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数控刀具断屑槽几何参数对断屑性能的影响
2019-07-22 21:01
数控刀具断屑槽几何参数对断屑性能的影响研究
目前世界机械制造业正向自动化、高效化、高精度及无人化方向发展,而我国机械制造业的发展却始终受限于高档数控刀具的研发水平。2010 年在我国高档硬质合金数控刀具中,进口刀具占比达到90%以上。在数控刀具中,断屑的控制处理是设计难点,也是影响刀具整体性能的重要一环,刀具的断屑设置是为了控制切屑折断,断屑效果将直接影响零件的生产率、加工质量及设备、操作人员的安全。断屑性能差会导致很多问题,比如切屑过长且不断会缠绕在工 件上妨碍自动化加工进程,降低表面加工质量,限制机床加工性能,使生产无法正常进行。此外,断屑控制不良还会影响刀具和机床的使用寿命,增加辅助加工时间等; 且在自动化生产系统中,切屑的形式、质量将很大程度上影响加工工艺的稳定性,如带状切屑易划伤工件表面或打坏切削刃、C形屑影响表面粗糙度,以及崩碎屑易磨损机床滑动面。
为了拥有良好的断屑性能,出现了许多改善断屑效果的设备和方法,而其中设置断屑槽是最经济、最简易的方法。断屑槽的原理是基于材料的加工硬化作用和切屑受冲击、挤压变形后的应变大于或等于材料的断裂应变原理。设计优良的断屑槽可以控制切屑的流向、卷曲半径及断屑时间,使工件加工质量、加工效率和精度得到保障,还可以控制机床和工件振动、降低切削温度。
有无断屑槽切削过程对比如下图所示。由下图可知,在相同的切削参数、切削环境前提下,没有断屑槽的刀具切屑杂乱且缠绕在工件上,而有断屑槽的刀具断屑性能良好,由此可见断屑槽在切削过程中具有不可或缺的重要地位。


 
断屑槽发展历史
随着可转位刀具技术、粉末冶金技术的发展,断屑槽的槽型及其功能越来越复杂、丰富,除了传统的直槽、斜槽及曲线刃等基本槽型外,还出现了各种形状的凸起、凹坑和曲面槽等槽型。对断屑槽槽型的历史发展阶段进行总结,可分为 4 个阶段[17-19],即月牙洼式断屑槽阶段、障碍型断屑器阶段、断屑方向研究阶段及三维断屑槽阶段,如图 2 所示。


在50 年代,切削加工时刀具前刀面出现月牙洼会使切屑折断更容易,受此启发,人们会在刀具前刀面84
预先磨出类似于月牙洼的槽形,以便于切屑折断; 或者在刀具前刀面增加一额外断屑装置,一般称这 2 种断屑方式分别为传统型断屑槽及障碍型断屑器。由 于此时断屑理论还不够完善,人们普遍采用“试切法” 设计槽型,效率很低。
在 60 年代,此时的槽型设计集中在对于传统型断屑槽和障碍型断屑器的分析比较和优化完善上, 断屑槽槽型对切屑形状尺寸的影响得到了关注并进 行了大量研究,使切屑在更宽的切削用量范围内发生折断。
在 70 年代,随着模压成型技术的成熟,槽型加工改变其传统的砂轮刃磨方式,槽型设计更复杂、功能  更全。此时槽型设计主要考虑切屑流向及加工过程 能源损耗的减少,出现的典型槽形结构有倾斜槽型、棱带角设计等。
进入 80 年代后期,三维复杂断屑槽快速发展,相比于传统二维断屑槽,其大大增加了刀具寿命和可靠性,减轻了机床和工件的振动,降低了加工温度并可提高工件的加工质量。三维断屑槽形式丰富,主要有双级槽形、波型刃等。并且得益于三维断屑槽的发展,数控仿形加工应用也不断增强。例如,在车削球形工件外圆时,三维断屑槽刀具可以保证车削整个过程拥有较高的加工精度,三维断屑槽车刀车削工件示意如图 3 所示。

