何耿煌+++吳沖++劉獻(xiàn)禮++張守全++鄒伶俐

摘要：可轉(zhuǎn)位刀片斷屑槽具有促進(jìn)切屑卷曲、折斷和保護(hù)刀具的作用.在切削過(guò)程中，斷屑槽通過(guò)對(duì)切削力、切削溫度和切屑形態(tài)的影響，進(jìn)而間接影響刀片的使用壽命.通過(guò)對(duì)具有多種斷屑槽槽型的同一種刀片進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用高速攝影機(jī)分析切削區(qū)域切屑產(chǎn)生、流出、卷曲和折斷過(guò)程.通過(guò)磨損測(cè)量?jī)x觀測(cè)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(guò)三維受力分析儀采集切削過(guò)程中的振動(dòng)和切削力，揭示斷屑槽對(duì)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(jìn)給量對(duì)切屑折斷的作用機(jī)制.研究數(shù)據(jù)以期為斷屑槽設(shè)計(jì)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(lèi)號(hào)：TG501

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683 （2015）03-0013-06

O 引 言

金屬切削過(guò)程中，切屑的流出形態(tài)對(duì)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(guò)程自動(dòng)化程度的提高，切削韌性較高的金屬工件時(shí)能否斷屑已經(jīng)成為生產(chǎn)中的關(guān)鍵性問(wèn)題.因?yàn)榍行祭p繞在工件和刀具上，不僅會(huì)劃傷工件已加工表面，而且會(huì)造成刀具過(guò)早磨損與破碎.為了滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的需求，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從事切削過(guò)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(jī)理取得一定的進(jìn)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(gè)主要的影響因素便是刀片斷屑槽，斷屑槽對(duì)切屑具有導(dǎo)向功能，當(dāng)切屑離開(kāi)塑性變形區(qū)時(shí)，斷屑槽的反屑面可給切屑一個(gè)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(zhǎng)度并最終折斷.之所以對(duì)金屬切削過(guò)程中切屑的形成與控制如此重視，其原因主要有：

1）倘若無(wú)法獲得理想的切屑，那么不僅會(huì)影響刀具性能的發(fā)揮，而且會(huì)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(gè)切屑所占的體積與切削工件材料所占體積的比值，國(guó)外學(xué)者E.K.Hendriksen用R來(lái)表示容積比.例如，常規(guī)切削過(guò)程中長(zhǎng)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(duì)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(lái)解決切屑的折斷問(wèn)題.而針對(duì)可轉(zhuǎn)位刀片上自帶斷屑槽的研究尚不夠充分，因此對(duì)可轉(zhuǎn)位刀片斷屑槽斷屑機(jī)理的研究及其優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)促進(jìn)控屑技術(shù)的發(fā)展具有十分積極的實(shí)際意義.

1 切削過(guò)程中的切屑

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

目前，將金屬切削過(guò)程產(chǎn)生的切屑按其形狀大致可分為9個(gè)類(lèi)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(zhǎng)緊卷屑）.這種切屑各點(diǎn)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(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)研究分為基礎(chǔ)切削實(shí)驗(yàn)和技術(shù)分析實(shí)驗(yàn)，其中，基礎(chǔ)切削實(shí)驗(yàn)主要分析斷屑槽幾何參數(shù)對(duì)切屑流出的影響；技術(shù)分析實(shí)驗(yàn)主要有兩方面的內(nèi)容：

1）進(jìn)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)斷屑槽進(jìn)行研究，以?xún)?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(jì)提供技術(shù)支撐.

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)方法

1）實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)刀具為：標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)工件為：45鋼，硬度為HB180.實(shí)驗(yàn)設(shè)備：CA6140車(chē)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(jī).

2）實(shí)驗(yàn)方法

初步對(duì)各種斷屑槽進(jìn)行斷屑性能實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)給量f=0.2 mm/r和f=1.0 mm/r兩種條件下進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn).其中，進(jìn)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(jìn)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(gè)實(shí)驗(yàn)的方法是：vc保持不變，改變進(jìn)給量f的數(shù)值，從而分析不同斷屑槽成功斷屑的進(jìn)給量f最小臨界值；第2個(gè)實(shí)驗(yàn)的方法是：vc保持不變，在進(jìn)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(guò)程中，切削深度ap對(duì)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(shí)驗(yàn)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?shí)驗(yàn)的干擾，實(shí)驗(yàn)選用的切削深度ap=2.5 mm，并且所有切削實(shí)驗(yàn)都采用這個(gè)切削深度（高速攝影拍攝除外）.

2.2基礎(chǔ)性切削實(shí)驗(yàn)

在基礎(chǔ)切削實(shí)驗(yàn)中，采用個(gè)硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片為T(mén)CMG120408，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(shí)驗(yàn)主要分析斷屑槽幾何參數(shù)對(duì)其切屑的卷曲流出的影響，應(yīng)用高速攝影機(jī)采集切屑卷曲折斷過(guò)程（如圖4所示），槽型幾何參數(shù)及定義如圖3所示.實(shí)驗(yàn)選用切削參數(shù)組合為： 需要測(cè)量的切削力如圖5所示.

