聚晶金剛石刀具的斷屑槽尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)

遲劍英 于愛(ài)兵 吳毛朝 袁建東 陳秋潔 孫 磊

寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，寧波，315211

0 引言

聚晶金剛石(PCD)刀具廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、3C行業(yè)中鋁合金[1-3]、鈦合金[4]以及非鐵基復(fù)合材料零部件的高速精密加工。其中，鋁合金材料始終面臨著切屑難以折斷的問(wèn)題，切屑纏繞在工件或刀具表面會(huì)產(chǎn)生一系列危害：影響工件已加工表面質(zhì)量[5-7]、縮短刀具使用壽命，甚至危害人身安全等。切屑纏繞問(wèn)題已經(jīng)成為制約加工自動(dòng)化的關(guān)鍵因素之一[8-9]，如果運(yùn)用合理的斷屑方法，使切屑卷曲一定長(zhǎng)度后折斷，便可在確保工件加工精度的條件下，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

斷屑槽已廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具[10]，但是其槽型尺寸并不適用于PCD刀具，目前，多數(shù)硬質(zhì)合金刀具采用三維斷屑槽型，其斷屑槽的槽寬通常大于2 mm，而PCD刀具前端焊接的三角形PCD復(fù)合片的尺寸較小，邊長(zhǎng)一般在2～3 mm之間，直接限制了PCD刀具的斷屑槽尺寸范圍，PCD斷屑槽的寬度不能超過(guò)2 mm。另外，多數(shù)硬質(zhì)合金刀具通過(guò)基面突出量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)促進(jìn)斷屑，而PCD刀具的PCD層厚度在0.5 ～0.7 mm之間，顯然PCD刀具無(wú)法直接套用硬質(zhì)合金刀具基面突出量的斷屑結(jié)構(gòu)，否則會(huì)嚴(yán)重影響PCD刀具的強(qiáng)度。一些學(xué)者對(duì)含斷屑槽PCD刀具和無(wú)斷屑槽PCD刀具進(jìn)行切削對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了PCD刀具斷屑槽的斷屑效果。SOARES等[11]用兩種PCD刀具車削AlSi9Cu3合金，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶有斷屑槽的PCD刀具表現(xiàn)出良好的斷屑性能。GONZALO等[12]通過(guò)切削仿真確定了含斷屑槽PCD刀具的主偏角取值范圍。CASCN等[13]使用PCD刀具切削鋁合金材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PCD刀具卷屑槽可以改善切屑纏繞，但是未進(jìn)行槽型尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。目前，有少數(shù)PCD刀具廠家開(kāi)發(fā)了帶有斷屑槽的PCD刀具。部分刀具廠商的PCD刀具斷屑槽主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定或者仿制現(xiàn)有產(chǎn)品。有關(guān)PCD刀具斷屑槽尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)方法尚沒(méi)有公開(kāi)報(bào)道，也沒(méi)有相關(guān)的設(shè)計(jì)專利和技術(shù)資料可以參考，因此，有必要探索和研究PCD刀具斷屑槽尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

KAMIYA等[14]對(duì)不同型號(hào)的鋁合金進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明7075-T651鋁合金更難折斷，且切削速度對(duì)斷屑效果影響較小。因?yàn)?075-T651鋁合金經(jīng)過(guò)熱處理和預(yù)拉伸工藝可呈現(xiàn)出良好的可塑性、韌性和黏附性，所以更不易折斷。本文以7075-T651鋁合金為工件材料，通過(guò)切削有限元仿真、車削實(shí)驗(yàn)和幾何關(guān)系計(jì)算，建立PCD刀具的棱帶寬度b和反屑角β的計(jì)算公式，獲得傾角θ和反屑面轉(zhuǎn)角υ的取值范圍，改進(jìn)斷屑槽槽寬W的計(jì)算公式，總結(jié)斷屑槽尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了切削實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 鋁合金車削實(shí)驗(yàn)方法

