（机械工程专业论文）双柱面切断刀切削机理研究与结构优化.pdf

摘要 摘要 金属切削一般是通过刀具实现的，刀具在金属切削过程中至关重要。在提高切 削效率方面刀具是最具挖掘潜力的。切断刀主要用于车削加工中工件的切断、切槽、 切端面等工作。金属切削是一个复杂的变形过程，普通切断刀在切削过程中存在严 重的切削颤振现象，经常因为颤振，不能正常工作。自由切削可以疏导排屑，使切 削顺畅。 本文研究了双柱面切断刀切削机理，通过对双柱面切断刀进行切削试验分析， 提出了一种基于双柱面的新型切断刀改进结构，使切断刀的前、后刀面分别由三个 等径柱面组成，三个柱面使刀具的前后刀面形成稳定的三点支撑，具有良好的导向 性。三个等径柱面两两相贯，形成不在同一个平面的空间曲线为刀具切削刃，切屑 沿前刀面的母线流出，实现自由切削。因前刀面的形状是中间凸两边凹，切屑会产 生径向收缩，不易堵塞，切屑两边自动形成毛边裂纹，故断屑性能好。 以刀具寿命为目标，对新型切断刀几何参数进行优化，通过正交试验，用极差 分析法对试验结果进行分析，得出最优方案，给出新型切断刀的优化参数。经过改 进的新型切断刀切削过程平稳，刀具寿命长，切削效率高。 关键词切削颤振；排屑干涉；自由切削；结构优化：正交试验：耐用度 a b s t r a c t m e n t a lc u t t i n gp r o d u c t i o ni sn o r m a l l yf i n i s h e db ym e a n so f t o o l i n g t h et o o l sp l a ya v i 协lr o l ei i lm e 协lc u t t i n gp r o c e s s i no r d e r t oi m p r o v et h ep r o d u c t l o ne 历c i e n c y , w e s h o u l dg i v er n o r ec o n s i d e r a t i o nt ot h et o o l s t h ec u t - o f f t o o l sa r em a i n l yu s e dl nc u t t l n g o i f , 靴v i n g ，u n d e r c u t t i n ge t c m e t a lc u t t i n gi sa c o m p l e xd e f o r m a t i o np r o c e s s c o n 姗o n c u t t i n g - o 行t o o i sc a l lc a u s es e r i o u sc h a t t e rd u r i n gc u t t i n g ，w h i c h e v e nc a u s eb r e a k d o w n f r e ec u t t i n gf a c i l i t a t e sc h i pr e m o v a l ，t h i sh e l pt oc u ts m o o t h l y 1 i lt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p a lo ft h eb i c y l i n d e rc u t t i n g - o f ft o o l s i ss t u d i e d u g l l e x p e r i m e n t a la n a l y s i so ft h eb i c y l i n d e rc u t t i n g - o f ft o o l s ，c o m eu p w l t has t r u c f u r a l i m d r o v e m e n ta b o t i tan e wc u t t i n g o f ft o o lt h a tb a s e do n t h eb i c y l i n d e rc u t t i n g 。o f r n l e n e wc 们i n g o f ft o o lc a nb ed i s i g n e dw h o s er a k e a n df l a n kf a c ea r em a d eu po ft h r e e e q u a l d i 锄e t e rc y l i n d e r s ，w h i c hg i v e ss t a b l et h r e e p o i n ts u p p o r t i n g f o rt h er a k et a c ea n d n a n ko ft 1 1 et o o l s mt h r e ee q u a l d i a m e t e rc y l i n d e r sr u nt h r o u g ho n e a n o t h e r t h i sr e s u l t s m ec u n i i l ge d g eb yt h es p a t i a lc u r v e sn o ti n t h es a l t l ep l