关于高速切削加工技术在地质机械工程中的应用

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　　摘 要：高速切削加工过程属于新型制造技术，是当前地质机械施工过程中的主要切削技术，拥有广阔的应用前景。本文通过概述高速切削加工技术内容，围绕应用要点等方面探究高速切削加工技术在地质机械工程中的应用情况，进而降低地质机械工程生产周期和成本，通过创新高速切削技术提升工程生产质量和效率。
　　关键词：高速切削加工技术;地质机械;切削刀具
　　中图分类号：TG506.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）07-0099-02
　　0引言
　　高速切削技术可以实现高精度、高质量的加工制造，创新数控系统和控制单元。同时，该技术切削力低，研发时间短，进而优化地质机械工程质量和效率，化解传统机械切削工程中的问题。因此，有必要探究高速切削在地质机械工程施工中的应用，结合地质钻探相关工作，进而提升材料切削效率，改善切削技术。
　　1高速切削加工技术概述
　　1.1高速切削技术分析
　　切削工作实际上是借助砂轮、刀具等设备针对材料多余部分和剩余区域进行削减和切除的过程。相较于常规切削工作，高速切削速度是其5倍至10倍，因此该模式不仅需要提升切削量，还应发挥高转速、小切深、小步距、快进给等优势[1]。此模式可以创新地质机械工程切削工作，对于不同地质材料完成科学切削，合理选择刀具材料和速度，借助数控设备提升工程加工速度。
　　1.2高速切削技术优势
　　其一，增加工作效率。高速切削技术是传统技术的5倍至10倍，因此进给速度显著提升，能够增加单位时间内地质材料切除效率，降低工程加工时间和成本。同时，高速切削技术省略了传统加工模式中的琐碎过程，增加了加工效率。
　　其二，提升零件加工精密度。应用高速切削技术会减少30%的切削力，防止切削热对工程工件的消极作用。同时，切削过程中工件上聚集的热量较低，很难影响工程加工过程，避免工件变形情况。
　　其三，优化加工品质。高速切削技术中刀具高速旋转会产生激励频率，可以与固有频率分隔开，降低切削宽度、深度、力度，确保破坏层残余的应力降低，完成低粗糙性、高精度的加工，减少加工表面粗糙度，优化加工品质。此外，该技术可以节约工程成本。高速切削技术步骤小、施工环节简单，效率较高，无需利用手工研磨和粗加工等过程，降低零件加工时间，节省加工周期和成本。
　　其四，简化工程流程。高速切削技术可以借助自身优势节省切削液、材料、刀具、时间，进而最大程度地避免地质机械工程切削技术对于环境和自然资源的破坏和污染，提升工程质量和生产率，因此将高速切削技术应用于工业生产过程中发展前景广阔。
　　2高速切削加工技术在地质机械工程中的应用研究
　　2.1应用要点
　　2.1.1高速切削技术应用原则
　　在应用高速切削技术时需要与机床相互辅助，确保机床在机械工程中发挥大功率、高转速、刚性等优势，与高速切削技术特点相契合，还能够降低材料制造和加工阶段出现的不必要振动情况，实现后续工作的正常开展，具体原则如下：
　　其一，机床主轴的高速运转。主轴是高速切削机床的关键位置，对于功率系数和扭矩要求较高，经过高速运转过程后能够最大程度地发挥自身动态特性。高速主轴中包含电机一体化、主轴等部件，通过直接传动方式降低传动误差，且承载性和刚度较强。例如，应用新式润滑技术和陶瓷轴承，可以提升切削主轴转速，增加进给速度。此外，高速主轴还包含磁悬浮轴承、动压轴承、静压轴承，而陶瓷轴承成本较低，应用范围较为广泛[2]。
