可轉(zhuǎn)位刀片斷屑槽斷屑性能及其槽構(gòu)技術(shù)研究

何耿煌+++吳沖++劉獻禮++張守全++鄒伶俐

摘要：可轉(zhuǎn)位刀片斷屑槽具有促進切屑卷曲、折斷和保護刀具的作用.在切削過程中，斷屑槽通過對切削力、切削溫度和切屑形態(tài)的影響，進而間接影響刀片的使用壽命.通過對具有多種斷屑槽槽型的同一種刀片進行切削實驗，應(yīng)用高速攝影機分析切削區(qū)域切屑產(chǎn)生、流出、卷曲和折斷過程.通過磨損測量儀觀測斷屑槽，并結(jié)合切屑形態(tài)分析，明確斷屑槽合理幾何參數(shù)；通過三維受力分析儀采集切削過程中的振動和切削力，揭示斷屑槽對切削力的影響規(guī)律；綜合切削參數(shù)、斷屑槽幾何結(jié)構(gòu)和切削力三方面的因素，最終確立斷屑槽槽型與進給量對切屑折斷的作用機制.研究數(shù)據(jù)以期為斷屑槽設(shè)計與應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金刀片；切屑卷曲；斷屑性能；斷屑槽；槽構(gòu)技術(shù)

DOI：10.15938/j.jhust.2015.03.003

中圖分類號：TG501

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683 （2015）03-0013-06

O 引 言

金屬切削過程中，切屑的流出形態(tài)對其排出的順暢性具有非常重要的影響，隨著金屬切削加工過程自動化程度的提高，切削韌性較高的金屬工件時能否斷屑已經(jīng)成為生產(chǎn)中的關(guān)鍵性問題.因為切屑纏繞在工件和刀具上，不僅會劃傷工件已加工表面，而且會造成刀具過早磨損與破碎.為了滿足實際生產(chǎn)過程的需求，近年來國內(nèi)外許多學(xué)者從事切削過程中切屑折斷控制方面的研究，其中涉及各種形式切屑的卷曲與折斷機理取得一定的進展與技術(shù)成果.

切屑的形狀除了受切削參數(shù)的影響以外，另一個主要的影響因素便是刀片斷屑槽，斷屑槽對切屑具有導(dǎo)向功能，當(dāng)切屑離開塑性變形區(qū)時，斷屑槽的反屑面可給切屑一個導(dǎo)向力的作用，此導(dǎo)向力可以改變切屑的卷曲半徑，促使切屑適度卷曲到一定長度并最終折斷.之所以對金屬切削過程中切屑的形成與控制如此重視，其原因主要有：

1）倘若無法獲得理想的切屑，那么不僅會影響刀具性能的發(fā)揮，而且會影響工件表面加工質(zhì)量；

2）理想的切屑是指容積比較小的切屑.所謂容積比是指單個切屑所占的體積與切削工件材料所占體積的比值，國外學(xué)者E.K.Hendriksen用R來表示容積比.例如，常規(guī)切削過程中長繞形切屑的容積比R≥50；而理想形的短屑或碎屑容積比R≤3.

針對在刀具上安裝用于控制切屑折斷的可調(diào)式斷屑器，很多學(xué)者已做了大量工作.目前，工業(yè)界廣泛采用斷屑槽來解決切屑的折斷問題.而針對可轉(zhuǎn)位刀片上自帶斷屑槽的研究尚不夠充分，因此對可轉(zhuǎn)位刀片斷屑槽斷屑機理的研究及其優(yōu)化設(shè)計，對促進控屑技術(shù)的發(fā)展具有十分積極的實際意義.

1 切削過程中的切屑

為了獲得理想形狀的切屑，必須對切屑流出刀具前加以控制，使其盡快卷曲斷裂.以往對切屑的控制主要是在刀具上安裝斷屑器（柱狀形、臺階形和可調(diào)式斷屑器），如圖l所示.

目前，將金屬切削過程產(chǎn)生的切屑按其形狀大致可分為9個類型（如圖2所示）.其中，在常規(guī)切削產(chǎn)生的“6”字形屑是最理想的屑形（超重型切削的理想切屑為：長緊卷屑）.這種切屑各點的卷曲半徑是逐漸變化的，且切屑內(nèi)邊緣和外邊緣的曲率也不一致，因此容易折斷.

