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　　在金屬切削加工過程中，經(jīng)常遇到這樣的問題，如何選擇合理的刀具、操作工藝和制作過程，使產(chǎn)品質(zhì)量好，效率高，生產(chǎn)成本低等等，所有這些都是優(yōu)選的問題。優(yōu)選法就是根據(jù)生產(chǎn)中的不同問題利用數(shù)學(xué)原理，合理安排試驗(yàn)點(diǎn)，減少試驗(yàn)次數(shù)，以求迅速而準(zhǔn)確地找到最佳試驗(yàn)點(diǎn)的一種科學(xué)方法。它是廣泛開展技術(shù)革新中一種行之有效的措施。

　　高硬度耐磨材料加工過程中，應(yīng)用優(yōu)選法選擇刀具的幾何角度和切削參數(shù)，只需做十幾次試驗(yàn)就可以達(dá)到良好的效果。優(yōu)選法分為單因素方法和多因素方法兩類。單因素方法有平分法、0.618法(黃金分割法)、分?jǐn)?shù)法等；多因素方法有交替法（等高線法）、瞎子爬山法、試驗(yàn)設(shè)計(jì)法等。我們經(jīng)常應(yīng)用的優(yōu)選法主要有0.618法、分?jǐn)?shù)法及瞎子爬山法。

　　0.618法(黃金分割法)，0.618法確定第一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)是在試驗(yàn)范圍的0.618處。這點(diǎn)的數(shù)值可由公式一算出，公式一：（大-小）×0.618+小。再在第一點(diǎn)的對稱點(diǎn)處找第二點(diǎn)，第二點(diǎn)的數(shù)值可用公式二算出，公式二：大+小-中（中不是中間，是上一次試驗(yàn)點(diǎn)）。此后試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)值都按公式二計(jì)算，把兩次試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，如果第一點(diǎn)比較好，則去掉第二點(diǎn)（壞點(diǎn)）以下的部分，如果第二點(diǎn)比較好，則去掉第一點(diǎn)（壞點(diǎn)）以上的部分。在留下的部分找出第二點(diǎn)的對稱點(diǎn)即第三點(diǎn)做試驗(yàn)，按同樣方法進(jìn)行比較和取舍，留下好點(diǎn)，去掉“壞點(diǎn)”以外部分。就這樣，試驗(yàn)比較，再試驗(yàn)再比較，一次比一次更接近合適的數(shù)值。應(yīng)用此法，每次可以去掉試驗(yàn)范圍的0.382，因此，可以以少量的試驗(yàn)次數(shù)，迅速找到最佳點(diǎn)。

　　分?jǐn)?shù)法（0.618數(shù)），優(yōu)選機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和走刀量，一般用分?jǐn)?shù)法進(jìn)行優(yōu)化比較方便。根據(jù)平日的加工經(jīng)驗(yàn)，可把優(yōu)選范圍固定在從某擋到某擋之間。在這個(gè)范圍內(nèi)，如果共分5個(gè)、8個(gè)、13個(gè)、21個(gè)……區(qū)間（兩個(gè)擋之間算一個(gè)區(qū)間），那么就可以按照分?jǐn)?shù)3/5，5/8，8/13，13/21……的方法去找試驗(yàn)點(diǎn)，這些分?jǐn)?shù)構(gòu)成規(guī)律：后一個(gè)分?jǐn)?shù)的分母等于前一分?jǐn)?shù)的分子和分母相加，而分子就是前一個(gè)分?jǐn)?shù)的分母。

　　瞎子爬山法：瞎子在山上某點(diǎn)，想要爬到山頂，怎么辦？從立足處用明杖向前一試，覺得高些，就向前一步，如果前面不高，再向左一試，高就向左走一步，不高再向右一試，高就向右走一步……。這樣一步一步地走，如果四面都不高，說明到了山頂。在切削過程中，為了提高工作效率，常常對機(jī)床的轉(zhuǎn)速、走刀量、吃刀深度進(jìn)行調(diào)整，直到合適為止。這種調(diào)整實(shí)際上應(yīng)用了瞎子爬山法，它一般應(yīng)用于小幅度的調(diào)整。

