切屑折斷分析及其直接斷屑技術(shù)的研究

何耿煌

摘要：金屬切削過程申，材料的去除是以切屑的形式完成的.切屑的形狀受切削條件，如：切削速度、切削深度、進(jìn)給量、工件材料以及刀具結(jié)構(gòu)等因素的影響，而切屑形狀又是影響工件加工效率的重要因素之一.首先將金屬切削過程中產(chǎn)生的切屑分為理想型切屑和非理想型切屑；通過河流沖刷理論，假設(shè)切屑流摩擦刀片前刀面形成月牙洼的設(shè)想，提出理想斷屑槽設(shè)計(jì)方法；通過切削實(shí)驗(yàn)，繪制斷屑槽斷屑特性曲線，從而揭示切削條件對(duì)切屑折斷的作用規(guī)律，并進(jìn)一步分析斷屑槽的各種斷屑機(jī)理.研究數(shù)據(jù)可為硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的設(shè)計(jì)提供借鑒.

關(guān)鍵詞：斷屑槽；直接斷屑技術(shù)；可轉(zhuǎn)位刀片；切屑折斷；斷屑范圍

DOI：10.15938/j.jhust.2016.01.002

中圖分類號(hào)：TC501 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-2683（2016）01-0006-07

0引言

金屬切削過程中，切屑的形狀是影響工件加工效率的重要因素之一.而控制切屑按照加工要求呈現(xiàn)出規(guī)律性的形狀是自動(dòng)化生產(chǎn)過程關(guān)鍵技術(shù)問題之一.隨著工件材料和切削參數(shù)的不同，切屑也出現(xiàn)各種形狀，由于影響切屑的因素繁多，很難找出一種能在各種切削條件下均能產(chǎn)生理想型切屑的斷屑槽，因此，研究切屑的斷屑機(jī)理，分析其卷曲與折斷規(guī)律性是非常有必要的.當(dāng)前，隨著機(jī)械制造業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)切屑折斷提出了更高的要求，因此，世界各國(guó)開發(fā)了各種類型的斷屑槽來進(jìn)行切屑控制，但對(duì)三維切削過程中切屑的折斷機(jī)理仍不夠完善，因而切屑控制問題依然沒能獲得很好的解決.雖然，機(jī)械加工行業(yè)廣泛通過斷屑槽來進(jìn)行切屑控制，但實(shí)際上每一種斷屑槽只能在一定切削參數(shù)范圍內(nèi)才能發(fā)揮其優(yōu)良的斷屑性能.因此，在切屑生成與折斷機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同斷屑槽型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終提出直接斷屑技術(shù)研究方法，對(duì)可轉(zhuǎn)位刀片的設(shè)計(jì)具有十分積極的現(xiàn)實(shí)意義.

1金屬切削過程中的切屑

1.1理想型切屑

1）方便清理.切削過程中，刀片沒有斷屑槽，或是斷屑器選擇不合理以及不同的切削參數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同形狀的切屑.外國(guó)學(xué)者K.Minato研究用參數(shù)T（s/kg）來描述真空吸除1kg切屑的速度，他認(rèn)為單位質(zhì)量切屑被吸除的時(shí)間越短，屑形越理想.根據(jù)他的研究，認(rèn)為“C”字形切屑是常規(guī)切削中最理想的切屑（超重型切削理想切屑是長(zhǎng)緊卷屑，如圖1所示）.

2）單位質(zhì)量切屑所占空間越小越好.國(guó)外學(xué)者E.K.Hendriksen用及來表示容積比，當(dāng)3≤R≤10時(shí)，切屑有較理想的形狀.根據(jù)K.Minato的研究當(dāng)及R≈3.7時(shí)，切屑具有最理想的形狀.