2 斷屑槽的切削實驗研究

實驗研究分為基礎(chǔ)切削實驗和技術(shù)分析實驗，其中，基礎(chǔ)切削實驗主要分析斷屑槽幾何參數(shù)對切屑流出的影響；技術(shù)分析實驗主要有兩方面的內(nèi)容：

1）進行現(xiàn)有各種斷屑槽型的斷屑性能研究，并揭示斷屑規(guī)律，從而為可轉(zhuǎn)位刀片的合理應(yīng)用提供相關(guān)數(shù)據(jù)；

2）在斷屑槽斷屑性能實驗的基礎(chǔ)上，對斷屑槽進行研究，以優(yōu)選出切削力小，斷屑性能良好的槽型，從而為可轉(zhuǎn)位刀片斷屑槽的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐.

2.1 實驗參數(shù)及實驗方法

1）實驗參數(shù)

實驗刀具為：標準硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片TC-MG120408，刀片相關(guān)幾何參數(shù)和切削參數(shù)如表1所示.實驗工件為：45鋼，硬度為HB180.實驗設(shè)備：CA6140車床、Kisler三向受力分析儀、奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡OLS4100以及MS50K高速攝影機.

2）實驗方法

初步對各種斷屑槽進行斷屑性能實驗，在進給量f=0.2 mm/r和f=1.0 mm/r兩種條件下進行切削實驗.其中，進給量f=0.2 mm/r主要用于分析不同槽型產(chǎn)生的切屑形態(tài)，而進給量f=1.0 mm/r主要用于分析不同斷屑槽型的切削力情況.第一個實驗的方法是：vc保持不變，改變進給量f的數(shù)值，從而分析不同斷屑槽成功斷屑的進給量f最小臨界值；第2個實驗的方法是：vc保持不變，在進給量f=1.0 mm/r的條件下，分析不同斷屑槽的切削力.

常規(guī)切削過程中，切削深度ap對于切屑的折斷影響不大，除非是在切削深度ap特別大或特別小的情況下.由于實驗刀片的刀尖圓弧半徑較大，小的切削深度ap主要影響切屑的流出方向，為避免切屑流向?qū)嘈紝嶒灥母蓴_，實驗選用的切削深度ap=2.5 mm，并且所有切削實驗都采用這個切削深度（高速攝影拍攝除外）.

2.2基礎(chǔ)性切削實驗

在基礎(chǔ)切削實驗中，采用個硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片為TCMG120408，刀片輪廓幾何參數(shù)一致，唯一區(qū)別是具有不同的斷屑槽型.實驗主要分析斷屑槽幾何參數(shù)對其切屑的卷曲流出的影響，應(yīng)用高速攝影機采集切屑卷曲折斷過程（如圖4所示），槽型幾何參數(shù)及定義如圖3所示.實驗選用切削參數(shù)組合為： 需要測量的切削力如圖5所示.

通過基礎(chǔ)性切削實驗過程高速攝影機圖像分析獲知具有低切削力和高斷屑性能的斷屑槽型應(yīng)當(dāng)為：

1）斷屑槽棱邊值應(yīng)盡可能小.小棱邊有利于切屑順利流人斷屑槽，倘若斷屑槽棱邊值太大，那么切屑在離開前刀面之前可能與斷屑槽底部沒有充分的接觸，這對卷屑不利.當(dāng)然，斷屑槽棱邊值的取值前提是要保證刀片切削刃的機械強度.切削過程中，由于刀片切削刃的磨損，棱邊會逐漸減小，因此在設(shè)計刀片棱邊的時候要將磨損量考慮在內(nèi)（推薦取值為：0.3 mm左右）.

2）斷屑槽深度選取要適中.斷屑槽深度小于某一特定值時將失去斷屑作用；深度過大又會降低刀片的整體機械強度.因此，綜合兩方面的因素，實驗選取的刀片斷屑槽深度推薦值為0.2 mm左右.

3）過度斷屑，切削力增加.實驗過程中，過度斷屑瞬間檢測到的切削力會驟然增加，分析表明：這種現(xiàn)象是由于切屑在斷屑槽反屑面上受擠壓進而阻礙切屑流出造成的，斷屑槽的反屑面應(yīng)當(dāng)以保證切屑平順流出為主要前提，從而有效降低刀片的切削力.因此，反屑面的反屑角 應(yīng)當(dāng)盡可能小.

2.3 斷屑槽性能分析實驗

1）實驗?zāi)康募胺椒?/p>

技術(shù)分析實驗主要有兩個目的：

①分析各種斷屑槽型的可斷屑f最小臨界值；②研究不同槽型對切削力的影響，從而獲得切削力最小的最佳槽型.最終通過這個實驗，評判出具有優(yōu)良斷屑性能和低切削阻力的斷屑槽型參數(shù).