如圖1所示，本文所設(shè)計(jì)的PCD刀具斷屑槽參數(shù)包括：棱帶寬度b、傾角θ、反屑角β、斷屑槽槽寬W以及反屑面轉(zhuǎn)角υ。將斷屑槽中靠近切削刃一側(cè)的斜面(即傾角θ所在的斜面)命名為傾斜面；將斷屑槽中的另一個(gè)斜面(即β所在的斜面)命名為反屑面。將反屑面OLKG以O(shè)點(diǎn)為圓心在前刀面內(nèi)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度命名為反屑面轉(zhuǎn)角υ。

(a)斷屑槽剖面參數(shù)

工件材料選用φ50 mm的7075-T651鋁合金棒料，刀具選用PCD層厚度為0.7 mm的E6 PCD刀具，刀具角度分別為：前角γo=0°、后角αo=10°以及主偏角κr=95°。在PCD刀具的前刀面用激光加工出相應(yīng)尺寸參數(shù)的斷屑槽，在CAK3665數(shù)控車床上進(jìn)行鋁合金棒料的干切削實(shí)驗(yàn)，切削速度vc=125 m/min，收集切屑并通過(guò)KH-8700三維體視顯微鏡觀察和分析切屑形態(tài)。

1.2 切削仿真實(shí)驗(yàn)方法

分別建立PCD刀具的二維及三維切削仿真模型，在不同斷屑槽參數(shù)b、θ、β、υ條件下進(jìn)行切削仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)PCD刀具斷屑槽尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

本文主要研究切屑的流動(dòng)及形態(tài)，并不考慮刀具的磨損，因此，將工件材料模型定義為具有損傷的彈塑性材料，將刀具定義為剛體。在實(shí)際切削過(guò)程中，工件材料常常在高溫、大應(yīng)變和大應(yīng)變速率的情況下發(fā)生彈塑性流動(dòng)，因此綜合考慮各因素對(duì)工件材料流動(dòng)應(yīng)力的影響，本文選用溫度-位移耦合算法[15]。

Johnson-Cook本構(gòu)方程能夠較為全面地描述流動(dòng)應(yīng)力的應(yīng)變硬化效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)與溫度效應(yīng)對(duì)切屑流動(dòng)的綜合影響，其表達(dá)式為

(1)

圖2所示為切削仿真模型的邊界條件，將工件底端固定，采用幾何分離準(zhǔn)則預(yù)設(shè)分離線，依據(jù)切削厚度設(shè)置分離層的位置，使切削仿真所得切屑更接近實(shí)際情況[16]。切削速度vc=125 m/min。

圖2 模型邊界條件

切削過(guò)程中的材料失效模型需要綜合考慮應(yīng)力三軸度、應(yīng)變率和溫度對(duì)材料失效的影響[17]，本文采用RICE等[18]提出以的空洞增長(zhǎng)方程為基礎(chǔ)建立的Johnson-Cook失效模型[19]：

(2)

式中，εf為材料彎曲斷裂應(yīng)變；D1～D5為失效參數(shù)。

表1所示為7075-T651鋁合金的Johnson-Cook材料參數(shù)[20-21]，表2所示為PCD刀具的物理性能。

表1 7075-T651鋁合金的J-C材料參數(shù)

表2 PCD刀具的物理特性

2 斷屑槽尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 棱帶寬度

如圖3所示，切屑沿刀具前刀面滑移，當(dāng)切屑滑移到一定距離時(shí)，即刀屑接觸長(zhǎng)度Lf時(shí)，切屑開(kāi)始發(fā)生卷曲。如果斷屑槽位于刀屑接觸區(qū)內(nèi)，切屑可以順利流入斷屑槽內(nèi)；如果斷屑槽位于刀屑接觸區(qū)域之外，則切屑在流入斷屑槽之前就已經(jīng)開(kāi)始卷曲，此時(shí)斷屑槽便不能發(fā)揮斷屑作用。因此，斷屑槽的位置應(yīng)處于刀屑接觸區(qū)域內(nèi)，即在圖3a中的刀具棱帶寬度b應(yīng)小于刀屑接觸長(zhǎng)度Lf，即

(a)刀屑接觸示意圖

b=BgLf

(3)