　　解決高硬度材料切削加工的關(guān)鍵之一是選擇最佳刀具，隨著技術(shù)的進(jìn)步，供應(yīng)廠家在開發(fā)車削刀具方面有了新的進(jìn)展。目前，新型硬質(zhì)合金、涂層刀具、陶瓷刀具、聚晶氮化硼（CBN）以及聚晶金剛石（PCD）材料的刀具在加工硬度高的材料方面都得到了應(yīng)用。

　　刀具的選擇是切削的重要基礎(chǔ)，怎樣才能選擇出最佳刀具，從而以最經(jīng)濟(jì)的方式將硬度高的材料加工成最終的產(chǎn)品，每種刀具都選擇試用不但不可能也沒有必要，我們根據(jù)廠商推薦及平時(shí)使用比較好的刀具進(jìn)行優(yōu)選試驗(yàn)，先從硬質(zhì)合金刀具開始，逐步試用理度較高且較貴的新型刀具，主要試用了YG8、YS8 、YT726、FBN3500（富耐克超硬刀具）等幾種型號的刀具，部分刀具如圖1所示

　　通過反復(fù)試驗(yàn)，我們最終選用了YS8和YT726兩種型號的焊接合金刀具，YS8刀具，硬度≥92.5HRC，適用于鐵基高溫合金，高強(qiáng)度鋼、冷硬鑄鐵、耐熱不銹鋼、高錳鋼、淬火鋼的車削。YT726刀具，硬度≥93HRC，紅硬性高，耐磨性好，適于冷硬鑄鐵、淬火鋼的車削。試驗(yàn)表明YS8刀具在粗加工時(shí)，效果較好。YT726刀具在精加工時(shí)，效果較好。這兩種刀具不管是耐磨性，韌性還是經(jīng)濟(jì)性，使用效果還是相當(dāng)滿意的。

　　前角：前角是刀具切削部分主要角度之一，刀具是否鋒利，主要取決于前角的大小。向增大方向優(yōu)選前角，可以減少切屑變形，降低切削力，切削時(shí)輕快。但前角過大，又會使刀尖變得薄弱，刀具的耐用度受到影響。相反，如果前角過小，又會增加切屑變形，切削費(fèi)力。一般情況下，工件材料較硬時(shí)，應(yīng)選取較小前角。

　　主偏角：主偏角是刀具上很重要的角度之一，對刀具的耐用度影響很大。在固定切削用量的情況下，如果減小主偏角，可以使切屑變薄，增加刀刃的散熱長度，同時(shí)增大刀前角，提高了刀具的耐用度。過于減小主偏角，又相應(yīng)使徑向力顯著增大，引起加工零件振動，產(chǎn)生波紋，甚至造成廢品，還會使刀具崩壞，損壞機(jī)器。

　　刃傾角：刃傾角的主要作用是控制切屑流出方向。當(dāng)刃傾角為正值時(shí)，切屑流向零件已加工表面；當(dāng)刃傾角為零時(shí)，切屑流向刀具的前刀面，當(dāng)刃傾角為負(fù)值時(shí)，可使切屑流向零件待加工表面。切屑流向直接影響到刀尖的受沖擊情況。當(dāng)向增大方向優(yōu)選刃傾角時(shí)（一般優(yōu)選后的刃傾角為正值）；可使刀尖不先受沖擊。但是刃傾角過大，徑向力增大，會引起振動造成打刀。相反，刃傾角為負(fù)值時(shí)，刀尖受沖擊。

　　車刀角度的幾何參數(shù)優(yōu)選后，在高硬度材料合金件加工過程中，還需要進(jìn)一步優(yōu)選切削用量。切削用量用來表示切削時(shí)各運(yùn)動參數(shù)的數(shù)量，它包括切削速度、吃刀深度和走刀量。