a n e c h i p s a r er e m o v e ds m o o t h l y a l o n g 也er a k ef a c e ，w “c hm a k e st h ef r e ec u t t i n gp o s s i b l e t h a n k s t ob ec o f i v e xmt h e m i d d l ea n dc o n c a v ei nb o t hs i d e s ，t h er a k ef a c e c a l lc a u s ec h i p ss h r i n k a g ei nr a d l a j d i r e c t i o n ，r e d u c i n gb l o c k a g e t h ec r a c ka u t o m a t i c a l l ya p p e a r s i nt h et w os i d e so ft h ec h l p ， t h i sm a k ei ti sf o rt h ec h i pt ob r e a k 做i n gt h et o o l ，sl i f e 鼬t h ed e s i g no b j e c t i v e ，t h r o u g ho p t i m i z a t i o n o ft h et o o l s g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h eo p t i m i z e ds o l u t i o n sc a n b ea c q m r e d b ya i l a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sb a s e do nr a n g ea n a l y s i sm e t h o d t h en e ws t y l e c u t o f ft o o l sc 锄r e a l i z et h es m o o t hc u t t i n g ，m a k ei t sl i f eb e c o m el o n g e ra n d 1 m p r o v et h e c u t t i n ge f f i c i e n c y k e yw o r d sc u t t i n gc h a t t e r ；c h i pr e m o v a l i n t e r f e r e n c e ；f r e ec u n i n g ； 姗舳lo p t i m i z a t i o n ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；u s i n g r e l i a b i l i t y 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1所选课题的科学意义和应用前景 我国目前正由世界第一制造大国转向制造强国。中国汽车工业协会近日公布 2 0 0 9 年中国汽车产销统计，中国以3 0 0 多万辆的产销优势，首次超越美国，成为世界 汽车产销第一大国。中国现在变成全球主要的汽车消费市场，这就意味着先进的切 削技术和切削刀具在中国将具有广阔的市场前景和巨大的发展空间。但不容忽视的 是，我国切削技术和刀具总体水平严重落后，需要高速、高效、高精度刀具加工的 汽车零部件的新项目，多数是来自国外。如今，我国越来越多的机加工企业已经意 识到，用更新的切削技术和先进刀具，降低加工成本，提高切削加工效率以及加工 质量，是提升企业的核心竞争力的有效方法。重视刀具应用技术，提高企业切削加 工刀具的应用水平，这在我国具有十分重要的现实意义。 我国的切削加工水平与国外先进切削技术之间，差距还很大。造成切削技术 落后的主要原因，除了技术上原因之外，还有一个原因就是多年一直就没有改变的 陈旧观念：不重视切削技术、不重视刀具。提高切削加工技术水平，就要注重更新 加工工艺理念n 。我们首先要更正的理念就是，机加工效益不是靠节省刀具的费用 就可以提高的。金属切削加工用到的设备主要有：机床、夹具、刀具、量具以及一 些辅助工具。刀具在总的生产成本中所占比重不大。德国某个大学以汽车业某一工 艺制造过程为例做过这样的统计：总成本的百分之三十五是制造设备( 如机床等) 投资，总成本的百分之七是这些制造设备工作时的能量损耗，总成本的百分之二十 七是企业的正常运营成本，总成本的百分之十七是用于冷却及润滑成本，直接人工 占总成本的百分之九，刀具仅占总成本的百分之四。据中国刀具协会常务理事赵炳 桢先生做过统计，中国企业的刀具费用仅占总生产成本的百分之三左右。所以，刀 具只占整个加工成本中极小的一部分。但是，就是这个占总成本百分之三左右的刀 具，却会影响到百分之十到百分之十五的工件加工效率。刀具在加工中的作用是不 容忽视的。所以，刀具在提高加工效率方面是最有挖掘潜力的。因为切削加工总是 通过刀具的切削刃来实现的，刀具切削加工性能越好，就越能充分发挥机床的使用 性能。