断屑槽设计存在的问题
随着断屑槽及相关技术的发展,槽型更复杂、功能更丰富的三维断屑槽开始引起人们的关注,其可使切削刃和断屑槽的边缘不局限于直线型,出屑角范围大大提升,同时可增加切屑变形种类。而随着时间推移,近年来,刀具断屑槽槽型设计在前人设计基础上逐步呈现以下特点,即采用较窄的前刀面棱带、前刀面设置凸起、采用曲线切削刃及后壁提升高度等。
但就目前断屑槽的设计而言,仍存在一些问题, 比如断屑槽槽型通用性较差,任何一种刀具的槽型都是在一定的切削工艺参数范围内才能发挥最好效果, 且设计复杂,即针对不同的加工材料、精度要求及加 工参数选择,都会有不同的断屑槽几何参数及精度设 计要求,大多情况下需要定制化设计。
因此本文按照断屑槽的形状进行分类,阐述几何参数对切屑形成的影响,并从中筛选出特殊槽型设计的优点,最后基于切屑的卷屑半径研究不同几何参数对断屑效果的影响趋势。
断屑槽槽型分类、几何参数及其对切屑形成的影响
3. 1 断屑槽槽型分类
传统断屑槽可分为直线型、圆弧型和直线圆弧型种,槽型结构示意图如图 4 所示。

断屑效果在一定程度上可以使用切屑的卷曲半径来衡量。且断屑槽槽型曲率越小,切屑的卷曲半径就越小,切屑变形量就越大,更容易发生折断[19]。
直线圆弧型断屑槽由 1 段直线和 1 段圆弧连接而成。直线部分用来引导切屑排出,后一段圆弧使切屑卷曲,进而发生变形、折断。圆弧部分直径越小,切屑越容易折断。
直线型断屑槽由 2 段直线相交而成,其槽底角为断屑台楔角的补角。槽底角在图 4b 所示模型中代替了图 4a 和图 4c 这 2 种模型中槽底圆弧半径 R 的作
用,即切屑将在2   段直线相交处之前碰到后槽面,碰到
后槽面直接卷曲变形,此时槽底角越小,切屑曲率和卷曲半径越小,切屑越容易折断。
圆弧型断屑槽相比于前两者而言,其前角相对较 大,前角的增大意味着切屑卷曲半径减小,切屑的变 形量就越大,越容易折断,因此多用于切削紫铜等高 塑性材料。并且,由于其全圆弧结构,槽深相对较小, 流屑更通畅,在工程中实用性更好。
2 影响因素
为使断屑槽具有较宽的断屑使用范围及更优秀的断屑性能,在断屑槽设计时,普遍采用较窄的前刀面棱带、设置前刀面凸起物、采用曲线切削刃、采用曲面前刀面,以及后壁提升高度等方式。
断屑性能影响因素如图 5 所示。

 
由图5 可知,工件材料影响其加工方式、切削用量及刀具角度选择,而这 4 个因素又共同影响材料的断屑性能及切屑形状[20-22]。而断屑槽影响着刀具角度,同时又是切屑折断的关键,因此对断屑槽参数进行研究大有裨益。
 
