張青生

（中國(guó)工程物理研究院材料研究所，四川綿陽(yáng)621907）

難切削材料數(shù)控加工自動(dòng)斷屑方法

張青生

（中國(guó)工程物理研究院材料研究所，四川綿陽(yáng)621907）

不銹鋼、鈦合金等難切削材料的斷屑問(wèn)題直接影響加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在充分認(rèn)識(shí)切屑形成過(guò)程的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)控加工自動(dòng)斷屑方法進(jìn)行了歸納，在比較自動(dòng)斷屑方案的基礎(chǔ)上，利用高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法對(duì)某鎳基合金的數(shù)控車(chē)削實(shí)現(xiàn)了較好的斷屑效果。

難切削材料；數(shù)控加工；自動(dòng)斷屑

不銹鋼、鈦合金等難切削材料在兵器工業(yè)、航空工業(yè)中廣泛應(yīng)用，但隨著機(jī)械加工數(shù)控化的普及，切削過(guò)程中的斷屑問(wèn)題日益凸顯。在數(shù)控加工過(guò)程中，這些難切削材料切屑的形成和折斷過(guò)程極其復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)切屑纏繞刀具和工件的現(xiàn)象，破壞精加工后零件的表面質(zhì)量，影響刀具使用壽命，并且不利于保證加工人員的操作安全性，限制了自動(dòng)化加工效率[1]。

針對(duì)難切削材料加工過(guò)程中的斷屑問(wèn)題，在充分認(rèn)識(shí)切屑形成過(guò)程的基礎(chǔ)上，從加工設(shè)備、切削刀具、切削參數(shù)、附加裝置等方面對(duì)數(shù)控加工自動(dòng)斷屑方法進(jìn)行了歸納，在比較自動(dòng)斷屑方案的基礎(chǔ)上，利用高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法對(duì)某鎳基合金的數(shù)控車(chē)削實(shí)現(xiàn)了較好的斷屑效果。

1 切屑形成過(guò)程

大多難切削材料屬于塑性好、屈服強(qiáng)度高的金屬材料，切削過(guò)程如圖1所示，刀具作用范圍內(nèi)的切削層可劃分為三個(gè)變形區(qū)。切削過(guò)程中切屑的變形，主要表現(xiàn)在切削層金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榍行紩r(shí)的變形，即Ⅰ、Ⅱ區(qū)域的變形。切削層金屬在外力作用下，靠近切削刃時(shí)產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)與刀刃的距離更近時(shí)，變形逐漸增大，應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限，產(chǎn)生塑性變形，金屬內(nèi)部晶格發(fā)生畸變和滑移。如果變形程度超過(guò)斷裂變形，切屑就會(huì)產(chǎn)生裂紋，直至折斷。

圖1 切削過(guò)程示意圖

在粗加工中，通過(guò)調(diào)整切屑速度、切削深度并使用冷卻液，能夠很好地改善車(chē)削斷屑性能。但是在精加工中，進(jìn)給速度、切屑深度較小，切屑一般呈現(xiàn)長(zhǎng)條帶狀，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)米，自動(dòng)斷屑性能很差。

2 自動(dòng)斷屑方法

從加工設(shè)備、切削刀具、切削參數(shù)、附加裝置等應(yīng)用于切屑控制的情況來(lái)看，常用的自動(dòng)斷屑方法有振動(dòng)斷屑法、變進(jìn)給量斷屑法、預(yù)制斷屑溝槽斷屑法、斷屑槽斷屑法、斷屑器斷屑法、刀具參數(shù)優(yōu)化斷屑法、高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法等。

振動(dòng)斷屑法有意適當(dāng)減小刀具的剛度，使切削過(guò)程中刀具產(chǎn)生自激振動(dòng)，刀具切入工件的深度發(fā)生有規(guī)律的變化，產(chǎn)生粒狀、塊狀或C形的切屑，達(dá)到斷屑和排屑的目的[2]。變進(jìn)給量斷屑法周期性改變切屑厚度而自動(dòng)斷屑，對(duì)加工過(guò)程的平穩(wěn)性不利[3]。預(yù)先在被加工工件表面上開(kāi)槽，使切屑在切削過(guò)程中按預(yù)定的長(zhǎng)度和方向斷屑。對(duì)于外圓加工可在待加工表面上銑出一定深度和寬度的直槽或斜槽。由于此種斷屑方法須附加開(kāi)槽工序，加工過(guò)程有一定的沖擊，可能對(duì)已加工表面產(chǎn)生不良影響等，不宜多采用[4]。

斷屑槽在自動(dòng)斷屑中應(yīng)用較多，主要有二維斷屑槽和三維斷屑槽。二維斷屑槽中直線形、直線圓弧形斷屑槽適用于碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼的加工，而全圓弧形斷屑槽用于切削紫銅、不銹鋼等高塑性材料[5，6]，為適應(yīng)更多材料的加工，三維斷屑槽應(yīng)用越來(lái)越廣。斷屑器作為附加裝置安裝在刀具上，可以增大切屑的基本變形，與切屑槽有異曲同工之處。刀具參數(shù)對(duì)切屑的形態(tài)有一定影響，刀具的前角越大，切削的連續(xù)性越強(qiáng)，前角為負(fù)值時(shí)，斷屑效果提升，刀具的主偏角和倒棱對(duì)切屑的形狀都有一定影響，特別是在精加工中調(diào)整切削參數(shù)將將對(duì)自動(dòng)斷屑起到作用。