而改进刀具结构只需深入的认识刀具的切削机理，成本又低，而不必像改 进机床那样投入大量的资金。所以，不论从经济性，还是技术性的角度考虑，提高 切削加工的质量及效率，研究刀具切削机理以及改进刀具的切削性能都是非常必要 的。 切削颤振是金属切削过程中经常产生的一种现象。直到目前，机加工企业生产 效率和工件表面质量的主要影响因素仍然是切削颤振旧。切削颤振不仅会影响生产 - l 河北科技大学硕士学位论文 效率和工件质量，而且会使刀具寿命降低，还可能造成机床设备损坏，进而使切削 终止，同时也会导致车间噪音的产生，对车间工作人员身心健康都会产生不利的影 响。 在我们车削加工的生产实践中，因为工艺系统问题的原因引起颤振的因素比较 多，但那些庞大复杂的工艺系统影响因素我们很难短时间内解决。解决切削加工过 程的稳定性问题涉及到设备的更新改进，涉及到大量的资金投入等问题。为了避免 产生或减小振动，有时操作者不得不降低切削用量旧。目前我国的机床切削效率仅 仅相当于工业发达国家的平均水平的一半，而机械加工中产生的振动问题没有得到 很好的解决是其中一个重要因素。在车削加工中，经常要用到切断刀。普通切断刀 在使用过程中，经常会产生强烈的切削颤振，不仅影响生产效率和加工质量，噪音 污染也对工作人员产生严重的影响，而且经常导致加工无法正常进行。 本文通过分析双柱面切断刀的切削机理，依据自由切削原理，着手改进普通切 断刀的刀头结构，从而抑制切削加工中普遍存在的颤振现象。对于切断刀和工件 之间的切削颤振问题，经过多次切削实践，使切断刀的切削加工性能得到有效的改 善，使加工过程中刀具和工件间的颤振现象得以解决。因为在车削加工中，切断刀 应用范围比较广泛，所以，对于切断刀的高性能，低成本的结构改进，无论是对于 车削加工企业，还是目前职业技能培训的车工生产实习都有着积极意义。 1 2 课题研究概况 1 2 1刀具材料发展历程 1 8 6 8 年，穆舍特( 英国) 研制成含有金属钨的合金工具钢。1 8 9 8 年，泰勒和怀 特( 美国) 发现高速钢的最佳成分是w 1 8 c r 4 v 。1 9 2 3 年，施勒特尔( 德国) 发明了 硬质合金。采用合金工具钢的刀具，切削速度有明显提高，采用高速钢刀具时，切 削速度可以比合金钢刀具提高两倍以上，采用硬质合金刀具时，切削速度又比用高 速钢刀具提高两倍多，加工质量及精度也有很大的提高。刀具整体材料如果都采用 高速钢或硬质合金，就会增加成本，所以，刀具后来制成了刀片和刀体分开的形式， 又出现了焊接和机械夹固式结构。1 9 3 8 年，德国的德古萨公司研制出了陶瓷刀具， 并取得了陶瓷刀的专利。1 9 7 2 年，美国的通用电气公司研制出聚晶人造金刚石和聚 晶立方氮化硼两种非金属材料的刀片。非金属刀具材料可以使刀具切削加工速度提 高更多。1 9 6 9 年，瑞典的山德维克钢厂研制出碳化钛涂层硬质合金刀片，并取得了 该技术的专利，是用化学气相沉积法得到的。到1 9 7 2 年，美国的邦沙和拉古兰采用 物理气相沉积法，使涂层技术得到进一步的发展，可以在硬质合金或高速钢刀具的 表面涂碳化钛或者氮化钛硬质层滞。表面涂层技术把基体材料的高强度、高韧性， 2 第1 章绪论 与表层的高硬度、高耐磨性结合起来，使这种复合材料具有良好的切削加工性能训。 表面涂层刀具技术的发展，对推动金属切削加工技术的进步有不可磨灭的贡献。 由于制造业发展的需要，多功能复合刀具、高速高效刀具将成为刀具发展的主 流。涂层材料的不断更新，涂层技术的不断发展，硬质合金刀具涂层的应用领域 也在不断扩大，在高速大进给切削和超硬材料加工等方面应用广泛，硬质合金材料 优良的性价比使硬质合金刀具的发展又上新台阶u 副。面对日益增多的难加工材料， 刀具优质的材料及先进的涂层技术，辅以更合理的刀具结构，更能提高切削加工效 率。 1 2 2 刀具结构的变革 1 7 8 3 年，铣刀首先出现在法国。1 7 9 2 年，丝锥和板牙在英国出现。1 8 2 2 年开始 有麻花钻的记载。1 9 4 9 至1 9 5 0 年间，美国开始使用可转位车刀的刀片u 副。 刀具结构主要经历了以下的变革过程： ( 1 ) 前苏联的一个机器制作科学研究院研制的硬质合金自转刀片的车刀结构。 在切削过程中，圆柱形硬质合金刀片在切削力的作用下移动，这样可以降低切削温 度。可以使一次刃磨后的刀刃的可用长度增加，切削效率提高。 ( 2 ) 美国5 0 年代推出一种不重磨车刀“。多边形不重磨车刀比焊接式车刀的 经济性好，有多种多边形形状。 ( 3 ) 英国c o v e n t r y 公司推出机外可预调尺寸的车刀，纵向和横向均有螺钉， 纵向螺钉可以调整车刀纵向的长度，横向螺钉可以调整刀尖相对刀杆的横向位置， 使用这种车刀安装到车床的工作位置刀杆可以不用再做位置调整。 ( 4 ) 新型可转位刀片。有瑞典s a n d v i k 公司研发的r 、m 和f 等新槽型系列； s e c o 刀具公司研发的新型w i p e r 刀片，能显著增大进给量而不影响工件质量。 ( 5 ) 美国c a r b o l o y 公司研发大前角( 前角可达3 4 。) 的m e - 1 3 新型硬质合金 刀片。 ( 6 ) 日本三菱公司开发出一种适用于干切削的回转型车刀。