　　一般粗加工時(shí)，加工余量較大，因此應(yīng)向增大方向優(yōu)選出合適的吃刀深度，以便減少吃刀次數(shù)，其次優(yōu)選走刀量，最后再優(yōu)選切削速度。精加工時(shí)，加工余量較小，為了保證加工零件的精度和粗糙度，應(yīng)向增大方向優(yōu)選切削速度，其次優(yōu)選走刀量，最后優(yōu)選吃刀深度。斷續(xù)切削時(shí)，由于加工零件表面不規(guī)則，加工零件對刀子的沖擊力較大，因此，和連續(xù)切削相比，切削用量要向減小的方向優(yōu)選。由于加工零件的材料和選用刀具的材料不同，以及所用機(jī)床的剛性也不同，因此應(yīng)根據(jù)具體情況合理的優(yōu)選切削用量。高硬度材料切削加工過程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，普通立車機(jī)床刀具的幾何參數(shù)和切削用量優(yōu)選后的數(shù)值如附表所示。從表中看出，優(yōu)選后切削速度較低，如在數(shù)控機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床優(yōu)選，效率要提高若干倍。

　　密封套筒加工要求如圖2所示：材料：高鉻鑄鐵；重量為122kg；硬度為63～65 HRC，如圖3所示，該處測量點(diǎn)的硬度為64.7 HRC，工件毛坯為半圓型結(jié)構(gòu)，兩件把合成整圓車加工，需要鉆加工4-φ22 mm把合孔，18-φ18 mm端面孔，車加工外園平面等工序。

　　加工工藝流程為：先在鏜床進(jìn)行鉆把合孔工序，再上立車進(jìn)行車加工工序，最后在鉆床鉆端面孔工序。整個(gè)工藝流程中，最難加工及周期最長的工序?yàn)檐嚰庸すば颍疚闹攸c(diǎn)介紹該過程的刀具幾何參數(shù)及切削用量的優(yōu)選過程。

　　密封套筒車加工工序的機(jī)床設(shè)備為C5225型雙柱立式車床，如圖4所示，機(jī)床上工件為密封套筒粗加工時(shí)的狀態(tài)。該機(jī)床設(shè)備的主要參數(shù)為：工作臺直徑：2 250mm、變速級數(shù)：16級、變速范圍：2~63轉(zhuǎn)/分；工件最大切削直徑；2 500 mm、最大高度：1 600mm、最大重量：10 000kg；進(jìn)給量級數(shù)；18級、進(jìn)給范圍：0.25~145 mm。

　　密封套筒在該機(jī)床設(shè)備主要加工直徑為1 270 mm處的外園尺寸及φ1 270 mm和φ1 130 mm之間的端面尺寸。由于該工件為半圓鑄造，把合后兩半圓哈夫線處錯(cuò)縫，因此粗加工時(shí)的加工性質(zhì)為斷續(xù)切削。密封套筒車加工工序完工后的狀態(tài)如圖5所示。

　　密封套筒工件車加工工序設(shè)備為C5225型立式車床，以精加工為例進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選，刀具為焊接刀，刀片選用YT726，刀桿為45號鋼，優(yōu)選前的參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速為2r/min，走刀量為0.2～0.3mm/r，吃刀深度為0.4～0.5mm，刀具前角為0°，主偏角為70°，刃傾角為0°。由于高鉻鑄鐵的硬度值范圍為63～65HRC，加工材料太硬，產(chǎn)生的切削力大，切削力集中在刀尖上，刀尖易敲壞，因此向減小方向優(yōu)選主偏角。

　　首先固定其它因素，用0.618法優(yōu)選刀具主偏角，在10°～70°范圍內(nèi)向小的方向優(yōu)選主偏角，見圖6（圖中“○”表示最終優(yōu)選點(diǎn)，以下同）。優(yōu)選過程為：

　　第（1）點(diǎn)：（70°－10°）×0.618+10°=47°（取整數(shù)），試驗(yàn)切削不順，工件加工約20min，“打刀尖”兩次，第（2）點(diǎn)：（70°+10°）-47°=33°，試驗(yàn)切削稍順，工件加工約40min，“打刀尖”1次，經(jīng)比較，認(rèn)為第（2）點(diǎn)好，去掉第（1）點(diǎn)47°以上部分，不試驗(yàn)。第（3）點(diǎn)：（47°+10°）－33°=24°，試驗(yàn)切削順利，工件出現(xiàn)輕微振動現(xiàn)象，加工約90min，磨刀1次。經(jīng)比較，認(rèn)為第（3）點(diǎn)比第（2）點(diǎn)好，去掉第（2）點(diǎn)33°以上部分，不試驗(yàn)。第（4）點(diǎn)：（33°+10°）－24°=19°，試驗(yàn)切削效果有些下降，加工時(shí)零件振動增大，產(chǎn)生波紋。經(jīng)比較，認(rèn)為第（3）點(diǎn)比第（4）點(diǎn)好，因此取主偏角為24°。