通過(guò)基礎(chǔ)性切削實(shí)驗(yàn)過(guò)程高速攝影機(jī)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(kāi)前刀面之前可能與斷屑槽底部沒(méi)有充分的接觸，這對(duì)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(jī)械強(qiáng)度.切削過(guò)程中，由于刀片切削刃的磨損，棱邊會(huì)逐漸減小，因此在設(shè)計(jì)刀片棱邊的時(shí)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(shí)將失去斷屑作用；深度過(guò)大又會(huì)降低刀片的整體機(jī)械強(qiáng)度.因此，綜合兩方面的因素，實(shí)驗(yàn)選取的刀片斷屑槽深度推薦值為0.2 mm左右.

3）過(guò)度斷屑，切削力增加.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，過(guò)度斷屑瞬間檢測(cè)到的切削力會(huì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)

1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康募胺椒?/p>

技術(shù)分析實(shí)驗(yàn)主要有兩個(gè)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(duì)切削力的影響，從而獲得切削力最小的最佳槽型.最終通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，評(píng)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(shí)驗(yàn)采用因素分析法進(jìn)行研究，設(shè)斷屑槽型為第1因素，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用兩種恒定的切削速度，因此第三因素T3=2.那么，每個(gè)刀片應(yīng)做的實(shí)驗(yàn)次數(shù)為：T1×T2×T3=10x3x2=60.實(shí)驗(yàn)選定的斷屑槽型幾何形狀如圖6所示，并分別對(duì)其進(jìn)行編號(hào).數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法采用隨機(jī)化，隨機(jī)方程為： 式中：y為最小進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

斷屑槽性能分析實(shí)驗(yàn)兩階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表2和表3所示.

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

①第1部分?jǐn)嘈疾坌阅芊治鰧?shí)驗(yàn)

對(duì)各種斷屑槽型的可斷屑廠最小臨界值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做方差分析，極限進(jìn)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(jì)分析誤差為0.01左右.根據(jù)文的觀點(diǎn)：切削速度vc對(duì)切屑折斷的影響遠(yuǎn)沒(méi)有進(jìn)給量的影響來(lái)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(gè)具有積極意義的研究課題.文證實(shí)：可斷屑f最小臨界值取決于刀片斷屑槽型，切削實(shí)驗(yàn)表明，除了第Ⅱ號(hào)刀片的斷屑槽外，最好的斷屑槽是第Ⅳ號(hào)刀片（如圖7所示）.

②第2部分?jǐn)嘈疾坌阅芊治鰧?shí)驗(yàn)

研究不同槽型對(duì)切削力的影響，在大進(jìn)給量條件下對(duì)切削分析與切削合力進(jìn)行偏差分析，以及對(duì)分力的夾角a和β進(jìn)行數(shù)學(xué)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)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(gè)因素對(duì)切削合力有較為顯著的作用，

通過(guò)對(duì)兩部分切削實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析，可知：刀片斷屑槽槽型對(duì)切削過(guò)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(hào)刀片的槽型切削力較大，實(shí)際切削過(guò)程中應(yīng)當(dāng)以低切削力槽型為優(yōu)選對(duì)象，

實(shí)驗(yàn)綜合分析表明，斷屑槽反屑角較大時(shí)，切屑折斷需要更大的載荷，雖然其可斷屑進(jìn)給量很小，但切削過(guò)程中刀具的磨損會(huì)比較大，影響刀具的使用壽命

3 結(jié) 論

本文在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行分步驟切削實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)同一種幾何結(jié)構(gòu)不同槽型可轉(zhuǎn)位車(chē)刀片在斷屑性能和切削力兩方面進(jìn)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(duì)切屑折斷的影響效果沒(méi)有進(jìn)給量f對(duì)切屑折斷的影響效果明顯，即：進(jìn)給量f在此切削參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)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(jìn)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(jì)可轉(zhuǎn)位刀片的時(shí)候，斷屑槽的設(shè)計(jì)尤為重要，合理的斷屑槽幾何結(jié)構(gòu)能有效降低切削過(guò)程中的切削力；

3）刀片斷屑槽深度對(duì)切屑折斷的影響，沒(méi)有斷屑槽棱邊值對(duì)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(shí)，對(duì)切屑折斷的影響作用才會(huì)顯現(xiàn)，同時(shí)斷屑槽的深度會(huì)影響刀片的整體強(qiáng)度，因此，可轉(zhuǎn)位斷屑槽設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過(guò)強(qiáng)度理論計(jì)算刀片的整體強(qiáng)度，綜合所切削的工件材料來(lái)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(jì)成平面，同時(shí)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(shí)可以降低刀一屑間的摩擦強(qiáng)度，從而從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上減少切削熱的產(chǎn)生，