该刀具采用圆形超 硬刀片，刀片支撑部分用轴承安装，使用时刀片能自动回转，能保持切削刃始终锋 利，使得加工质量好、切削效率高、刀具耐用度好。 ( 7 ) 热管式车刀，和普通车刀结构大体相同。比较特殊的地方是刀杆体的内部 制成了热管，能实现自冷却。 此外还有一些刀具，如美国k e n n a m e t a l 公司研发的多功能车刀，可以完成车外 圆、车端面和镗孔等工作训；e m u g e 公司研发的螺纹铣刀，一次走刀可以完成多道 工序，如钻底孔、倒角和铣螺纹等。刀具的结构、刀片几何参数是否合理对能否 充分发挥刀具切削加工性能是十分重要的。 - 3 河北科技大学硕士学位论文 1 2 3 普通切断刀结构研究 切断刀主要用于普通车床、数控车床及车削加工中心等机床上切断棒料，或者 切槽、切端面等工作。由于普通切断刀有一系列不利于切削加工的因素存在，所以， 改进切断刀的结构是一直在进行的。我国对切断刀的改进做以下的工作：提高切断 刀刀头强度和刚性，这样能使切削振动现象减少，可加大走刀量，如鱼肚式切断刀， 支撑刚度和强度都有很大程度的提高；对于硬质合金切断刀刀片，改进其焊接形式， 可以实现高速大进给切断；改变主切削刃的形状，磨出断屑槽，对切断钢件时的排 屑和断屑条件进行改进。在进行切断加工时，由于排屑空间比较窄，散热条件较差， 所以，切屑排屑难，切削力大，易引起打刀，对加工安全有一定的影响。所以，切 断刀切削加工中的排屑和断屑条件的改进是十分必要的。 目前对于普通切断刀的结构改进，主要是改变刀具的刃形u 。 平直刃形切断刀结构简单，如图i - i 所示。它的主要特点：工件切断后两端面 平整，散热条件差，刀尖容易磨损，排屑困难，容易导致振动、挤压甚至打刀。高 速钢切断刀一般磨成这种刃型，这种刃形适用于低碳钢及有色金属的切断加工。 图1 1 平直刃形切断刀结构 f i g i - i f l a tb l a d ew i t hak n i f et oc u tt h es l x u c t u r c 单斜刃型切断刀如图卜2 所示。在工件将要切断时切削刃逐渐切出，能使被加 工件的残留芯柱减小，被切工件的端面中心有内凹现象，故适于切割管类零件。 图1 2 单斜刃型切断刀结构 f i g 1 - 2 m o n o c l i n i cs t r u c t u r eo f c d g cc u n e 搭 双过渡刃型切断刀，在平直刃型切断刀的基础上的两个刀尖处磨出4 5 。偏角， 有两条过渡刃，所以是双过渡刃型。这种结构使刀具的强度和散热条件得到改善， 第1 章绪论 同时耐用度会得到提高。适用于加工碳素钢、工具钢等中等强度的钢料。双过渡刃 型切断刀结构如图i - 3 所示。 4 。 图1 3双过渡刃型切断刀结构 f i g i - 3 d o u b l ee d g ec u r e rt r a n s i t i o ns t r u c t u r e 平剑刃型切断刀，是把一条平直的主切削刃上两个强度最弱的刀尖部分磨出两 条斜刃，增大了刀尖角( 一般为1 5 0 。) ，两条斜刃和两条副切削刃间的夹角也增大 到1 1 8 。至1 1 9 。，刀尖强度得到加强，散热条件得到改善，同时减少了单位切削刃 长度上的切削负荷。平剑刃型切断刀结构如图1 - 4 所示。 图1 - 4 平剑刃型切断刀结构 f i g i - 4 f l a tb l a d e t y p ec u r e rb l a d es t r u c t u r e 人字型切断刀结构如图1 - 5 所示。它是平剑刃型切断刀的特例。切削时充分利 用斜角切削的原理，适合加工强度高、韧性大的金属。 图1 5 人字型切断刀结构 f i g 1 5 b o n ep a u e mc u t t e rb l a d es t r u c t u r e 在双斜刃切断刀的基础上再磨出一条半径为0 5 至l 毫米的带小圆弧槽的刃型， 加工时起导向与消振作用。其结构如图卜6 所示。 图l - 6 双斜刃切断刀结构 f i g i - 6 d o u b l e - h e l i c a ls t r u c t u r eo fe d g ec u r e t s 河北科技大学硕士学位论文 屋脊刃型切断刀强度较高，耐冲击，适于加工各种不回火铸铁和白口铁等工件。 屋脊刃型切断刀结构如图1 - 7 所示。 【】 图1 7 屋脊刃型切断刀结构 f i g i - 7 ar i d g eo ft h es r u c t u r ef i g u r ec u t t i n gb l a d e 台阶刃型切断刀，主要优点是刀具导向性和分屑性能好，它可以大进给切削各 类碳钢及不锈钢工件。台阶刃型切断刀结构如图卜8 所示。 两 攀 i 一l 图1 8台阶刃型切断刀结构 f i g 卜8s t e pe d g ec u t t e rb l a d es t r o c l u r c 圆弧刃型切断刀刀具寿命高，在同样的加工条件下，切削速度比普通平直刃切 断刀要高1 5 左右，但是刃磨困难，适于各种小圆弧件加工。圆弧刃型切断刀结构 如图卜9 所示。 