（机械制造及其自动化专业论文）新型切断刀结构设计与试验研究.pdf

中文摘要 切削颤振，是金属切削过程中刀具与工件之间产生的一种十分强烈的自激 振动。由切削过程中所产生的动态周期性力激发而引起，并能维持其振动不衰 减。 在切削加工中，切削颤振不仅破坏了被加工零件的表面质量，而且还加速 了刀具的磨损，严重时甚至使切削无法进行。为了避免发生振动或减小振动， 有时不得不降低切削用量，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，而机械加工振动问题没有很好地解决是其中的一个重要原因。 由于在机械加工中车床上切断工件时最容易发生颤振现象，本文利用刀具 结构改进解决颤振问题。通过防止切断刀容易引偏刃磨导向槽，确定平面刀刃 形状，利用大的负前角增加进给抗力使阻尼控制在一定范围内同时确定了主切 削刃立体形状，将传统的平直型主切削刃优化为空间三点式切削刃，其中前两 点在加工中起切削作用，另一点有两个作用，一是：起到稳定支撑作用；二是： 将线形消振棱简化为点式，提高了刀具耐用度。自由切削刀具使单元刀具之间 存在的排屑干涉通过斯坦布勒平面进行排屑协调，而对于一把单元刀具来说总 有一个前刀面和后刀面组成的楔角使切削力趋于最小值，这就是机械加工中的 最小能量原理，同时也是自由切削刀具的设计理念基础，最后应用自由切削原 理进行刀具优化设计得到理想刀具。通过大量的切削试验验证了新型切断刀结 构的合理性，提高了生产效率。 关键词：阻尼颤振自由切削切断刀刀具结构 a b s t r a c t c u t t i n gc h a t t e ri s ak i n do fs t r o n gs e l f - e x c i t e dv i b r a t i o n ，w h i c hi se x c i t e db y t h ed y n a m i cc y c l ep e r i o dd u r i n gt h ec u t t i n gp r o c e s s ，a n dt h ev i b r a t i o nc a nb ek e p t o n d u r i n gt h ec u t t i n gp r o c e s s ，s e l f - e x c i t e dv i b r a t i o nn o to n l yd o e sh a r mt ot h e s u r f a c eq u a l i t yb u ta l s oe n h a n c et h ew e a ri nc u t t i n gt 0 0 1 c u t t i n ge v e nc a nn o tb e p e r f o r m e di fi ti sv e r ys t r o n g s o m e t i m e si no r d e rt oa v o i dc u t t i n gc h a t t e ro rm a k ei t w e a k ，c u t t i n gp a r a m e t e r sh a v et ob ec u td o w n t o d a y t h ec u t t i n ge f f i c i e n c yi so n l y e q u i v a l e n tt oh a l fo ft h a to fd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，a n di ti sav e r yi m p o r t a n tf a c t o r t h a tt h ep r o b l e mo fv i b r a t i o nd u r i n gm a c h i n i n gi s n ts e t t l e dw e l l h e r ec u t t i n gc h a t t e ri sd e a l tw i t h 粗i m p r o v e dc u t t i n gt 0 0 1 t h es h a p eo ft h e h o r i z o n t a