断屑槽槽型基本结构图如图 6 所示。
 
本文以直线圆弧型断屑槽为例说明断屑槽几何参数对断屑性能的影响。图 6 中,br 为负倒棱宽度; Wn 为主切削刃断屑槽的法向槽宽( 简称槽宽) ; γ0 为断屑槽刀具前角( 简称前角) ; γ1 为负倒棱前角; h 为刃口高度; H 为断屑槽的深度( 简称槽深) 。
图6   中各个参数的改变会直接影响断屑槽的槽型及其断屑性能。综合文献[5]及文献[23] ~  文献
[26]可得出以下结论
设置负倒棱可增强刀尖强度,负倒棱宽度越大,刀尖越钝,切削力越大; 负倒棱宽度过小则会导致刀尖强度变差,影响刀具寿命,因此负倒棱宽度存在一个最优值。
断屑槽刀具前角越大,切屑变形量越大,其卷曲半径越小,切屑越容易折断。
槽宽和槽深是影响断屑的主要因素,在设计断屑槽槽型时,槽宽与槽深对切屑折断的影响是相互关联的,在选择槽型几何参数时,通常将槽宽与槽深之比作为一个参数来考虑。一般来说,槽宽过大切屑不易折断,而过小易造成切屑堵塞,因此在粗加工时可选用较大的槽宽,精加工时可选用较小的槽宽,槽深在槽宽确定的前提下,选择较小的数值。
刃口高度对断屑性能的影响同样受槽深的影 响,在相同的槽深下,减小刃口高度则会使前角增大, 导致切屑变形量减小、切削力减小、切屑不易折断,以  及刀具刃口强度降低; 若增大刃口高度,会使槽背对切屑的阻碍加强,使切屑更易折断。
反屑角是槽背的切线与刀具前刀面之间的夹角,反屑角越大,切屑越容易折断。
除了断屑槽刀具前角对断屑性能影响较大,其他角度参数对断屑性能亦有一定的影响,其中影响最大的就是主偏角和刃倾角,主偏角主要影响的是切削的厚度和宽度,当主偏角增大,会使切屑变得窄而厚,切屑更易折断。
刃倾角主要影响切屑的流出方向,刃倾角大于零,切屑则流向待加工表面,可用于精加工; 刃倾角小于零,切屑流向已加工表面,影响表面加工质量。综合考虑刀具尺寸,刃倾角一般选取 5° ~ 15°。
槽型统计及特殊设计槽型
本文选择目前市场上市场占有率较高的8    家企业( 三菱、京瓷、住友、戴杰、山特维克、克洛伊、特固克及瓦尔特) 的硬质合金( 后角为 0°) 刀具,根据其几何形状分类,可得到9 类基本槽型及其设计特点分析汇总, 如表 1 所示
 
在表 1 列举的 9 类基本槽型中,有 4 种槽型结构是在以往槽型的基础上做出改变,使之具有了更良好的断屑性能,4 种典型槽型结构如图 7 所示,图 7 中为每种槽型列举出的一个经典案例。

 
图 7a 中的槽型为直线圆弧型( 双槽型) ,相比于传统凹曲面直线圆弧槽型,该结构将槽背圆弧部分对称设置,即将槽背作为凸面弹性挡圈,进给量较刚性挡圈大。采用这种槽型,切屑在横截面方向与断屑槽接触面积较小,且相比于传统凹曲面断屑槽,其切屑卷曲半径较小,更利于断屑。同时,凸曲面可以增大切屑的侧向卷曲,使切屑变形量增大,更利于断屑。
图 7b 中的槽型为双圆弧结构型,双圆弧结构的特点在于槽背末端设置小的凸面弹性挡圈,圆弧结构槽型前端使前角由大到小排列。相比于直线结构而言,考虑到小前角会使切屑变形量增大,进而使切削易折断,即槽型前端的圆弧结构更利于断屑,因此在槽背部分不必设置过大的凸面弹性挡圈,只需在尾部设置一个小凸面,即可达到类似的效果。
图 7c 中的槽型为直线平底结构型,传统的直线尖底结构槽底部分应力集中,影响刀尖强度,而将其改为平底结构,可以克服刀尖强度低的问题。并且,由于是平底结构,可以设置比尖底结构更大的前角,由此实现减小切削力、降低切削温度的目的,因此该结
构比较适合于切削塑性材料。
图 7d 中的槽型为双槽直线结构型,双槽直线结构拥有 2 个槽,属于双槽结构。考虑到粗加工为保证效率需要较大的进给量和切削深度,而精加工为保证 优良的加工精度需要较小的槽宽和适当的槽深,因此 设计的双槽结构,当精加工时切屑在第1 个深槽断屑, 粗加工时在第2 个槽断屑。这种结构的断屑槽优势在于其复合结构所带来的多加工范围。
除上述所提及的设计外,还有许多特殊结构的槽 型设计,同时也可以在传统槽形的基础上增加更多、更符合具体情况的设计,使其更具有制造工艺性。
例如,在三维断屑槽槽型设计时将切削刃设计成曲线或者波形刃( 如东芝公司的 37 型断屑槽、SAND- VIK 公司的 PF 型断屑槽) ; 或将传统凹曲面反屑面改为凸曲面( 如住友公司的 GH 型断屑槽、SANDVIK 公司的 MM 型断屑槽) ,达到弹性挡屑及大进给量时不易出现过断屑的目的; 再或者采用减摩擦结构设计等方法。本文给出了 2 种典型的特殊设计的断屑槽槽型,如图 8 所示