i n 回 茫 l - 一一l 图卜9 圆弧刃型切断刀结构 f i g i - 9a r cc u t t i n gk n i f ec d g cs t r u c t u r e 瓦楞刃型切断刀结构如图1 - 1 0 所示。刀具能使切屑卷曲成瓦楞状折断，操作安 全，适于切削脆性材料。 图1 1 0 瓦楞刃型切断刀结构 f i g ! - i 0c o r r u g a t e ds l t o c t o r co f e d 萨c u t l e r s 此外，还有几种结构较新的切断刀。比如有自锁功能的机夹硬质合金刀片切断 刀，这种切断刀是在刀片上直接压制出断屑槽，槽形能使切屑产生横向收缩而变窄， 6 第1 章绪论 从而避免了切屑卡在槽内，利于切屑排出。还有国外新推出的采用高压内冷却的硬 质合金切断刀，而且能够自楔紧，特别适于高速加工难加工材料。 1 3 课题来源和研究的主要内容 本课题的研究内容来源于生产实践，基于双柱面切断刀切削机理的研究，通过 改进双柱面切断刀切削部分的几何参数，削减切断加工过程中，刀具与工件之间由 于切削引起的颤振问题，从而实现尽量减少投资，实现高速大进给切断加工，延长 刀具的使用寿命，提高切削加工效率。具体研究内容如下： ( 1 ) 通过对切屑形成机理的研究，分析切削加工过程刀屑之间发生的一系列物 理现象，研究切削过程的切屑变形过程与积屑瘤的成因，对切削力的产生做定量的 分析，指出切削力的影响因素，引出切削颤振问题。 ( 2 ) 阐述切削颤振的现象及其弊端，分析切削颤振机理，建立切削颤振模型， 通过分析颤振对切削加工产生的影响，引出自由切削理论。自由切削的实质是通过 合理设计刀具的前刀面，以刃倾角沿刀刃的合理分布来疏导刀刃各部分的排屑，从 而减轻或消除排屑干涉，实现自由切削。 ( 3 ) 基于双柱面切断刀理论对普通切断刀进行设计与优化。通过对双柱面切断 刀切削机理的分析与研究，依据自由切削理论，对双柱面切断刀刀头结构进行改进， 对刀具设计过程进行理论上的阐述，用切削试验验证切断刀结构改进的可行性。 ( 4 ) 对新型切断刀进行结构参数优化。利用正交试验设计法，验证所设计切断 刀结构的合理性，并利用切削试验优化刀具参数，使所设计刀具参数达到最优。最 后对试验结果进行分析，得出结论。 7 河北科技大学硕士学位论文 第2 章金属切削机理研究 2 1 切屑形成机理 切屑形成机理非常复杂，主要是因为金属切削过程的复杂性捌。切屑的形成过 程就是切削层金属的变形过程。由金属塑性变形理论得知，金属产生塑性变形的基 本机理是滑移，如图2 1 所示。其中o a 为始滑移面，o e 为终滑移面。 图2 - i 切屑的形成 f i g 2 lc h i pf o r m a t i o n 切削时，刀具挤压工件后( 同时也有剪切作用) ，被切削金属层在刀具的挤压 作用下最先发生弹性变形，继续挤压产生的最大剪切应力达到工件材料的屈服极限 时，就会发生塑性变形，金属会沿始滑移线o a 线滑移，如图2 - 1 所示。在o a 线以 上部分，应力超过工件材料的屈服强度。由于刀具不断向左移动，切削开始处于o a 面的金属不断地向刀具靠拢，工件材料受到的应力和变形也在不断增大。到o e 线时， 工件的应力和变形已经达到最大值，这种滑移变形终止，我们称0 e 为终滑移线。超 过0 e 面，切削层金属就会脱离工件，沿着刀具的前刀面流出，切屑就这样形成了瞄。 金属切削过程中会有塑性变形产生，通常被大致划分为三个变形区，如图2 2 所示的第1 、i i 、变形区。 切削 图2 2 金属切削过程的三个变形区 f i g 2 - 2 m e t a lc u f f i n gp r o c e s so ft h et h r e ed e f o r m a t i o nz o n e 8 第2 章金属切削机理研究 从0 a 面到0 e 面之间的区域，切削层金属从产生塑性变形到剪切滑移这一过程 基本完成，这个区域称第1 变形区。此区域金属切削变形最大，伴有加工硬化现象， 且产生大量的切削热，消耗掉大部分的功率。区域宽度不大，约在0 0 2 到0 2 咖之 间。 在前刀面附近的区域，是第1 i 变形区。此区域主要特点是切屑和前刀面之间磨 擦。因摩擦会使温度达几百度。高温会导致切屑底部与刀具前刀面间发生粘结现象。 已加工面与刀具后刀面接触的区域为第l 变形区。此区域的产生与刀刃钝圆相 关。我们知道，刀具没有绝对锋利，无论我们用什么方式磨刀，刀刃都会留有钝圆 半径。硬质合金车刀刃磨后的钝圆半径大约在1 8 到3 2um 之间，钝圆半径的存在会 使部分切削层材料被挤压到已加工表面，并与刀具的后刀面发生摩擦，由此我们可 以看出，第1 i i 变形区影响到工件的加工质量1 。切削变形因工件材料、刀具结构不 同而不同，因此切屑类型也不尽相同。依据切屑形成机理，目前切屑主要有以下四 种类型，如图2 - 3 、2 - 4 、2 - 5 、2 - 6 所示。 f 图2 5 节状切屑 f i g 2 5 f e s t i v a l l i k ec h i p j驻一匿j黜一匿 _-i f 河北科技大学硕士学位论文 图2 - 6 粒状切屑 f i g 2 - 6c v r a n u l m c h i p 加工塑性金属材料易产生带状切屑。