　　其二，增加进给加速度。进给系统中机床行程会停留几十至几百毫米，可以提升切削工作的有序性和稳定性，保持进给系统中的最优加速度，促进后续切削工作的顺利进行。既可以优化切削机床结构，还能促进机床设计工作的发展和创新。此外，建议优化切削机床结构。切削技术对于机床的力学性能和刚度要求较高。
　　其三，优化刀—刀接口。由于高速切削工程对于刀具、刀柄的要求较高，既需要降低刀具的跳动率，还应延长其使用时间。因此，高速切削条件下需要契合刀-刀接口要求：首先，保证低跳动度。一般跳动度每增加0.01mm，会降低50%的刀具使用寿命。其次，保持较高夹紧力。若刀具在工作中处于松动状态，容易使地质机械工程中其他工件和设备受到损坏，减少传输扭矩。最后，平衡刀柄。避免出现无关振动情况，进而对立轴和刀具的使用性能产生消极作用。例如，高速切削工作中一般会应用弹性卡头替代钻夹头，其对称性较强，或者借助刀-刀接口，凸显工作定位和刚性优势，在确保主轴正常转速的基础上，提升穩定性。
　　2.1.2高速切削技术中对于刀具的要求
　　在选择刀具材料时，需要将耐磨度、高强度、经济性纳入考虑范围，还应兼具耐热性和抗冲击优势，可以在地质机械工程中展示优秀的力学性能。例如高速切削系统中一般会选择直径是6.35～19.1mm的端铣刀，原因是大直径端铣刀无法保持切削平衡。在选择刀具时还应关注主轴结果的转速，刀具材料一般包含陶瓷、合金、聚晶金刚石PDC等类型。应用高速切削技术时需要提升刀具使用周期，进而增加加工精密度和质量，规避影响加工效率的因素。同时，需要结合高温强度、韧性等要素选择刀具，如涂层刀具、金属陶瓷刀具、金刚石刀具。高速切削刀具的前角相较于传统刀具低10°，后角高5°～8°，因此刀尖角也会随之增加[3]。
　　高速切削模式中刀具一般选择短锥柄类型，可以增加切割准确度和接触刚度，降低材料更换时间，确保刀具切削过程中的可靠性和安全性。其中注意需要完成精密动平衡测试，防止工程中出现不良振动情况。以金属切削刀材料为例，该刀具广泛应用于地质勘测工作中，能够帮助地质工作人员采集地下土壤和含有金属物质的岩石，在选择该刀具时会在设备上装设紫外线灭菌设备，内部设置微型蓄电池，同时在刀具表面设置刻度线、存土凹槽，数量为14组。此外，可以应用金刚石刀具开展地质机械工程，由于其具有良好的导热性、抗压强度、硬度、耐磨性，在具体工程中主要采取正切削角方式，提升刀具切削强度，降低刀具加工成本，突出其适用性。 　　2.1.3高速切削技术要求
　　首先，建议借助顺铣加工技术为后续高速切削工艺奠定基础，原因是切削工作开始阶段，切削的厚度一般较大，随着加工时间的增加会降低厚度。若通过逆铣模式，刀具一开始切入厚度较低，若持续减少会增加工件和刀具之间的摩擦力，提升刀具表面切削热量、增加径向力，不利于切削工作进行。其次，提高金属去除率的稳定性。在高速切削工作中，需要确保工件中刀具负荷的承载力、稳定性和均衡度，增加刀具使用周期，促进切削工作的正常开展，优化高速切削效率和质量。最后，选取走刀模式。在地质机械工程中，针对敞口較大的区域，建议从材料外部走刀，进而逐渐掌握并了解材料实际情况，降低刀具急速转向等临时操作次数。注意围绕“方向一致”原则开展切削工作，原因是切削急速转向会导致机床停止工作，拖延后续机械工程进度、浪费作业时间、降低切削精度，因此有必要最大程度地减少临时变向情况。
　　2.2高速切削在PDC切削岩石中的应用
　　2.2.1构建高速切削模型
　　以某岩石切削工程为例，刀具的直径是6mm，厚度为2mm，摩擦系数是0.1，切削时间设置为0.03s，后倾角是-10°，将PDC（即聚晶金刚石）作为高速切削刀具的刀面材料，其下部设置成碳化钨合金。在工程中若想提升高速切削精确度，需要加大系统运转速度。将刀具前部分和岩石表面紧邻，设置切削部分，将其设置为总长度的1/3。
　　2.2.2高速切削中切屑应用分析