lt o o le d g ei sd e f i n e db ys h a r p e n i n gt h eg u i d ew a y w i t hi n c r e a s i n gt h e n e g a t i v er a k e ，t h ef e e d r e s i s t i n g f o r c e i si n c r e a s e d ，t h u st h ed a m pi sc o n t r o l l e d w i t h i nac e r t a i nr a n g e ，b a s e du p o nw h i c ht h es h a p eo fa c t i v ec u t t i n ge d g ei s d e f m e d c o n v e n t i o n a l s t r a i g h t a c t i v ec u t t i n g e d g ei sc h a n g e di n t o t h r e e d i m e n s i o n a l t h r e e - p o i n tc u t t i n ge d g e ，a m o n gw h i c ht h ef o r m e rt w op o i n t sc u td u r i n gm a c h i n i n g w h i l et h el a t t e ro n es u p p o r ta n dd u r a b i l i t yi s i m p r o v e d a tt h em e a n t i m e f r e e - c u t t i n gt o o li sa nu t i l i t yt o o lt h a ti n t e r f e r e n c eo fc h i pr e m o v a la m o n gt h eu n i t t o o l si sc o o r d i n a t e db ys t a b l e r , a n df o ra nu n i tt o o lt h e r ei sa l w a y sat r i a n g l e c o n s i s t i n go far a k ef a c ea n daf l a n kt h a tc a nm a k ec u t t i n gp o w e ra p p r o a c h m i n i m u mv a l u e t h i si sm i n i m u me n e r g yp r i n c i p l ed u r i n gm a c h i n i n g ，w h i c hi st h e d e s i g nb a s eo ff r e e c u t t i n gt 0 0 1 l o n g e v i t yo ft h ei m p r o v e dc u t t i n gt o o ls e r v i c eh a s b e e nc o n f i r m e db yas e r i e so fe x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：d a m p e r , s e l f - v i b r a t i o n ，f r e ec u t t i n g ，c u t t i n gt o o l ，t o o l s t r u c t u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：l 初条；z 一 签字日期：力夕年厶少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期： 沁0 1 锻芗上 6 玛| 夕b 导师签名： 签字日期：0 7 年莎月7 日 第一章绪论 第一章绪论 机械制造业在整个国民经济中占有十分重要的地位，而其中金属切削加工 是基本而又可靠的精密加工手段，在机械、电机、电子等各种现代产业部门中 都起着重要的作用。