式中，Bg為開(kāi)槽系數(shù)，且Bg<1。

刀屑接觸長(zhǎng)度Lf可以劃分為兩個(gè)相等的區(qū)域[22]：一個(gè)是黏著接觸區(qū)域，該區(qū)域能夠引起切屑塑性變形和卷曲[13]；另一個(gè)是滑動(dòng)接觸區(qū)域，切屑依靠彈性依附在刀具表面滑動(dòng)[23]。如圖3a所示，在黏著接觸區(qū)域，產(chǎn)生的切屑受到垂直于刀具前刀面的壓力Fn以及平行于刀具前刀面的摩擦力Ff的作用，F(xiàn)n與Ff的合力F2促進(jìn)切屑的形成。在滑移線上切屑受到剪切力Fs以及垂直于剪切力的壓力Fns的作用，F(xiàn)s與Fns的合力F1阻礙切屑的形成。當(dāng)?shù)缎冀佑|區(qū)域較小時(shí)，摩擦力Ff較小，使得切屑形成力F2小于切削抗力F1，產(chǎn)生順時(shí)針彎矩Mc1，如圖3b所示，此時(shí)切屑具有向刀具內(nèi)部發(fā)生卷曲的趨勢(shì)，加劇了切屑與刀具間的擠壓程度。隨著切屑的繼續(xù)產(chǎn)生，刀屑滑動(dòng)接觸區(qū)域面積不斷增大，刀屑間產(chǎn)生的摩擦力Ff增大，使得切屑形成力F2逐漸增大，最終F2與切削抗力F1大小相等、方向相反，但不共線，使得切屑受到一個(gè)逆時(shí)針彎矩Mc2的作用，如圖3c所示，Mc2促使切屑卷曲。為保證切屑能夠順利進(jìn)入斷屑槽，棱帶寬度b不能大于刀屑黏著接觸區(qū)長(zhǎng)度，因此Bg<1/2。

切削厚度ac可以表示為

ac=fsinκr

(4)

式中，f為進(jìn)給量；κr為主偏角。

令切屑厚度為ach，則切屑變形系數(shù)ξ可以表示為

(5)

IQBAL等[24]提供了一種刀屑接觸長(zhǎng)度Lf的計(jì)算方法：

Lf=2fsinκr[ξ(1-tanγo)+secγo]

(6)

因此，結(jié)合式(3)，棱帶寬度b可以表示為

b=2Bgfsinκr[ξ(1-tanγo)+secγo]

(7)

下面采用切削仿真模擬，對(duì)式(7)中開(kāi)槽系數(shù)Bg的取值范圍進(jìn)行校驗(yàn)。若Bg=1/2，則根據(jù)式(7)可以計(jì)算出棱帶寬度b，其中，刀具主偏角κr=95°，刀具前角γo=0°，通過(guò)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量出切屑厚度值并計(jì)算出切屑變形系數(shù)ξ，由于在不同切削用量下的切屑變形系數(shù)相差不大，故取平均值ξ=1.15。根據(jù)式(7)計(jì)算出不同進(jìn)給量對(duì)應(yīng)的棱帶寬度b，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。在切削深度ap=1 mm時(shí)，分別在表3和表4的條件下進(jìn)行切削仿真，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。可以看出，當(dāng)Bg=1/2時(shí)，切屑在斷屑槽棱帶上流動(dòng)時(shí)就發(fā)生了卷曲，導(dǎo)致切屑無(wú)法流入斷屑槽。若產(chǎn)生的切屑未能流入斷屑槽，則斷屑槽無(wú)法發(fā)揮斷屑性能。在f=0.10 mm/r、ap=1 mm時(shí)進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，圖6a所示為Bg=1/2時(shí)切屑流入情況，切削之前將刀具表面進(jìn)行著色處理，刀具棱帶表面的白色著色層在切削過(guò)程中被切屑磨掉，但是斷屑槽內(nèi)的白色著色層沒(méi)有摩擦磨損痕跡，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，切屑沒(méi)有流入斷屑槽，與仿真模擬結(jié)果一致。當(dāng)Bg=1/4時(shí)，棱帶寬度b的計(jì)算結(jié)果如表4所示。在ap=1 mm時(shí)，切削仿真模擬結(jié)果如圖5所示，切屑沿著斷屑槽棱帶流動(dòng)進(jìn)入斷屑槽內(nèi)部并產(chǎn)生了卷曲現(xiàn)象。對(duì)應(yīng)的切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6b，刀具棱帶及斷屑槽內(nèi)的白色著色層在切削過(guò)程中均被切屑磨掉，表明切屑已經(jīng)流入斷屑槽。顯然，當(dāng)斷屑槽的槽型參數(shù)設(shè)計(jì)合理時(shí)，可以引導(dǎo)切屑順利流入斷屑槽，促進(jìn)切屑卷曲，切削有限元仿真模擬的結(jié)果表明，式(7)中的Bg<1/2取值范圍是可行的。