产生带状切屑切削力波动较小，切削平稳， 已加工表面粗糙度较小，但带状切屑有时缠绕在刀具或工件上影响加工。 挤裂切屑的外表面是锯齿形。大多在低速、大进给、切削厚度较大、刀具前角 较小时产生，切削力波动较大，切削过程不太稳定，工件已加工表面粗糙值较大。 在挤裂切屑产生的前提下，当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时 则出现粒状切屑，粒状切屑类型少，切削力波动最大，已加工表面粗糙值较大。 崩碎切屑形状不规则，表面凸凹不平。加工硬脆材料切削厚度较大时易产生，切 削过程不平稳，刀具易损坏，使已加工表面粗糙。 要注意的是，切屑的产生与加工材料、切削条件均有关“。在加工塑性材料通 常可以得到带状切屑，可是一旦改变切削条件，前角较小，速度较低，切削厚度较 大时会产生挤裂切屑，如果前角继续减小，切削速度继续降低，或者加大切削厚度， 就能得到粒状切屑。掌握切屑形成规律，可以控制切屑，保证加工质量和效率。 实际生产加工中，由于切削加工条件不同，产生切屑的形状也不相同，按切屑 的形状可分为带状切屑、c 形屑、崩碎切屑、宝塔状卷屑、长紧卷屑、发条状卷屑和 螺旋卷屑等，见图2 - 7 、2 - 8 、2 - 9 、2 - 1 0 、2 - 11 、2 - 1 2 、2 - 1 3 所示。 图2 7 带状切屑 f i g 2 - 7 c o n t i n u o u sc h i p l o 第2 章金属切削机理研究 ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = 一= 旷酽o 国 庐国室国 图2 8c 形屑 f i g 2 - 8c c h i p 图2 9 宝塔状卷屑 f i g 2 - 9p a g o d a - li k eo i lc h i p j 兮_ 乞乞 r 二二c0 。二 式毯； 、- 二s 心 图2 1 0 崩碎切屑 f i g 2 - 1 0b r o k e nc o l l a p s ec h i p 图2 1 1 长紧卷屑 f i g 2 - l ll o n gt i g h to nc h i p 河北科技大学硕士学位论文 2 2 积屑瘤 图2 1 3 螺旋卷屑 f i g 2 - 13s p i r a lc h i p 积屑瘤的形成过程可以根据论文前一节提到的第二变形区的特点做出合理的解 释。切屑由于受到前刀面的挤压和摩擦，刀屑间会产生了粘结现象：2 引。当切屑流经 与刀具粘附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面的金属出现加工硬化，与底层粘 附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤，如图2 1 4 所示。 、积屑瘤 图2 1 4 积屑瘤的形成 f i g 2 1 4 s w cf o r m a t i o n 刀具 形成积屑瘤的相关因素有：材料的加工硬化、刀刃前区的温度和压力等。 因为积屑瘤是加工过程中由于刀屑间的粘结形成的，所以，积屑瘤的材料就是 工件的材料，但其硬度却是工件硬度的2 、3 倍。因积屑瘤与刀具粘结相当牢固，必 第2 章金属切削机理研究 然要参与工件切削，这样不仅提高了刀刃的耐磨性，而且会增大刀具前角，有利于 刀具切削。刀具上的积屑瘤是一个形成、脱落不断循环的过程，刀具的实际刀尖位 置也会因积屑瘤的变化而不断改变。积屑瘤毕竟是工件材料在刀具上的粘结，很难 形成锋利切刃，导致切削加工会出现一定程度的振动怕“。因此，积屑瘤的存在影响 工件表面质量。由此可知，积屑瘤对粗加工有利，但对精加工不利。 2 3 切削力 切削力就是切削加工时，刀具使工件的切削层发生变形，进而形成切屑所需要 的力。研究切削力，对合理设计以及使用刀具都有十分重要的意义。 ( 1 ) 切削力分析切削力主要有两方面的来源：其一是刀具克服被切件形成 切屑过程的变形抗力；其二是刀具克服切屑与前、后刀面的摩擦阻力。如图2 1 5 所示。 图2 - 1 5 切削力的产生 f i g 2 - 1 5 p r o d u c t i o no f c u r t m gf o r c e 作用在刀具上的力就是变形抗力和摩擦力的合力f 。研究过程中，常将合力f 分 解成如图2 16 、2 17 所示互相垂直的三个分力：主切削力f c ，轴向力f f 又称进给力， 切深抗力f p ，又称背向力。 f ，而、毋、昂之间的关系见式( 2 1 ) ： 其中： f = f d s i nk r f p 专f d 。c o s f f r ( 2 - 1 ) 河北科技大学硕士学位论文 ， 图2 1 6 切削合力及分力 f i g 2 - 1 6 c u t t i n gf o r c ea n dc o n t r i b u t e 图2 1 7 切削合力及分力 f i g 2 - 1 7c u u i n gf o r c ea n dc o n t r i b u t e ( 2 ) 切削力计算前人经过大量的试验和研究，所得到的理论计算公式目前 仍然不能精确地计算切削力的大小。