工具的设计、制造和使用自古以来就很受重视，这里我们 所说的工具，不仅仅指进行机械加工的机床，我们更关心的是直接进行切削加 工的刀具。刀具是推动金属切削加工技术发展的一个极为活跃而又十分关键的 因素，可以说切削加工技术发展、革新的历史就是刀具发展的历史【1 j 。 1 1 课题研究的背景 1 1 1 切削加工在机械制造中的重要作用 制造是人类所有经济活动的基石，也是人类历史发展和文明进步的动力。 随着人类工业文明的不断进步，制造业己发展成为一个国家国民经济和综合国 力的基础。它一方面直接创造价值，是社会财富的主要支柱产业；另一方面， 它为国民经济各部门，为国防和科学技术的进步与发展，提供先进的手段和装 备。历史进入2 1 世纪，随着知识经济时代的来临全球的制造业再次进入一个 巨大变革的时代【2 】。现代制造业已成为发展速度快、技术创新能力强、技术密 集甚至知识密集的工业部门。信息化、服务化、高技术化是现代制造业的发展 趋判撕】，在各种制造业中，机械制造占有重要地位。 机械制造的核心是零件的制作。制造机械零件的方法大致可分为成形制 造和加工制造【。7 1 ，成形制造包括铸造( c a s t i n g ) 、锻造( f o 画n g ) 、焊接( w e l d i n g ) 等工艺，一般用于毛坯的制造。近年来开发的精确成形或称净成形工艺( n e t s h a p i n gp r o c e s s ) ，如精铸、精锻等也可用于半成品和成品的制造。快速原型制 造( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ) 用于模型的制造，与其它技术相结合，也 可用于制造金属零件 s - - 9 。加7 - 1 i i 造包括切削( c u t t i n g ) 、磨削( g r i n d i n g ) 等常 规工艺，也包括激光束加工( l a s e rb e a mm a c h i n i n g ) 、电子束加工( e l e c t r o n b e a mm a c h i n i n g ) 、电化学加工( e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ) 等特种工艺l l 。在 第一章绪论 所有这些方法中，切削加工至今仍然是并且在可以预见的将来仍将是零件制作 的最基本的工艺技术之一。正如国际生产工程学会( c i r p ) 早在1 9 7 1 年用德尔 斐法n 13 对“未来的制造工程”所预测的那样：“尽管工件的平均强度将会不断 提高，但切削加工仍然是制造成品所广泛使用的一种方法”。切削加工之所以 在各种先进加工工艺层出不穷的今天仍然保持强大的生命力，是因为与其它加 工方法相比，切削加工能经济地达到零件的尺寸精度、几何形状精度和表面粗 糙度要求【1 2 】。统计表明，经过切削加工的零件占零件总数的8 0 ，世界钢产 量的1 3 经切削加工成为各种产品。美国每年的切削、磨削费用达一千多亿美 元，1 9 9 1 年日本机械制造和装备的产值多达7 6 万亿日元【13 1 。目前，我国金属 切削机床的拥有量已达三百多万台，占机械制造中工作母机的8 0 9 0 ，各类 高速钢刀具的年产量达四亿件，硬质合金年产量五千吨。鉴于切削加工在世界 范围内对工业所起的巨大影响，各国都对切削技术给予高度重视。 1 1 2 刀具在切削加工中的重要作用 在机械加工中。金属切削机床和刀具作为切削加工的基础工艺装备。刀具 被称为机床的“牙齿 和“孪生兄弟”，无论是什么样的金属切削机床，都 必须依靠这“牙齿”才能发挥作用。刀具性能和质量直接影响到数百万台机床 生产效率的高低和加工质量的好坏。直接影响到整个机械制造业的生产技术水 平和经济效益。古人云：“工欲善其事，必先利其器，现代人说：“磨刀不 误砍柴功，把劲使在刀刃上，”这些都是我国劳动人民在长期的生产实践活动 中的经验总结。 金属切削加工是用刀具从工件表面切除多余的金属材料，从而获得在几何 形状、尺寸精度、表面粗糙度及表面质量等方面均符合要求的零件的一种加工 方法。其核心问题是刀具切削部分与工件表层的相互作用，即刀具的切削作用 和工件的反切削作用。