　　在岩石切削工作中设置岩石破碎位置，TCZ即最上端破碎区域，应邻近高速切削是刀刃部位。因为该部分是由于岩石破碎而产生的，因此在切削工程中需要按照同一方向移动，进而在该区域构成相对稳定和规律的破碎区域。借助高速切削技术可以将区域岩石快速转变为切屑。传统切削工作中切屑形状和大小是该工艺的关键，传统切屑形式岩石表面和刀具一般较为平滑，切屑原理是压碎工作，岩石会在刀具周围产生塑性区和应力区，从塑性区域向自由表面形成裂缝，构成切屑，此过程极易出现脆性破坏情况，形成体积较大的切屑。而在高速切削过程中，产生切屑的过程分成三种模式：首先形成微切屑，应力为岩石与刀具接触点的下侧，是最先破碎的区域。其次，岩石会严重变形。应力在变形和未变形交界区域，构成微切屑。最后，在原有岩石和变形位置形成应力。相较于常规切削技术，高速切削技术主要将压碎工作转变为切削作业，构成脆性破坏方式，进而提升切削工作的稳定性，降低能量累积时间，增加岩石破碎效率，以PDC切削层面分析，该岩石切削工作中最佳速度是5.0m/s。
　　2.2.3刀具表面温度应用对比
　　当传统切削速度设置为0.5m/s时，温度存在上升趋势，在岩石和刀具之间产生热量，温度最高达到40℃，同时刀具表面会呈现出周期化变动。若刀具压入岩石后，其表面未破碎，二者相互摩擦也会产生大量热量，无法有效传导，使得刀具的刀面迅速提升。而高速切削技术相较于传统模式，刀具表面温度显著下降。高速切削技术在刀具上积累的热量较低，温度上升平缓，当开展井下等地质施工项目时，由于温度提升，会增加裂纹扩散速度，因此可以通过高速切削技术把控设备刀具温度变化幅度，降低热冲击的消极影响，提升高速切削工件使用周期。例如，当高速切削刀具的速度设置为10.0m/s时，岩石和刀具之间会快速积累热量，产生压碎和摩擦作用，在后续工程中温度基本稳定、缓慢上涨，并抑制金刚石部分产生的分层问题。因此，以温度层面分析，建议聚晶金刚石切削速度设置为10.0m/s以上。
　　2.2.4刀具承受力对比
　　地质机械工程切削工作中能量的积累和释放会使应力以周期性的方式变化，高频次的应力改变容易形成刀具切削齿中的剩余应力，同时产生冲击疲劳问题，在切削工作中出现不良冲击振动状况。此外，PCD位置金刚石粘结剂会遭受空化和侵蚀威胁，发生磨损问题，在高冲击环境中导致PCD刀具出现破裂情况。经过数据分析发现，当切削速度上升至10.0m/s后，平均应力会提升，相关机械比能降低。同时机械比能可以提升切削效率，该数值越低则切削效率越高，而切削工作中产生的应力会对刀具使用周期产生不良影响，当切削速度位于5.0～15.0m/s的范围内时，应力标准差增长速度较慢，且偏度较为稳定，因此可以将10.0～15.0m/s这一范围作为最佳切削速度。
　　3结论
　　由于高速切削技术的优势十分显著，因此属于地质机械工程切削加工发展的主要模式，能够得到较多的经济效益和社会效益。高速切削的应用可以提升切削速度、降低切削力、增加加工效率、优化加工质量、节省成本，成为地质机械工程中的新式技术，因此建议克服刀具磨损等问题进一步创新高速切削加工技术。
　　参考文献
　　[1] 崔巍.谈数控高速切削加工技术在机械制造中的应用[J].电子元器件与信息技术，2020，4（2）：138-139.
　　[2] 常利民.高速切削加工技术在数控机床中的应用[J].科学技术创新，2020（5）：153-154.
　　[3] 王丽敏.数控高速切削加工技术在机械制造中的应用探讨[J].内燃机与配件，2020（3）：77-78.
　　收稿日期：2020-03-09
　　作者简介：张虎（1986—），男，甘肃兰州人，本科，助理工程师，研究方向：地质机械切削加工。
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