表3 Bg=1/2時(shí)的PCD刀具斷屑槽棱帶寬度

表4 Bg=1/4時(shí)的PCD刀具斷屑槽棱帶寬度

(a)f=0.05 mm/r

(a)f=0.05 mm/r

(a)Bg=1/2時(shí)切屑流入情況

由式(7)可知，棱帶寬度b與進(jìn)給量f成正相關(guān)，當(dāng)進(jìn)給量f增大時(shí)，棱帶寬度b相應(yīng)增大。因此，為了保護(hù)切削刃，棱帶寬度b應(yīng)隨著進(jìn)給量f的增大而增大。但是，實(shí)際加工斷屑槽時(shí)，對(duì)于棱帶寬度b固定不變的刀具，其適用的切削用量有局限，例如，根據(jù)f=0.05 mm/r設(shè)計(jì)出的棱帶寬度b，在f=0.20 mm/r的切削條件下加工時(shí)，可能會(huì)由于刀具的強(qiáng)度不足而發(fā)生崩刃；而根據(jù)f=0.20 mm/r設(shè)計(jì)出的棱帶寬度b，在f=0.05 mm/r的切削條件下加工時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致切屑不能流入斷屑槽。鑒于上述情況，可以根據(jù)切削深度ap的變化，設(shè)置不同的棱帶寬度b，如圖7所示。通過(guò)設(shè)定切削深度ap與進(jìn)給量f之間一定的比例關(guān)系，將棱帶寬度b與進(jìn)給量f之間的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)化為棱帶寬度b與切削深度ap間的函數(shù)關(guān)系，令Cg=ap/f，根據(jù)常見(jiàn)PCD刀具推薦切削用量：切削深度ap=1 mm，進(jìn)給量f=0.20 mm/r，根據(jù)上述切削用量取值，本文取Cg=ap/f=5。因此，棱帶寬度b可表示為

圖7 斷屑槽棱帶寬度變化示意圖

(8)

在設(shè)計(jì)斷屑槽時(shí)，可根據(jù)式(8)確定棱帶寬度b。為了保證PCD刀具的強(qiáng)度，b的取值應(yīng)在保證切屑流入斷屑槽的情況下盡可能取大值。

2.2 傾角

如圖8a所示，當(dāng)斷屑槽傾角θ偏小時(shí)，切屑沿著斷屑槽傾斜面流動(dòng)的長(zhǎng)度增大，切屑的卷曲半徑Rc增大，不利于切屑折斷。當(dāng)斷屑槽傾角θ偏大時(shí)，如圖8b所示，PCD刀具結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度減小，易發(fā)生崩刃現(xiàn)象。因此，在盡可能保護(hù)PCD刀具的前提下，為了充分發(fā)揮斷屑槽的斷屑性能，斷屑槽的傾角θ應(yīng)設(shè)置為與彎矩Mc1所導(dǎo)致的切屑的傾角相等。為了探究切屑在刀屑黏著區(qū)域接觸條件下的傾角，假設(shè)PCD刀具僅有棱帶參與切削加工，如圖9所示。在ap=1 mm時(shí)，分別進(jìn)行f在0.10～0.30 mm/r范圍的5組切削仿真模擬，得到僅有棱帶參與切削的切屑卷曲傾角，結(jié)果如圖10所示，切屑的自由卷曲面與垂直方向的夾角在15°～23°之間，計(jì)算圖10中5個(gè)切屑傾角均值為18.4°，所以，本文選取傾角θ=18.4°。

