽量使铣刀切入工件时,前刀面和工件首先是在远离刀尖和切削刃处接触,从而改善刀齿切入时的受力情况,提高其抗冲击能力,保护刀尖,减少崩刃,高锰钢辙叉加工端铣刀采用双负前角形式,即:γf和γp均小于零,γf=-5°,γp=-7°。

　　国内生产的以及国外引进的可转位端铣刀,一般为正四边形刀片,主偏角κr绝大多数为75°。尽管在产品质量和生产效率上基本能够满足要求,但由于高锰钢加工的特殊性,方刀片、直切削刃的刀尖和棱角的存在,生产中打刀崩刃现象较为严重,刀片、刀垫、刀体消耗量大,成本过高。近年来,我们改方刀片为圆刀片,将可转位圆弧刃铣刀引入高锰钢辙叉加工中,由于切削刃口为圆弧状,没有薄弱的刀尖和棱角,不存在弱区,所以在切削过程中无刀尖可崩。再者,在切削过程中,不仅改变了切除图形,而且刀具的主偏角κr也随切削深度的变化而变化,改善了加工条件。经过试验和使用证明,改直切削刃为圆弧切削刃加工高锰钢辙叉,在避免崩刀刃、加大切深及进给、提高生产效率、降低成本等方面都取得了明显的效果。应该指出,改变切削刃口的形状是克服硬质合金刀片崩刃的一种较为有效的途径。

　　可转位圆弧刃端面铣刀基本结构。

　　3.圆弧刃端面铣刀的主要特点与铣削试验分析

　　(1)圆弧刃端面铣刀主偏角κr的特点主偏角是刀具重要角度之一。其大小,一方面影响切削层的形状,另一方面直接影响同时参与工作的切削刃长度和单位切削刃的负荷,即直接影响刀具的磨损和寿命。当背吃刀量和进给量一定时,改变主偏角角度可使切屑变薄或变厚,影响散热情况和切削力的变化。就是说,主偏角κr大小的变化,直接影响刀具的崩刃和打刀。

　　一般直刃端面铣刀主偏角为定值,绝大多数为κr=75°,主偏角κr值一定的端面铣刀,在铣削过程中无论背吃刀量如何变化,主偏角κr基本是不会改变的。而圆弧刃刀具的主偏角κr则不然,其大小随背吃刀量的变化而变化。以16mm圆刀片为例,如:背吃刀量为4mm时,主偏角κr为30°,背吃刀量为2 mm时,主偏角κr为20°42′17″,背吃刀量为1mm时,主偏角κr为14°28′39″。

　　(2)可转位圆弧刃端面铣刀切削力的分析切削力主要是指:总切削力PZ、纵向铣削分力P H、横向铣削分力PV和轴向铣削分力P0;随主偏角κr大小的变化,三个切削分力的大小和分配比例关系也会发生变化。

　　有关技术资料介绍,主偏角κr为75°时,直刀刃铣刀的铣削力理论分配为:,纵向铣削力PH=(0.3～0.4)PZ,横向铣削力P V=(0.85～0.95)PZ,轴向铣削力P0=(0.5～0.55)PZ。

　　通过铣削试验实测,可转位圆弧刃端面铣刀铣削力的分配基本为:纵向铣削力PH=(0.33～0.37)PZ,横向铣削力PV=(0.45～0.53)PZ,轴向铣削力为P0=(0.78～0.84)PZ。

　　试件材料:ZGMn13,铣刀直径=160mm,z=10,γf=-5°,λp=-7°,刀片牌号:767。

　　切削用量:n=140r/min,v=70m/min,fn=168mm/min,fz=0.12mm/z。

　　从以上试验数据中可以看出,切削时,由于圆弧刃刀较直刃刀接触工件的刃长增加(增加40%左右),使得轴向力P0增加,而主偏角κr随背吃刀量的变化而变化,使横向铣削力PV大幅度下降。而横向铣削力PV的大小,恰好是影响刀刃切入工件冲击刀尖及刀刃磨损的主要因素,再加上圆弧刀刃所切下的切屑厚度不等,从而改善了散热条件。还有圆弧刀片的切削区是无刀尖无棱角的圆弧形,不存在弱区,这就使切削过程中所承受的机械冲击、热冲击较小,因此,圆弧刃的刀具寿命会大大提高。

　　4.切削用量的选择

　　铣削时的切削用量应根据被加工工件材质,并结合机床功率、工装夹具的刚性以及刀具的经济寿命等综合考虑,以获得最佳的经济效果。

　　高锰钢辙叉机械加工精度要求并不是很高,属粗加工。在切削过程中,由于塑性变形和切削力的影响,切削层及表面下一定深度范围内会产生严重的硬化现象。为避开毛坯表面和前一次走刀造成的硬化层,切削过程中选择了较大的背吃刀量和进给量。较直刃端铣刀,使用圆弧刃端铣刀时,在切削速度上有所降低。

　　用圆弧刃端铣刀加工高锰钢辙叉,一般背吃刀量取ap=3-5mm,进给量取fz=0.1-0.15mm/z,切削速度取v=60～80m/min。经过生产实践,综合效果良好。

　　硬质合金圆弧刃端铣刀结构简单,附件少,装夹方便,精度高,用于高锰钢辙叉加工,能有效地克服直刃端铣刀强度低、磨损、崩刃严重等不足。与正方形刀片相比,圆形刀片的可多转位2～3次,充分利用刀具材料,从而降低生产成本。实践证明,将硬质合金圆弧刃端铣刀用于高锰钢辙叉加工切实可行。

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