这是切削加工中的主要矛盾，而刀具的切削作用则是矛 盾的主要方面【1 4 】。与机床或工艺系统比较起来，切削区十分微小，但我们丝毫 不能忽视它的重要性：一个不良的切削过程会使庞大、复杂、昂贵的机床形同 虚设，完全不起作用，甚至起副作用，而一个良好的切削过程是实现预期工艺 效果的先决条件。对于刀具在切削加工中的作用必须予以充分的重视。从近年 来工具行业的发展看，切削刀具在生产活动中的作用正越来越受到企业的重 视。在机械制造企业中，消耗在刀具上的直接费用虽然通常仅占生产成本的3 第一章绪论 4 f 1 5 】，可是，决不能因此忽视刀具在生产中的重要作用。实际上，刀具是机械 加工中最具活力的因素，它对生产效率、产品质量、成本及环境都有决定性的 影响。除了刀具的直接费用以外，还必须充分认识到刀具的选用对于整个生产 费用的影响l l 酬。 采用新型刀具实现高效、优质、低成本生产是现代企业提高经济效益的重 要途径l l 。欧洲一家生产液压阀体的工厂，在老工艺中主要使用高速钢钻头、 铰刀、丝锥等普通工具，在新工艺中主要使用硬质合金阶梯钻头、内冷却硬质 合金钻头、硬质合金铰刀等新型工具。实用效果是，刀具总费用节约4 4 ，生 产时间减少5 8 ，生产成本降低5 6 8 。现在，国内很多企业都花费大量外汇 引进了数控机床甚至加工中心，结果往往是先进的设备使用落后的刀具，其优 良性能根本得不到发挥，造成了浪费。刀具材料的改进固然是刀具技术发展的 一条主线，可是，在现有的刀具材料的基础上，通过刀具几何设计改善切削状 态也是生产实践中一条行之有效的方法。c i r p 曾公布一项研究报告指出：“由 于刀具材料的改进，刀具许用切削速度每隔十年提高一倍；而由于刀具结构和 几何参数的改进，刀具耐用度每隔十年几乎提高二倍【1 3 】”。采用新型刀具材料 可以提高刀具的切削性能，而优化刀具切削部分的几何形状则能充分发挥新型 材料的威力。令人遗憾的是长期以来刀具切削部分的几何设计主要依靠经验， 依靠t r y - a n d e r r o rm e t h o d 。效率低、开发周期长，这显然已经阻碍了新型刀具 的开发和使用，我们需要有效的刀具设计理论。 1 1 3 切削理论的新进展及其对刀具设计的启示 切削理论经历一个多世纪的发展【l8 】取得了丰硕的成果。早期的研究者主要 基于宏观切削试验，研究各种工艺参数对切削的物理过程的影响规律，并依据 试验数据拟合经验公式。如美国工程师泰勒经过2 6 年5 万多次试验，在1 9 0 6 年提出了沿用至今的刀具耐用度公式【坶j 。 随着粉末冶金技术、模具制造技术、数控刃磨技术的高度发展，现代金属 切削刀具的切削部分已可做成十分复杂的形状。在生产实际中大量遇到的是各 种复杂形状的刀具及其相对于工件的复杂运动，属于三维切削。为了建立复杂 形状刀具的三维切削模型，研究者们采取了两种建模方法：是综合法，即等 效刀刃法；二是分解法，即微分刀刃法。前一种方法用一条直线等效刀刃代替 实际的复杂形状的刀刃，并基于等效参数应用直线或斜角切削模型建立实际刀 第一章绪论 具的切削模型。如m r a h m a n 等【2 0 】应用这种方法建立了考虑刀尖圆弧半径影响 的硬质合金刀片( 无刃倾角) 的切削模型，j ，a a r s e c u l a r a t n e 等1 2 l j 建立了带刃 倾角的切削模型。后一种方法是将实际刀具沿刀刃分解为一系列单元刀具，各 单元刀具具有直线刃，进行斜角切削，分别计算各单元刀具的状态参数，然后 通过求合或积分得到实际刀具的状态参数，如a r w a t s o n 2 2 - 2 5 、 d a s t e p h e n s o n 2 6 - 2 8 ，应用这种方法建立了钻头的三维切削模型。在应用微分 刀刃法建立刀具三维切削模型时，一个无可回避的事实是个单元刀具并非是互 不影响的各自独立的进行切削，它们之间存在排屑干涉以及为维系排出切屑的 整体性进行的排屑协调。如何从理论上定量描述排屑干涉以及排屑协调的规 律，这是应用微分刀具法建立刀具三维切削模型的核心问题。在这方面，我国 学者师汉民教授 2 9 - 3 3 】做出了开创性的工作。他基于最小能量原理，提出了单元 刀具非线性综合法，成功地解决了复杂刀具的建模问题，理论分析与预测结果 得到了实验的验证。 