1、對采用新型斷屑槽的幾何參數(shù)對斷屑性能的影響Ning Fang Department of Mechanical Engineering, Nanjing Uni6ersity of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu 210016, Peoples Republic of China摘要目前，隨著柔性制造系統(tǒng)（FMS）的越來越廣泛的應用，計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）等現(xiàn)代技術(shù)廣泛采用可轉(zhuǎn)位刀具刀片與新型斷屑槽。刀片的斷屑性能被認為是保證加工過程連續(xù)性的重要因素之一。因此，當使用的新型斷屑槽時，有必要較為系統(tǒng)和全面地研究斷屑的規(guī)律。在目前的研究中，已經(jīng)對

2、非對稱斷屑槽（AGT）和對稱斷屑槽（SGT）的斷屑性能做了詳細的比較。實驗結(jié)果表明，用AGT來代替SGT并在加工過程中調(diào)查斷屑的規(guī)律是可行的。采用新型斷屑槽時，通過大量的切削實驗研究斷屑槽的幾何參數(shù)對刀片斷屑性能的影響。通過多元線性回歸的方法，建立兩個數(shù)學模型來模擬的新型斷屑槽的斷屑性能。該理論模擬結(jié)果與給定切削條件下的實驗結(jié)果相吻合。 關(guān)鍵詞：不對稱斷屑槽；對稱斷屑槽；刀片；斷屑 1.引言如今，生產(chǎn)自動化隨著現(xiàn)代技術(shù)的出現(xiàn)而日趨復雜，例如，各種的高速機床，組合機床，數(shù)控機床，自動生產(chǎn)線，柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）等。因此可轉(zhuǎn)位刀片得到廣泛的應用。刀片的優(yōu)良斷屑性能

3、被視為維持加工過程的連續(xù)性的重要因素之一。可轉(zhuǎn)位刀片的前刀面上設壓切屑槽是斷屑的有效方法之一。許多研究人員已對斷屑槽的幾何參數(shù)對刀具刀片的斷屑性能的影響進行過研究1-7。盡管過去的研究對實驗做出了顯著貢獻，但他們還是存在以下這些缺點：(i) 現(xiàn)存在大量分散而不系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)。例如，在斷屑槽的眾多幾何參數(shù)中只有槽寬和槽深，被認為是影響切屑卷曲半徑和斷屑的主要因素。 (ii)早期的實驗數(shù)據(jù)已經(jīng)過時。過去的許多研究活動集中于使用斷屑槽寬通常超過3毫米的老式的斷屑槽。而新型斷屑槽與老式相比有許多不同的幾何特征，因此，那些珍貴的研究結(jié)果對研究新型斷屑槽毫無用處。(iii)新型斷屑槽的設計而產(chǎn)生的問題仍待

4、解決。例如，目前仍然不能確定斷屑槽的一些幾何參數(shù)（如槽底面的高度和凹槽的寬深之比）是否有存在對刀片斷屑性能的影響。因此，本研究的目的是為了彌補上述研究的不足和滿足發(fā)展現(xiàn)代新型斷屑性能的要求。使用新型斷屑槽時，在斷屑槽的幾何參數(shù)對刀片斷屑性能的影響進行了較為系統(tǒng)和全面的研究。2. 兩種斷屑槽的對比實驗2.1. AGT和SGT的概念在眾多的斷屑槽中，最常見是溝槽型和阻塞型8。位于刀具前刀面的斷屑槽的手段的溝型斷屑槽斷片。溝槽型斷屑的效果是通過設置在前刀面的斷屑溝槽來實現(xiàn)的。所用的斷屑槽可通過研磨或通過壓制和燒結(jié)制成。阻塞型斷屑槽通過在刀片前刀面設置障礙物來斷屑。因為在實際加工過程中，阻塞型斷屑槽的