(a)傾角θ偏小

圖9 僅有刀具棱帶參與切削的過(guò)程示意圖

(a)f=0.10 mm/r (b)f=0.15 mm/r

2.3 反屑角

斷屑槽與切屑幾何關(guān)系見(jiàn)圖11，其中B點(diǎn)為切屑與斷屑槽傾斜面的切點(diǎn)。SHINOZUKA等[25]指出利用斷屑槽折斷切屑時(shí)，切屑折斷的位置發(fā)生于斷屑槽的后端尖點(diǎn)(即圖11中D點(diǎn))，且切屑折斷時(shí)切屑與反屑面DC相切。根據(jù)圖11中斷屑槽與切屑的幾何關(guān)系，依據(jù)切屑折斷機(jī)理，推導(dǎo)可得反屑角β的計(jì)算公式。

首先，根據(jù)圖11求得切屑卷曲半徑Rc的表達(dá)式：

圖11 斷屑槽與切屑幾何關(guān)系

Rc=lDCtanδ

(9)

(10)

(11)

將式(10)、式(11)代入(9)可得

(12)

當(dāng)切屑折斷時(shí)，RL與Rc成一定比例K=RL/Rc，且最佳比值范圍為1.2≤K≤4[26]，則式(12)可寫成：

(13)

當(dāng)切屑的彎曲應(yīng)變?chǔ)舧b達(dá)到切屑的斷裂應(yīng)變?chǔ)舊時(shí)，切屑發(fā)生折斷[27]，即

(14)

將式(4)、式(5)、式(12)、式(13)代入式(14)可得

(15)

式(15)可寫為

(16)

由圖11幾何關(guān)系可得

(17)

式(17)可寫為

(18)

將式(18)代入式(16)可得

(19)

斷屑槽寬W可由下式求得[26]：

(20)

將式(20)代入(19)，最后可得到反屑角β滿足：

(21)

令主偏角κr=95°、傾角θ=18.4°，通過(guò)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)得出極限進(jìn)給量fmax=0.30 mm/r。根據(jù)文獻(xiàn)[28]的工件材料彎曲斷裂應(yīng)變?chǔ)舊計(jì)算方法得到7075-T651鋁合金的斷裂應(yīng)變?chǔ)舊=0.109。令K=2，則根據(jù)式(20)可計(jì)算出槽寬W=1.12 mm，然后根據(jù)式(21)可得到β≥50°，由于β越大切削力越大，因此本文取β=50°。

2.4 反屑面轉(zhuǎn)角

反屑面轉(zhuǎn)角通過(guò)對(duì)切屑流向的改變影響切屑的折斷。文獻(xiàn)[29]指出：當(dāng)切屑與工件或刀具表面相撞時(shí)，切屑內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生反向彎曲應(yīng)力，促使切屑內(nèi)部的彎曲應(yīng)變?cè)龃螅瑢?dǎo)致切屑折斷。當(dāng)f=0.20 mm/r、ap=1 mm時(shí)，切屑折斷仿真過(guò)程如圖12所示，假設(shè)切屑流向工件表面，切屑在與工件相撞時(shí)產(chǎn)生了裂紋，且隨著切屑的流動(dòng)，裂紋擴(kuò)展直至折斷。