分析上述两种建立复杂形状刀具切削模型的方法，不难发现，等效刀刃法 实际上是将三维问题转化为二维问题，这必然会引起误差。而考虑排屑干涉和 排屑协调的微分刀刃法，能更令人信服的建立实际刀具的三维切削模型，是一 种有巨大应用潜力的建模方法。c i r p 的切削工作组在1 9 9 5 和1 9 9 6 年的工作 报告【3 4 - 3 5 】中都提到了加工工序的建模问题，并进而提出了切削工序的统一建 模框架【3 6 1 ，其原理如图1 1 所示。 第一章绪论 实际层 困上t 困 单元刀具切削 过程分析 五夏亟互蓝国 切削数据库 厂 i 查询i 1 - j 图i - i 切削工序的统一建模机理 在实际层，通过对实际加工工序的分析，计算切削层参数，沿刀具将实际 刀具分解为有限数目的单元刀具，并计算各单元刀具的几何角度和切削层参 数。在单元刀具切削过程分析中，通过选用适当的斜角切削模型，计算单元刀 具的形态参数，其中用到的有关刀具和工件相互作用的动态特性可通过查询切 削数据库得到。将各单元刀具的状态参数通过非线性综合法，得到实际加工工 序的状态参数。 上述用微分刀刃法建立复杂形状刀具切削模型的过程对于刀具设计具有 重要的启发作用。如果我们把前述建模过程反过来考虑，就会得到很有益的启 示；实际刀具可以看作由一系列单元刀具组成，按照实际加工工序的要求及有 关边界条件，选用适当的单元刀具并把它们有机地结合起来，就构成了一把实 际的切削刀具。此即基于单元刀具有机组合的金属切削刀具设计思想。 把上述设计思想转化为设计理论的关键是选择什么样的单元刀具来进行 组合，组合的原则是什么。为回答这些问题就必须兼顾单元刀具自身的切削性 能及单元刀具间的排屑干涉，找出它们中间的某种或多种合理的折中方案，尽 第一章绪论 可能消除或减轻排屑干涉，实现自由、或准自由切削。 金属切削过程可分为自由切削( f r e ec u t t i n g ) 和非自由切削( n o n f r e e c u t t i n g ) 两类，后者指各段刀刃的排屑存在相互干涉的一种切削方式。实际的 切削工序绝大多数为非自由切削，其特征是变形剧烈，能耗大，温度高，刀具 磨损快，加工表面易恶化。研究表明【3 7 3 8 】，由于各段刀刃的排屑干涉，就足 以使切削功率消耗翻一番，而功耗所转换成的切削热又会加剧刀具的磨损与钝 化。因此，现代切削加工中的许多问题往往源于非自由切削的这些弊端。 实现自由切削是避免非自由切削种种弊端的有效途径。传统的观点认为， 只有当刀刃是一条直线时，才可能实现自由切削。研究表明【3 丌，实现自由切削 的充要条件是所有单元刀具的自然排屑向量刚好组成刚体运动。切削是否自由 与刀刃是否为直线并无直接关系。任何形状的刀具，只要合理设计刀刃和前刀 面的形状，以疏导排屑，就能消除排屑干涉，实现自由切削。 随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展，高速切削和超高速切削 已成为当前切削技术的重要发展趋向，这就要求刀具的可靠性高，切削性能好， 能稳定地断屑和卷屑，精度高，并能快换或自动更换等。因此，对刀具材料、 刀具结构以及刀具的装夹都提出了更高的要求【3 9 】。 1 2 课题研究的目的和意义 本课题选择金属切削过程中消耗量很大、对金属切削质量和效率有关键影 响的硬质合金切断刀作为研究对象，在科研项目车床专用切断刀研究的基础上 进一步探讨刀具结构设计的新方法，进而研制高性能、低成本的新型切断刀， 不仅具有一定的学术价值，而且有非常重要的实际应用意义。 第一章绪论 1 3 课题的主要内容 1 金属切削过程中新型切断刀如何解决颤振问题。 2 应用最小能量原理和自由切削理论对切断刀进行结构改进。 3 新型切断刀从刀具结构上增大径向方向的阻尼，使之与普通切断刀进行 切削实验对比分析它们的切削平稳性及刀具寿命。 4 研究刀具几何参数相对于刀具寿命的影响，采用正交试验设计方法进行 切断刀切削中碳钢的切削试验，根据试验数据分析各几何参数对切断刀寿命的 影响，提出合理的切断刀具设计结构参数。通过对试验数据的进一步分析，归 纳出新型切断刀的最佳结构参数。 