5、斷屑能力范圍較窄，所以目前該種斷屑槽的使用比溝槽型要少。因此，本研究主要探討溝槽型斷屑槽。 圖1. 外觀：（a）SGT （b）AGT 鑒于刀片的外觀差異，溝槽型斷屑槽又可分為非對稱槽型（AGT）和對稱槽型（SGT）兩種。AGT型斷屑槽的槽底面延伸至與刀片副切削刃相交，而SGT型斷屑槽則不同，具體可看圖1所示。目前，SGT斷屑槽憑借其可以在兩個方向進給的優(yōu)勢，應用因此比AGT類型更為廣泛。 AGT斷屑槽可以通過研磨制得而SGT則不能。后者只能通過壓制和燒結(jié)而制成。通常這是一個耗時耗費的過程。研究人員想在實驗室短時間內(nèi)制成大量SGT斷屑槽是不太可能的。因為在實驗室，利用研磨的方法可以很容易制備出大

6、量的AGT斷屑槽。因此可以利用AGT代替SGT并研究斷屑槽的幾何參數(shù)對刀片斷屑性能的影響，在本研究中，金剛石砂輪用于研磨制作AGT硬質(zhì)合金刀具的表面。對上述替代的實用性進行了如下研究。2.2. 兩種斷屑槽的比較實驗AGT和SGT兩種斷屑槽，分別在車床上切割中碳鋼。兩種斷屑槽的槽型有相同的沿刀具主切削刃方向的幾何參數(shù)。保持切割速度在110m/min，不使用冷卻劑。.斷屑的最小進給（ f min ）和最小切削深度（a pmin）的比較所謂斷屑的最小進給量（ f min）和最小切削深度（a pmin ），分別是當設置最小的進給值和切削深度時，刀片仍可在加工時的斷屑。如圖2所示的實驗結(jié)果可見，SGT斷

7、屑的最小進給量（0.137mm/rev）略高于AGT（0.127mm/rev）。而兩斷屑槽的斷屑最小切削深度相同（0.625mm）。圖2. 斷屑的最小進給量與最小深度的比較2.2.2. 切割率的比較圖3表明在不同進給條件下切削率的比較，保持切削深度恒定為1mm。如圖所示，這兩種情況下的切削率非常接近。圖3. 切削比為1mm時的切割深度的比較2.2.3. 卷屑與斷屑的比較如圖4所示，在選取的切削條件下，AGT和SGT在卷屑和斷屑方面無明顯差異。因此，根據(jù)上述比較，我們認為用AGT替代SGT研究刀片斷屑槽的幾何參數(shù)對斷屑性能的影響的辦法是可行的。圖4. 卷屑與斷屑的比較3.切屑槽的幾何參數(shù)對刀具刀

8、片斷屑性能的影響3.1. 實驗用的切屑槽圖5. 實驗的切屑槽的幾何參數(shù)選擇一個AGT斷屑槽。如圖5所示，切屑槽的幾何參數(shù)包括負倒棱長度l，前角0，槽寬W、槽深H和刃口高度 h。3.2. 切屑槽的幾何參數(shù)值在常用的范圍選擇切屑槽的幾何參數(shù)值，如表1所示，表中加粗的數(shù)字在代表該切屑槽幾何圖形的參照值，括號中的數(shù)字是在實驗中使用的斷屑槽序號。例如，2號斷屑槽的幾何參數(shù)是：l=0.2 mm，0 =12°，W=1.5 mm，H=W÷(W/H)=1.5÷8=0.1875mm，h=0.05 mm。刀具刃口半徑r =0.3 mm。1號斷屑槽的幾何參數(shù)是：l=0.1mm，而其他值與

9、2號斷屑槽的相同。表1幾何參數(shù)值的選取3.3.結(jié)果和分析對每一個研磨后的切屑槽進行測量，結(jié)果顯示的幾何參數(shù)的測量值與需求值非常接近。在圖6至圖11中，斜體字表示的是每個幾何參數(shù)的平均值。例如，0是表示實驗中的幾個斷屑槽前角的平均值。3.3.1. 負倒棱長度l的影響在負倒棱長度l對加工過程的影響的實驗最初是由Klopstock在1925年完成的9。Klopstock在他的實驗中使用的是所謂的限制接觸刀具。刀具前刀面上存在負倒棱，在給定的切削條件下，負倒棱長度小于切屑的自然接觸長度。小的負倒棱長度減少切削力和切削溫度，從而提高刀具的使用壽命，但另一方面它增加了切屑卷曲半徑，拉直切屑，甚至導致切屑往