5、断屑效果评价
切屑的卷曲半径是一个通用的断屑效果衡量标准。切屑的卷曲有二维卷曲和三维卷曲  2  种形式,其中二维卷曲主要有向上卷曲与侧向卷曲  2  种,目前关于二维向上卷曲理论已有大量研究。
文献[27]~ 文献[30]对直线型、直线圆弧型断屑槽槽型切屑卷曲半径进行了预测。直线型槽型卷屑示意图如图 9 所示,凸曲面槽型卷屑示意图如图 10 所示,直线圆弧型槽型卷屑示意图如图 11 所示

在直线型槽型中,当 Ln > Lb 时的切屑卷曲半径R0 为

式中: lf 为刀屑接触长度,其与槽宽有关系; 其余几何 参数如图 9 和图 11 中所示。
其中:
lf = βWn
式中: 参数 β 的取值需根据具体情况确定,当切削速 度上升时,刀屑接触长度变大,此时参数 β 的取值需要增大[31]。
 
 
总结来说,前角增大,槽宽减小,会导致切屑卷曲半径减小。参数 β 的具体取值,需要根据具体情况确定。
而观察式( 1) ~ 式( 4) 可以发现,4 个公式中切屑卷曲半径的值基本只与槽宽和前角 2 个系数相关,而与其他系数关系并没有在式( 1) ~ 式( 4) 中表现出来,其原因在于以下 3 个方面。
负倒棱长度影响刀尖强度,存在一个最优值, 其对刀具寿命影响更大,通常不同刀具槽形设计都会 有其相应的最优值。同时,部分刀具没有负倒棱,因 此在讨论切屑卷曲半径时没有出现在公式中。
刃口高度的改变会影响前角的大小,并呈现一定线性关系,因此可以通过前角的改变对切屑卷曲半径的影响来凸显出刃口高度对切屑卷曲半径的影响。
槽宽和槽深通常作为一个整体来讨论,槽宽与槽深的比值通常在一定范围内波动,即针对不同槽型存在一个最优值,因此槽宽的变化即代表着槽深也在
相应的变化。
由于较小的切屑卷曲半径使得断屑更加方便,因此,在设计槽形时可以选择较大的前角和较小的槽深来使切屑卷曲半径增大,但同时需要注意切屑卷曲半径不能过大。
结语
断屑槽结构参数的不唯一性,即多个几何参数的组合产生一个较优的断屑效果,断屑性能的优良取决于多个参数的共同作用。
断屑槽的基本参数包括前角、槽宽、槽深和刃口高度,附属结构包括负倒棱长度等,对断屑性能的影响值得关注。
断屑槽是基于改变切屑卷曲半径来提升断屑 性能的,因此,在利用切屑卷曲半径来衡量断屑性能  时,本文通过对前人总结的经验公式进行对比之后, 得出结论: 切屑卷曲半径与槽宽成正比,与前角成反比,即较小的槽宽和较大的前角有利于断屑。
 
 
 

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