(a)產(chǎn)生切屑裂紋

圖13所示為三維切屑流動(dòng)過(guò)程模擬結(jié)果，其中，f=0.10 mm/r，ap=0.5 mm。切屑沿著斷屑槽傾斜面流入槽內(nèi)，在反屑面的作用下，可以觀察到切屑開(kāi)始上向卷曲且流向工件表面。表5所示為f=0.10 mm/r、ap=0.5 mm、υ=0°時(shí)的仿真切屑流向情況，通過(guò)表5中C型屑仿真圖可知，反屑面的存在導(dǎo)致切屑兩側(cè)產(chǎn)生流速差。在切屑的M側(cè)，切屑首先在槽底流動(dòng)，然后經(jīng)過(guò)反屑面的作用進(jìn)一步卷曲，此處切屑的卷曲半徑較?。欢行嫉腘側(cè)直接在刀具表面上滑動(dòng)，此處產(chǎn)生的切屑卷曲半徑較大。因此，在切屑M、N兩側(cè)產(chǎn)生了流速差，即vM≠vN，從而導(dǎo)致切屑無(wú)法垂直流向工件表面。T點(diǎn)為切屑與工件的接觸區(qū)域，T點(diǎn)的接觸面積較小。若切屑第一次與工件待加工表面碰撞時(shí)折斷，則會(huì)產(chǎn)生表5中的C型屑，如果第一次碰撞后切屑未折斷，那么切屑將一直緊貼擠壓工件待加工表面，在這個(gè)過(guò)程中的不同時(shí)段切屑發(fā)生折斷，則會(huì)產(chǎn)生另外兩種切屑，即6型屑和短螺旋型屑。表5示出了切削實(shí)驗(yàn)得到的上述三種切屑。

(a)切屑流入斷屑槽(b)切屑在槽內(nèi)發(fā)生卷曲

表5 反屑面轉(zhuǎn)角υ=0°時(shí)的切屑流向及產(chǎn)生的切屑

若切屑在T點(diǎn)處未折斷，切屑與工件相撞后產(chǎn)生較小的變形，則切屑脫離工件表面，無(wú)法導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，便會(huì)產(chǎn)生連續(xù)切屑。斷屑槽反屑面使切屑兩側(cè)存在流速差，導(dǎo)致切屑產(chǎn)生側(cè)向卷曲趨勢(shì)，切屑無(wú)法保證始終垂直流向工件表面，切屑的折斷處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了提高斷屑效果，可以通過(guò)調(diào)整反屑面轉(zhuǎn)角υ的角度，使切屑垂直流向工件表面或者增大切屑與工件的接觸面積。圖14所示為不同反屑面轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的切屑流向，其中，f=0.10 mm/r，ap=0.5 mm。當(dāng)υ= -3°時(shí)，反屑面對(duì)切屑側(cè)向卷曲的促進(jìn)作用增大，使切屑兩端的流速差增大，使切屑流向偏離工件表面，有流向刀具后刀面的趨勢(shì)；當(dāng)υ=3°時(shí)，反屑面對(duì)切屑側(cè)向卷曲的促進(jìn)作用被削弱，使切屑兩端的流速差減小，切屑能夠垂直流向工件表面；當(dāng)υ=5°時(shí)，反屑面促進(jìn)切屑側(cè)向卷曲的作用進(jìn)一步減小，切屑的卷曲半徑進(jìn)一步增大，由于切屑本身所具有的側(cè)向卷曲，導(dǎo)致切屑無(wú)法垂直流向工件表面，但切屑仍能與工件有一定面積的接觸；當(dāng)υ=7°時(shí)，反屑面失去促進(jìn)切屑側(cè)向卷曲的作用，切屑在斷屑槽表面自由卷曲，切屑無(wú)法折斷。因此，當(dāng)反屑面轉(zhuǎn)角υ在0°～5°范圍時(shí)，切屑可流向工件表面產(chǎn)生折斷，其中仿真結(jié)果表明，υ=3°時(shí)斷屑槽的斷屑性能最優(yōu)。在得到υ的取值范圍之后，如圖15所示，通過(guò)幾何關(guān)系可得斷屑槽槽寬W1：

(a)υ=-3° (b) υ=3°

圖15 槽寬幾何關(guān)系示意圖

(22)

本文取S=2.5 mm，通過(guò)式(22)可得W1=1.245 mm。

3 設(shè)計(jì)方法

根據(jù)上述分析，可以總結(jié)出PCD刀具斷屑槽的設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)PCD刀具斷屑槽參數(shù)時(shí)，可以按照棱帶寬度b、傾角θ、槽寬W、反屑角β和反屑面轉(zhuǎn)角υ的順序依次考慮，步驟如下。