10、相反方向卷曲：讀者可以參考文獻 10 - 12關(guān)于限制接觸刀具的研究細節(jié)。在這里，我們只對負倒棱長度對斷屑效果的影響進行了研究。實驗結(jié)果如圖6所示，在給定的切削條件下，當負倒棱長度增加時，斷屑的最小進給值略有增加，而最小的斷屑切削深度幾乎是恒定的，盡管負倒棱長度增加，即0.3mm等于刀尖圓弧半徑。這意味著負倒棱長度對apmin的影響不大。圖6. 負倒棱長度對斷屑的影響：(a) 對 fmin 的影響；(b) 對 apmin 的影響(0 =13.49°；W=1.474 mm；W/H=7.319；h=0.049 mm)。圖7.前角0對斷屑的影響：(a) 對 fmin 的影響; (b) on

11、 apmin 的影響(l=0.215 mm；W=1.483 mm；W/H=7.313；h=0.043 mm)。3.3.2.前角0的影響如圖7所示，在給定的實驗條件下，隨著0的增加f min略有降低，同時即使0增加，apmin也仍保持與刀尖圓弧半徑值相同。需要指出的是，普遍認為隨著刀具前角的增加，切屑變形減小，從而產(chǎn)生了斷屑難的問題，而圖7所示的結(jié)果似乎與此相矛盾 13 - 15 。事實上，目前的研究結(jié)果與普遍觀點之間并不矛盾，后者針對的是切屑碰到障礙的情況，如刀具間隙面，加工工件表面等。在這種情況下，切屑厚度隨著刀具前角增加而減小，故而斷屑彎矩增加。然而，在圖7所示的實驗結(jié)果中，f min是非

12、常低的，它自身劇烈振動而達到斷屑的效果。此時，切屑厚度越小，越容易斷屑1618。因此，是交替的斷屑機制而產(chǎn)生了圖7中的實驗結(jié)果。圖8. 槽寬對斷屑的影響：(a) 對 f min的影響； (b) 對 a pmin 的影響(l=0.224 mm；0 =13.26°；W/H=7.360；h=0.056 mm)。圖9. 槽寬比對切屑折斷的影響：(a) 對f min的影響；(b) 對 a pmin的影響 (l=0.233 mm；0 =13.13°；W=1.498 mm；h=0.050 mm)。3.3.3. 槽寬W的影響如圖8所示，隨著W的增加，fmin明顯增加，而a pmin 略有增

13、加。說明槽寬是影響斷屑的重要因素。3.3.4.槽寬比W/H的影響以前，槽深H被視為一個影響斷屑的獨立因素。而現(xiàn)在，選擇切屑槽的幾何參數(shù)時，確定的值槽深H是由槽寬W和寬深比W/H的值來確定的，即應首先選定W和W/H的值，然后推導出H值。因此有必要從一個新的觀點出發(fā)來研究斷屑規(guī)律。從圖9所示的實驗結(jié)果可見，fmin隨著槽寬深比W/H的增加而逐漸減小，同時apmin與刀尖圓弧半徑值0.3mm保持相同。這說明apmin不受槽寬深比的影響。3.3.5. 刃口高度h的影響刃口高是現(xiàn)代新型斷屑槽的顯著特征之一。然而，目前還不清楚刃口高度對斷屑是否產(chǎn)生影響。本研究的實驗結(jié)果如圖10所示。可見，f min隨著h