　　主偏角優(yōu)選后，刀具耐用度有所提高，但由于刀刃與工件接觸的寬度較大，加工時(shí)出現(xiàn)振動現(xiàn)象，因此，用分?jǐn)?shù)法在0°～15°的范圍內(nèi)優(yōu)選刀具刃傾角，見圖7。優(yōu)選過程為：

　　假如分13個(gè)區(qū)間，第（1）試驗(yàn)點(diǎn)就在8/13處（即9°角度處）做，第（2）試驗(yàn)點(diǎn)在和8/13相對稱的地方5/13處（即6°角度處）做，比較第（1）、第（2）試驗(yàn)點(diǎn)，決定取舍。經(jīng)試驗(yàn)認(rèn)為第（1）試驗(yàn)點(diǎn)好，就把第（2）試驗(yàn)點(diǎn)以下部分去掉不再試驗(yàn)，然后找第（3）試驗(yàn)點(diǎn)。第（3）試驗(yàn)點(diǎn)在和第（1）試驗(yàn)點(diǎn)相對稱的地方10/13處（即11°角度處）做，然后比較第（1）、第（3）試驗(yàn)點(diǎn)，去掉“壞點(diǎn)”，留下好點(diǎn)。

　　主偏角、刃傾角優(yōu)選后，工件加工過程中克服了打刀尖及工件振動現(xiàn)象。但前角太小，車削費(fèi)勁，因此用分?jǐn)?shù)法在0°～10°小范圍內(nèi)向增大的方向優(yōu)選前角，見圖8，經(jīng)試驗(yàn)比較，第（2）點(diǎn)好，前角為4°。

　　刀具角度優(yōu)選后，切削較順利，消除了打刀和讓刀現(xiàn)象，提高了刀具耐用度。為了提高效率，固定刀具角度，用分?jǐn)?shù)法首先優(yōu)選主軸轉(zhuǎn)速，優(yōu)選范圍：4～12r/min，見圖9。經(jīng)試驗(yàn)比較，第3點(diǎn)好，主軸轉(zhuǎn)速為6 r/min，轉(zhuǎn)換成切削速度是3.81m/min。再固定主軸轉(zhuǎn)速，用瞎子爬山法優(yōu)選吃刀深度和走刀量。見圖10，在原生產(chǎn)點(diǎn)處向爬山一樣往上交替優(yōu)選吃刀深度和走刀量，試驗(yàn)結(jié)果在走刀量為0.7mm/r，吃刀深度為1mm時(shí)加工效果較好。

　　以上參數(shù)優(yōu)選后，刀具的主偏角為24°，刃傾角為8°，前角為4°，刀具的主偏角減小，相應(yīng)地增大了刀尖角；采用8°刃傾角，使刀具強(qiáng)度提高了，可以大走刀；同時(shí)增大前角，可減小機(jī)床動力消耗，使切削輕快。刀具的切削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為6r/min（即工件切削速度為3.81m/min），走刀量為0.7mm/r，吃刀深度為1mm，切削效率明顯提升，優(yōu)選前加工一件需82h，優(yōu)選后只需28h，提高工效3倍，刀具耐用度提高4倍。整個(gè)加工過程切削順利，減少了輔助時(shí)間，降低了刀具損耗，解決了加工高硬度材料關(guān)鍵問題。

　　高硬度材料加工是機(jī)械加工行業(yè)中比較難的一道工序，本文中列出的一些具體數(shù)據(jù)是我們用普通機(jī)床加工具體的高硬度材料工件獲得的一些試驗(yàn)結(jié)果，參數(shù)的選擇和應(yīng)用是在特定的生產(chǎn)條件下取得的，并不能夠?qū)⑺鼈冏鳛闃?biāo)準(zhǔn)使用，僅為讀者提供有益的參考及共同商榷。

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