生产实践中还是采用下面的经验公式： f c = c 1 ：a 警产u k l c 、 i 昂= c f , a 夕厂怖p ，k ( 2 2 ) l f f c r ：a l 产。n f kf j ) 式中系数、指数以及修正系数可以在切削用量手册中查到。 ( 3 ) 切削力的影响因素工件材料、刀具几何参数、切削用量等因素是影响 切削力的主要因素。如果工件材料的强度高、硬度大、加工硬化明显、塑性变形大， 就会使切削力增大。刀具前角增大，切削力会减小。主偏角对进给力和切深抗力影 响较大，当主偏角增大时，进给力增大，切深抗力减小。 1 4 第2 章金属切削机理研究 对切削力的影响较大的因素是切削用量。当切削深度和进给量增大时，变形抗 力和摩擦力也随之增大，所以切削力相应就增大。 在这里我们主要探讨切削塑性金属材料时切削速度对切削力的影响。切削速度 对切削力的影响曲线呈马鞍形变化，在低速阶段，积屑瘤开始形成，由于刀具实际 前角在不断增大，切削力会随之减小：在中速阶段，积屑瘤渐渐消失，切削力又逐 渐增大，积屑瘤完全消失时，切削力达到最大值；高速阶段，温度升高，摩擦力渐 减，切削力又开始稳定降低。如图2 1 8 所示。 z 雩 巴 r r = o 祀 墨 4 01 2 01 2 切肖t 蔽u 扣妇曲) 图2 1 8 切削速度对切削力的影响 f i g 2 - 1 8t h ei m p a c to f c u t t i n gs p e e d0 1 1c u t t i n gf o r c e 2 4 切削颤振 2 4 1 切削颤振现象及弊端 切削颤振，就是切削过程中，在刀具和工件间产生的一种强烈的相对振动，也 称自激振动弘o 。它与自由振动和强迫振动不同，自由振动是组成机床的零部件突然 受到外界冲击引起的，振动会渐渐衰减。强迫振动主要是由于机床上某些回转件由 于制造或安装的不平衡等人为原因，从而产生离心力引起的振动。自激振动的干扰 力产生于刀具与工件之间，由于刀具与工件间突然受到干扰力引发初始振动，振动 靠系统内各部分间的相互作用来维持的，它是从稳态作用的能源中获得动态周期性 作用的能源，促进并维持振动且不衰减。 刀具相对工件加工表面的振动会给已加工表面造成破坏，产生振纹，这会影响 工件的使用性能m ；刀具相对工件振动时，切削参数、切削力等都会因为振动而发 生变化，使刀具磨损加剧，有可能发生崩刃，工艺系统的各个组成环节因为相互关 联，都将受到影响，机床连接特性会受到破坏，严重时会导致切削加工不能进行； 切削过程中发生振动，经常伴随有噪音污染，严重的噪音污染会危害机床操作者的 。 l s 河北科技大学硕士学位论文 身心健康：为了减少切削颤振，操作者不得不降低切削用量，影响机床的切削加工 性能的充分发挥，妨碍机械加工效率的提高。 总之，金属切削颤振，是一种较复杂的非线性振动现象k 引。颤振的出现给刀具、 工件表面质量、工作环境以及企业效益等，都会有不利影响。我国目前的机床切削 效率仅相当于工业发达国家平均水平的一半，其中，切削振动问题没能很好地解决是 其中的一个主要原因。 2 4 2 切削颤振机理 在切削过程中，刀具与工件间产生的颤振是限制高速切削加工技术的一个主要 问题。要想减小或消除振动，应先对切削颤振机理进行研究，并建立数学模型弘州。 目前对切削颤振的定性预测的研究成果己逐渐成熟，而且广泛地应用于实际切 削颤振的控制。但是由于机床的工作环境复杂，现存的理论还不能完全解释清楚切 削颤振过程中出现的一系列物理现象p 。 再生型切削颤振是切削颤振的主要形态，切削颤振控制主要是控制再生型切削 颤振形成的技术。再生型切削颤振的相位特性反映了切削颤振的本质和特征p 。再 生型切削颤振的产生原理如图2 1 9 、2 2 0 、2 2 1 、2 2 2 所示。 删t 瓮 卜 一 “ 卅己， t一- 骘 川u 第2 章金属切削机理研究 t t ) t ) 图2 2 1 再生型切削颤振原理图 f i g 2 - 21r e g e n e r a t i v ec h a t t e rs c h e m a t i c 图2 2 2 再生型切削颤振原理图 f i g 2 2 2r e g e n e r a t i v ec h a t t e rs c h e m a t i c 在金属切削加工中，刀具会遇到突然出现的干扰力，这种突然的干扰力可以是 加工遇到材料的硬点，或者加工余量不均等，这会使工艺系统产生自由振动，并且 会在工件表面留下相应的振纹【3 2 】。当工件转到下一圈切到相应振纹时，切削厚度会 发生变化，致使切削力发生周期性的改变，从而产生再生型切削颤振，以下称切削 颤振。 图2 - 1 9 表示前一圈振纹y ( t - t ) 与后一圈振纹y ( t ) 之间不存在相位差，8 p 、g = 0 0 。切 入与切出的半个周期中的平均切削厚度相等，因而切出时切削力所作的正功( 正功 即获得能量) 等于切入时所作的负功( 负功即消耗能量) ，系统没有能量输入。 图2 2 0 表示y ( t - t ) 与y ( t ) 的相位差、i ，= 兀，这时切入，切出的半个周期中的平均切削 厚度仍然相等，系统还是没有能量输入。 