1.2切屑的主要形式

通過用平行刃斷屑槽做切削實(shí)驗(yàn)，獲得各種切屑形狀及其產(chǎn)生條件（如圖2所示）.由于切削參數(shù)不同，每種切削參數(shù)對(duì)應(yīng)的切屑，其機(jī)理也不一樣，因此，通常將金屬切削過程中切屑形式分為以下幾種類型：

1）RA型切屑（right angled）

在圖2左上角區(qū)域范圍內(nèi)的切屑為RA型切屑，這種切屑產(chǎn)生于二維切削過程，因此，無論采用什么種類的斷屑器或斷屑槽，該切屑的流向總是與刀片的切削刃垂直，流出切削區(qū)域后與工件碰撞，從而形成平面螺旋形式的斷屑.

2）BA型切屑（bevel angled）

在圖2下方位置沿進(jìn)給量.廠的狹長(zhǎng)區(qū)域范圍里的切屑為BA型切屑.這種切屑產(chǎn)生于小切削深度a_p和大進(jìn)給量/條件下的三維切削過程，呈三維變化的螺旋狀.流出切削區(qū)域后與刀片或刀體碰撞而發(fā)生折斷.

3）MT型切屑（mixed type）

在圖2中，在RA和BA兩種切屑產(chǎn)生區(qū)域之間的范圍內(nèi)所產(chǎn)生的切屑均為MT型切屑.這種切屑的產(chǎn)生條件與RA和BA兩種切屑的形成機(jī)理部分相似.不同是其流出后與工件待加工表面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦而折斷.

由于切削過程中切屑-刀具-工件存在摩擦力作用，不斷流出的切屑被拉長(zhǎng)，在切屑的某段橫截面處受剪切應(yīng)力作用，當(dāng)切屑被拉長(zhǎng)至極限位置時(shí)，且剪切應(yīng)力超過工件材料的臨界剪切應(yīng)力，切屑便會(huì)發(fā)生折斷.在這個(gè)切削參數(shù)范圍內(nèi)，無論減小切削深度a_p還是增加進(jìn)給量f，或是在減小切削深度a_p的同時(shí)增加進(jìn)給量f，切屑的螺距P₁均會(huì)變大.因此，初始刀-屑接觸點(diǎn)和斷裂點(diǎn)都會(huì)向e點(diǎn)方向移動(dòng)（如圖3所示）.

在MT和BA兩種切屑產(chǎn)生區(qū)域范圍內(nèi)的邊界處，被拉長(zhǎng)的切屑與e點(diǎn)接觸，所受剪切應(yīng)力超過工件材料臨界剪切應(yīng)力，在這種情況下，倘若減少切削深度a_p或增加進(jìn)給量f，均只能增大切屑的螺距P₁，而不能促進(jìn)切屑發(fā)生部分?jǐn)嗔?MT型切屑為混合型切屑，呈半斷狀態(tài)（通常由兩到四段切屑連接在一起），不是常規(guī)切削所要求的理想型切屑.當(dāng)在此切削參數(shù)條件下采用復(fù)式斷屑器進(jìn)行切削時(shí)，斷屑圖形中的RA與MT型切屑的邊界線為曲線狀；而在相同切削參數(shù)條件下采用直線斷屑槽或均勻的曲線斷屑槽進(jìn)行切削時(shí)，RA和MT型切屑的邊界線為直線狀，這是進(jìn)給量f和切削深度a_p，切削寬度a_w與切削厚度h_m之間為恒定比值關(guān)系的結(jié)果.

2直接斷屑技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前，切削過程中切屑折斷主要是通過斷屑器或斷屑槽對(duì)切屑進(jìn)行卷曲來完成的.斷屑器為安裝在刀具前刀面上輔助斷屑的工作模塊，屬于間接斷屑或輔助斷屑技術(shù)；斷屑槽是直接在刀片前刀面制成的凹槽（分為：壓制型和磨削型），屬于直接斷屑技術(shù)（如圖4所示）.與間接斷屑技術(shù)比較，直接斷屑技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：

1）優(yōu)點(diǎn)分析

①生產(chǎn)輔助時(shí)間短；②刀片不用重磨，直接轉(zhuǎn)位即可再次使用，有利于降低生產(chǎn)成本；③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，維護(hù)方便，不需要在刀具上附加零件，從而降低工人使用難度.