斷屑槽斷屑性能實驗采用因素分析法進行研究，設(shè)斷屑槽型為第1因素，實驗中有10種不同的斷屑槽型（如圖6所示），因此第一因素T1=10；設(shè)刀片切削刃數(shù)量為第2因素，實驗中刀片為3角形刀，因此第2因素T2=3；設(shè)切削速度VC為第三因素，實驗采用兩種恒定的切削速度，因此第三因素T3=2.那么，每個刀片應(yīng)做的實驗次數(shù)為：T1×T2×T3=10x3x2=60.實驗選定的斷屑槽型幾何形狀如圖6所示，并分別對其進行編號.數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法采用隨機化，隨機方程為： 式中：y為最小進給量或切削力；Gi為斷屑槽幾何參數(shù)； 為切削刃與斷屑槽的關(guān)系參數(shù)； 為切削速度； 為限制誤差； 為誤差.

2）實驗結(jié)果

斷屑槽性能分析實驗兩階段的實驗結(jié)果分別如表2和表3所示.

3）實驗結(jié)果分析

①第1部分斷屑槽性能分析實驗

對各種斷屑槽型的可斷屑廠最小臨界值實驗數(shù)據(jù)做方差分析，極限進給量是因變量，它隨刀片斷屑槽型的變化而變化，結(jié)果統(tǒng)計分析誤差為0.01左右.根據(jù)文的觀點：切削速度vc對切屑折斷的影響遠沒有進給量的影響來得大.當(dāng)然，研究分析切削速度vc與斷屑槽形狀的關(guān)系也是一個具有積極意義的研究課題.文證實：可斷屑f最小臨界值取決于刀片斷屑槽型，切削實驗表明，除了第Ⅱ號刀片的斷屑槽外，最好的斷屑槽是第Ⅳ號刀片（如圖7所示）.

②第2部分斷屑槽性能分析實驗

研究不同槽型對切削力的影響，在大進給量條件下對切削分析與切削合力進行偏差分析，以及對分力的夾角a和β進行數(shù)學(xué)驗證，實驗結(jié)果表明：切削速度vc和刀片斷屑槽槽型相互間的影響不大，但這兩個因素對切削合力有較為顯著的作用，

通過對兩部分切削實驗的統(tǒng)計分析，可知：刀片斷屑槽槽型對切削過程中的切削力、夾角α和夾角β都有影響.圖8為斷屑槽形狀與切削力關(guān)系圖，從圖中可看出第Ⅱ號刀片的槽型切削力較大，實際切削過程中應(yīng)當(dāng)以低切削力槽型為優(yōu)選對象，

實驗綜合分析表明，斷屑槽反屑角較大時，切屑折斷需要更大的載荷，雖然其可斷屑進給量很小，但切削過程中刀具的磨損會比較大，影響刀具的使用壽命

3 結(jié) 論

本文在實驗室條件下進行分步驟切削實驗，通過對同一種幾何結(jié)構(gòu)不同槽型可轉(zhuǎn)位車刀片在斷屑性能和切削力兩方面進行研究分析，獲得結(jié)論如下：

1）在切削速度vc= 80-138 m/min范圍內(nèi)，切削速度vc對切屑折斷的影響效果沒有進給量f對切屑折斷的影響效果明顯，即：進給量f在此切削參數(shù)范圍內(nèi)對斷屑的影響占主要地位；

2）在刀具材料、刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)和工件材料等恒定的條件下，獲知可斷屑極限進給量fmin和切削力受斷屑槽幾何形狀的影響明顯，所以設(shè)計可轉(zhuǎn)位刀片的時候，斷屑槽的設(shè)計尤為重要，合理的斷屑槽幾何結(jié)構(gòu)能有效降低切削過程中的切削力；

3）刀片斷屑槽深度對切屑折斷的影響，沒有斷屑槽棱邊值對切屑折斷的影響大.只有當(dāng)斷屑槽深度小于某一特定值時，對切屑折斷的影響作用才會顯現(xiàn)，同時斷屑槽的深度會影響刀片的整體強度，因此，可轉(zhuǎn)位斷屑槽設(shè)計時，需要通過強度理論計算刀片的整體強度，綜合所切削的工件材料來決定斷屑槽的深度；

4）切屑的卷曲是由切屑與斷屑槽底部接觸，流經(jīng)反屑面引起的，因此要使切屑排出順暢，建議將斷屑槽底部設(shè)計成平面，同時反屑面夾角應(yīng)適當(dāng)?shù)男?，這樣才能有效降低切屑流出卷曲的切向阻力，同時可以降低刀一屑間的摩擦強度，從而從結(jié)構(gòu)設(shè)計上減少切削熱的產(chǎn)生，