图2 2 1 表示y ( t ) 超前于y ( t t ) ，即0 0 兀，这时切出比切入的半个周期中平均切 削厚度大，正功大于负功，系统有能量输入。因此产生自激振动的必要条件是y ( t ) 滞 后于y ( t n 。 切削颤振动的运动微分方程见公式( 2 3 ) ： 一 ， m y ( t ) + f y ( ，) + l o , ( t ) + p y ( f ) = 一七。6 【y ( r ) 一y ( t r ) 】 1 7 r t 罗 加卢， t v h叫一t二磷一 二| 河北科技大学硕士学位论文 式中： 卜刀具振子的等效质量； c 、p 一阻尼系数； 卜刚度系数； 一单位切削宽度的切削刚度； 扣一切削宽度； 卜工件转一周的时间； 一 y ( t - t ) 前一转切削的颤振轨迹： y 本转切削的颤振轨迹。 为讨论方便，设置如式( 2 - 4 ) ( 2 1 4 ) ： 国2 = k 聊 2 和i = c m 7 = a 0 2 m p m f o = 耐 t o = m t y 2 a o u b = a o b o k c = k c a o k - e 毛o 72 k c = k c o 其中： 口r 名义切削厚度： “、6 r 无量纲的参量； 一个小参数，且o iy i 5 图3 1 5 新型切断刀三视图 f i g 3 1 5 t h ed e wc u t t i n g - o f f t o o lt h r e ev i e w 河北科技大学硕士学位论文 利用计算机辅助设计设计出新型切断刀三维模型，如图3 1 6 所示。 图3 1 6 轴测图 f i g 3 - 16 a x o n o m e t r i cv i e u 普通切断刀磨制成新型柱面切断刀如图3 1 7 所示。 图3 1 7 新型切断刀结构 f i g 3 - 2 2 t h e n e wc u l l i n g - o f f t o o lb l a d es t r u c t u r e 从图示切断刀结构可以看出，切断刀前刀面、后刀面均是三个空间柱面，中间 凸起，两边下凹，是六个等直径的柱面相贯组成，切削刃是空间曲线，切削刃上各 点均不在同一个平面内。 3 3 6 新型切断刀性能试验及特点 在c a 6 1 4 0 车床上用磨制成形的硬质合金刀具切削工件，工件是4 5 号钢，直径 为8 0 毫米，如图3 1 8 、3 1 9 、3 2 0 所示。 第3 章基t - x 2 $ _ - - 面切断刀机理研究与设计 ；= = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = ： = ij ； 图3 - 18 新型切断刀低速切削试验 f i g 3 - 18 t e s to ft h en e w c u t t i n g - o f ft o o li nl o ws p e e dt u n i n g 图3 1 9 新型切断刀低速切削切屑 f i g 3 1 9 t h en e uc u t t i n g - o f f t o o li nl o 、s p e e dc u t t i n gc h i p 图3 - 2 0 新型切断刀高速切削试验及切屑 f i g 3 2 0t h en e wc u t t i n g o f f t o o li nh i g hs p e e dc u t t i n gc h i p 实验表明，新型切断刀无论在高速还是低速切削加工中，均具有良好的切削加 3 5 河北科技大学硕士学位论文 工性能。切削过程中产生的切屑横向收缩，因而切屑变窄，主要就避免了因为切断 过程中排屑空间小导致切屑卡在槽内的现象，能防止切断刀切削过程中切削力过大 导致刀片碎裂问题i 拍】。新型切断刀的导向性、分屑性以及断屑性均较好，切削力小， 切削工件断面质量较好，切削轻快。 ( 1 ) 导向性从新型切断刀俯视图上，我们可以很明显地看出，切削刃呈中间 凸起，两边凹，可以使刀具在切削加工时，得到稳定的三点支撑。所以，新型刀具 的导向性好。 ( 2 ) 分屑性因为切削刃是空间曲线，切削刃上的每个点都不在同一个平面内， 切屑沿前刀面的三个圆弧母线流出，切屑中间凸两边凹，所以，新型切断刀的分屑 性好。 ( 3 ) 断屑性新型切断刀前后刀面分别由三个等直径柱面相贯组成，且中间为 凸弧，两边为凹弧，切屑断面与前刀面形状一样，呈中间凸两边凹的弧状，两边凹 的部分切屑往往在受到前刀面的剪切和挤压的时候，由于材料加工硬化及受热变形 等因素的影响，形成的切屑会沿刀具径向收缩，两凹弧部分收缩时就会产生毛边裂 纹，稍有外力切屑就会断裂。所以，新型切断刀的断屑性较好。 ( 4 ) 切削力由于新型切断刀切削刃较双柱面切断刀切削刃长度加长，所以， 单位切削刃上的切削力要小，因此切削省力、轻快、减振。 3 5 本章小结 。 本章通过对双柱面切断刀切削机理的分析，阐述了双柱面切断刀的优点，通过 对双柱面切断刀的使用，阐述双柱面切断刀的优缺点，进而阐述改进双柱面切断刀 的思路。利用c a x a 软件对新型切断刀结构设计过程进行了分步设计，然后利用普 通硬质合金切断刀磨制成新型切断刀，用于在c a 6 1 4 0 车床对钢料进行切b r