(1)綜合考慮刀具刃口強(qiáng)度、斷屑情況以及具體的切削狀態(tài)，為了較大程度地保護(hù)PCD刀具的切削刃，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以在保證切屑能夠順利流入斷屑槽的前提下，適當(dāng)增大斷屑槽的棱帶寬度b，通過(guò)式(8)計(jì)算出合適的棱帶寬度b值。

(2)在確定b值的基礎(chǔ)上，在僅有棱帶參與切削的條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到傾角θ的取值范圍。

(3)根據(jù)確定的θ值，通過(guò)式(20)可以計(jì)算出槽寬W的取值。

(4)利用已得確定的傾角θ和槽寬W，通過(guò)幾何關(guān)系推導(dǎo)出反屑角β的計(jì)算方法，利用式(21)計(jì)算反屑角β的值。

(5)通過(guò)仿真得到易于切屑流向工件且發(fā)生折斷的反屑面轉(zhuǎn)角υ的取值范圍。

(6)因?yàn)閿嘈疾鄄蹖扺對(duì)其他斷屑槽尺寸參數(shù)均無(wú)影響，故以理論計(jì)算的斷屑槽槽寬W為參考，結(jié)合確定的棱帶寬度b、傾角θ、反屑角β和反屑面轉(zhuǎn)角υ，調(diào)整斷屑槽槽寬W和W1尺寸。

按照上述方法，得到了PCD斷屑槽的尺寸參數(shù)：棱帶寬度b在0.06～0.23 mm范圍，傾角θ=18.4°，斷屑槽槽寬W=1.12 mm，W1=1.245 mm，反屑角β=50°，反屑面轉(zhuǎn)角υ=3°。通過(guò)切削仿真模擬發(fā)現(xiàn)此槽型參數(shù)并不能有效斷屑，此時(shí)需要調(diào)整槽寬W。以W=1.12 mm為初始值，單位變量為0.01 mm進(jìn)行切削仿真。當(dāng)W=0.95 mm時(shí)，仿真結(jié)果顯示PCD的斷屑槽可以斷屑，由于仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果均具有參考意義且兩值相差不大，因此，取仿真和理論的平均值W=1.04 mm，再根據(jù)式(22)計(jì)算出新的斷屑槽槽寬W1=1.165 mm，即可確定斷屑槽的槽型。

鋁合金車削實(shí)驗(yàn)的切削用量參數(shù)：f為0.05～0.30 mm/r，ap為0.5～1 mm，vc為125 m/min。表6所示為無(wú)斷屑槽PCD刀具的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在各種切削用量下切屑均無(wú)法折斷。表7所示為帶有斷屑槽的PCD刀具產(chǎn)生的切屑，斷屑的切削用量范圍明顯大于無(wú)斷屑槽PCD刀具。當(dāng)進(jìn)給量f為0.1～0.3 mm/r時(shí)，斷屑效果良好，且多數(shù)呈C型屑。本文所設(shè)計(jì)的上述斷屑槽槽型的適用切削用量參數(shù)范圍：f為0.10 ～0.30 mm/r，ap為0.5 ～1 mm。

表6 無(wú)斷屑槽PCD刀具斷屑效果

表7 帶有斷屑槽PCD刀具斷屑效果

4 結(jié)論

本文根據(jù)切屑折斷過(guò)程建立了PCD刀具棱帶寬度的計(jì)算公式；通過(guò)切削過(guò)程的有限元仿真，獲得了斷屑槽傾角的取值范圍；根據(jù)切削幾何關(guān)系和切屑折斷機(jī)理建立了斷屑槽的反屑角公式；考慮切屑流向，通過(guò)切削有限元仿真確定了反屑面轉(zhuǎn)角的取值范圍。本文提出了一種PCD刀具斷屑槽尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的斷屑槽能夠擴(kuò)大PCD刀具斷屑的切削用量范圍，具有良好的斷屑效果。本文提出的PCD刀具斷屑槽尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)方法是可行的。