高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法應(yīng)用到了飛流刀具系統(tǒng)，如圖2所示，山高刀具推出了全新的Jetstream ToolingR 飛流系統(tǒng)，可使冷卻液噴嘴非常貼近切削區(qū)域。飛流刀具系統(tǒng)非常巧妙地在刀夾的旋轉(zhuǎn)頂部壓塊中放置了冷卻通道，冷卻液壓力、流量和通道的小孔徑，均可促使猛烈的高速冷卻液流輕松穿透并潤(rùn)滑緊靠切削刃后方的主要發(fā)熱區(qū)域。在非?？拷邢魅械奈恢?，配置一個(gè)冷卻液楔塊，可以獲得最佳的冷卻和斷屑效果。

圖2 Jetstream ToolingR 飛流刀具系統(tǒng)

3 自動(dòng)斷屑方法的應(yīng)用

3.1斷屑方法比較

表1對(duì)常用的斷屑方法進(jìn)行了比較。振動(dòng)斷屑法、變進(jìn)給量斷屑法、預(yù)制斷屑溝槽斷屑法是較為傳統(tǒng)的方法，加工過(guò)程中精度穩(wěn)定性差。斷屑槽斷屑法、斷屑器斷屑法、刀具參數(shù)優(yōu)化斷屑法應(yīng)用成熟，但對(duì)于不銹鋼、鈦合金等難切削材料的數(shù)控加工，特別是數(shù)控車(chē)削，自動(dòng)斷屑效果不明顯。高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法是最近經(jīng)常使用的斷屑方法，適用于數(shù)控車(chē)削、銑削過(guò)程中的冷卻潤(rùn)滑和自動(dòng)斷屑。

表1 斷屑方法比較

3.2 高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法的應(yīng)用

對(duì)于某鎳基合金的數(shù)控車(chē)削，進(jìn)行了高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法的實(shí)施。車(chē)削試樣為外徑120 mm、壁厚8 mm的管材，采用液壓卡盤(pán)裝夾，飛流刀具噴射切削液的壓力有三個(gè)水平0.25 MPa、4 MPa、8 MPa，主軸轉(zhuǎn)速600 r/min，背吃刀量0.5 mm，進(jìn)給量0.16 mm/r.圖3為三組試驗(yàn)的切屑形態(tài)，可以看出當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量和進(jìn)給量特定情況下，在0.25 MPa ~8 MPa范圍內(nèi)增加切削液壓力有利于提高該鎳基合金數(shù)控車(chē)削過(guò)程中的斷屑性能，切屑逐漸趨向于短卷屑的可控形態(tài)。

圖3 不同切削液壓力時(shí)的切屑形態(tài)

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于不銹鋼、鈦合金等難切削材料的數(shù)控加工自動(dòng)斷屑問(wèn)題，振動(dòng)斷屑法、變進(jìn)給量斷屑法、預(yù)制斷屑溝槽斷屑法等傳統(tǒng)方法已經(jīng)不宜使用在有一定精度要求的場(chǎng)合，斷屑槽斷屑法、斷屑器斷屑法、刀具參數(shù)優(yōu)化斷屑法在精加工中的斷屑效果不理想。將壓力為4 MPa左右的高壓冷卻液應(yīng)用在某鎳基合金的數(shù)控車(chē)削，切屑逐漸趨向于短卷屑的可控形態(tài)。

[1]陳金堂．車(chē)削過(guò)程中影響斷屑的因素及改進(jìn)措施[J]．金屬加工（冷加工），2014（10）：49-50．

[2]蔣鐵軍．車(chē)削加工振動(dòng)斷屑法[J]．機(jī)械工人，2000（12）：9．

[3]張克貴，周伯華，崔海斌，等．切削加工強(qiáng)制斷屑方法的研究與應(yīng)用[J]．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009（8）：88-90．

[4]趙麗杰，顧立志，常立祥．自動(dòng)線刀具斷屑方法的研究[J]．佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，18（4）：321-325．

[5]王大力．三維槽型斷屑機(jī)理及預(yù)報(bào)的研究[M]．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2005．

[6]劉二亮．三維復(fù)雜斷屑槽斷屑性能及斷屑預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007．

Methods of Swarf Breaking-up Automatically for Hard-to-cut Materials in NC Process

ZHANG Qing-sheng
（China Academy of Engineering Physics Institute of Materials，Mianyang Sichuan 621907，China）

For hard-to-cut materials，such as 1Cr18Ni9Ti and titanium alloy，swarf breaking-up becomes one of the issues which influence machining quality and manufacturing efficiency.Based on comprehensive understand of formation mechanisms of swarf，methods of swarf breaking-up automatically have been concluded. Then the solutions are compared，and by taking advantage of high-pressure cooling system swarf is broken up effectively in the numerical turning process as for Nickel-based alloys.

hard-to-cut materials；numerical process；swarf breaking-up automatically

TH162

A

1672-545X（2017）06-0065-02

2017-03-24

張青生（1963－），男，河南內(nèi)黃縣人，大專(zhuān)，主要從事特種材料機(jī)械加工。