14、的增大而明顯減小，而apmin保持為0.3mm，與刀尖圓弧半徑值相同。這說明h對apmin影響不大。圖10. 槽底面高度h對斷屑的影響： (a) 對f min的影響；(b) 對 a pmin 的影響(l=0.217 mm；0 =13.080；W=1.523 mm；W/H=7.313)。3.3.6. 刀尖圓弧半徑r 的影響大量研究人員對切削過程中的刀尖圓弧半徑對切削過程的影響進行了研究。然而，他們的研究主要集中在切削刀具的磨損、切削力、加工過程中的振動等方面19,很少有人注意到切屑。使用了三個斷屑槽（表1中的Nos.2224）。實驗結(jié)果如圖11所示。可見，對于使用三個斷屑槽而言，f min幾乎是

15、相同的（0.137mm/rev），而apmin隨著刀尖圓弧半徑的增大而增大。圖11. 刀具圓角半徑對斷屑的影響:(a) 對 fmin 的影響; (b)對apmin 的影響4. 斷屑的最小進給量（fmin）和最小切削深度（apmin）的預測4.1. 預測方程的建立 根據(jù)以上結(jié)果，切屑槽的幾何參數(shù)包括：負倒棱長度l、前角0 、槽寬W、槽寬深比W/H與刃口高度h會影響斷屑的最小進給量。槽寬W和刀尖圓弧半徑r是影響斷屑的最小切削深度的因素。影響斷屑的的最小切屑深度的因素是槽寬W和刀具角半徑 r。當?shù)毒呷袃A角的變化，在常用值的范圍內(nèi)，即5°+ 5°，實驗結(jié)果 16 表明，斷屑的最小進

16、給量（fmin）和切割的最小切削深度（apmin）沒有明顯的變化。表2是用于計算數(shù)據(jù)樣本的經(jīng)驗常數(shù)和方程（1）和（2）的指數(shù)。fmin =0.3660·l 0.0149 ·0 0.1139·W0.6884 ·(W/H) 0.4857·(1h) 0.9456 (1)apmin =0.5995·W1.4027 ·r 1.3259 (2)4.2.預測方程的應用例如，預測方程（1）是用來預測的另一個斷屑槽能夠斷屑的最小進給量，結(jié)果表3所示。從后面的表可以看出，當斷屑槽的每個幾何參數(shù)值都在其各自的允許范圍內(nèi)時，預測值與實際值一致。但是

17、，當斷屑槽的幾何參數(shù)超出其允許范圍（表3中7號斷屑槽）時，仍存在較大的誤差。換句話說，由于本研究中建立的預測方程（1）和（2）已經(jīng)覆蓋了的最新型斷屑槽的幾何參數(shù)常用的值，因此它們可用于一般工程計算和基于知識的計算機系統(tǒng)20。表2建立預測方程（1）的使用數(shù)據(jù)a MV,測量值： b CV,計算值。表3方程（1）的預測結(jié)果a MV,測量值： b CV,計算值。5. 總結(jié)(1)隨著FMS、CIMS等的越來越廣泛的應用，目前廣泛采用可轉(zhuǎn)位刀片與新型斷屑槽。那么，從一個新的角度系統(tǒng)地、全面地研究斷屑槽的幾何參數(shù)對斷屑的影響是很有必要的。(2) 本研究對AGT斷屑槽和SGT斷屑槽的斷屑性能做了詳細的比較。結(jié)

18、果表明，用AGT斷屑槽替代SGT斷屑槽然后研究斷屑槽的幾何參數(shù)對刀具刀片的斷屑性能的影響的辦法是可行的。(3)切屑槽的幾何參數(shù)對切屑的最小進給量的影響主要有：負倒棱長度l、前角0、槽寬W、槽的寬深比W/h與刃口高度h。斷屑槽的槽寬W和刀尖圓弧半徑r 是最小切屑深度的影響因素。(4) 通過多元線性回歸分析，建立兩個模型來預測的新型斷屑槽的斷屑性能。理論預測與給定的切削條件下的實驗結(jié)果基本一致。參考文獻1 E.K. Henriksen, Balanced design will fit the chip breaker to the job, Am. Mach. 88 (4) (1954) 118

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