第二章金属切削概述 第二章金属切削概述 2 1 刀具材料的发展简史 刀具材料的发展史，实际上就是不断提高刀具材料耐热性能的过程。 1 8 世纪后半期，采用碳素钢作车刀，由于耐热性很低( 2 0 0 左右) ，切钢 时的切削速度仅为6 - - 一8 r n m i n ，切铸铁的速度为3 - - 一5 r n m i n 。用碳素工具钢车 刀锉削瓦特蒸汽机的一个大汽缸的孔和端面需用去2 7 5 个工作日。1 8 6 1 年英 国人m u s h e t 制成含钨的合金工具钢。1 8 9 8 年美国人t a y l o r 和w h i t e 研究成功 了高速钢，最初的高速钢含钨8 ，含铬3 6 ，切削速度达1 2 m m i n ，1 9 0 6 年 确定的高速钢最佳成分为：c 0 6 7 ，w - 1 8 9 1 ，c r - 5 4 7 ，m n 0 1 1 ， v - 0 。2 9 ，其余为f e 。从1 9 0 0 年到1 9 2 0 年，出现了添加钒和钴的高速钢，使 耐热性提高到5 0 0 6 0 0 。c ，同时还出现了铸造钴基合金( 斯太立特合金) ，使 切削速度达到了3 0 - - 一4 0 r n m i n ，切铸铁的速度提高了近6 倍。高速钢的出现， 引起了金属切削实践的革命，大大提高了金属切削的生产率，并要求完全改变 机床结构，以适应新刀具性能的要求。 1 9 2 5 年德国人史律太尔发明了硬质合金。最初研制的是w c c o 合金，耐 热性达到了8 0 0 。c ，切削速度提高到4 0 m m i n 以上。这种合金加工铸铁时效果 很好，加工钢时的耐用度却很低。到了1 9 3 1 年，出现了在w c c o 合金中添加 t i c ，即w c t i c c o 合金，其耐热性达到9 0 0 。c 以上，切钢时的切削速度达到 2 2 0 m j m i n 。这就是说，在这4 0 年间，由于刀具材料耐热性的提高，切削速度 提高了近4 0 倍，切削钢类硬质合金的出现，进一步完成了从w c c o 合金开始 的机械加工的刀具革命。 随着制造业的发展，新型刀具材料不断涌现，比如陶瓷刀具、金刚石刀具、 立方氮化硼等超硬材料刀具的出现，使切削加工的水平提高到一个崭新的水 平，切削速度大幅提高。使一些原来难加工或不可切削加工的硬脆材料的加工 也成为可能。 在现代刀具材料中，硬质合金占主导地位。由于制造质量的提高和添加 了熔点更高的碳化物( t a c n b c 等) ，制成了w c - t i c t a c ( n b c ) 一c o 。合金以 第二章金属切削概述 及后来出现的以t i c 为基本成分的t i c ，n i c o 合金，它们的耐热性提高到 1 0 0 0 - l1 0 0 以上，因而切削速度更高。1 9 6 8 年前后开发的涂层硬质合金刀 具是刀具材料领域里的又一次革命，它促使切削加工水平和能力向前迈进了一 大步，耐热性提高到1 0 0 0 1 2 0 0 以上，随着新型涂层材料的不断涌现，新 型涂层技术的不断发展，硬质合金涂层刀具的使用领域不断扩大，在高速切削 和超硬材料加工方面得到广泛应用，其优良的性价比使硬质合金刀具的发展上 了一个新台阶。 2 2 切屑形成机理 切屑形成是一个复杂过程，在不同条件下切屑的形成机理不同，因而切屑 会呈现出不同形态。在对塑性材料进行切削加工时由于工件材料剪切滑移而形 成切屑，所以切屑的形态有带状、挤裂、单元型；但对脆性材料进行加工时， 由于工件中裂纹扩展而形成切屑，所以其形态主要为崩碎状切屑，但在某些条 件下也可获得连续带状或剪切型切屑。切屑按几何形状归纳大致有四种类型i 如图2 1 所示。 咎- 邕0 筐蛰筐 ( a ) 带状( b ) 挤裂 ( c ) 单元 ( d ) 崩碎 图2 1 常见的四种切屑类型 第二章金属切削概述 2 3 塑性材料二维切削过程 图2 2 塑性材料二维切削过程示意图 从图2 2 中可以看出，在切削塑性材料时存在三个变形区。第一变形区( i ) 是被切削层材料向切屑转变时的塑性变形区，从切屑根部照片可看到严重变形 区和未变形区存在明显的界线，被切削层材料在很短时间内完成了主要的变 形。第二变形区( i i ) 由于切屑在前刀面上流出，在较高温度下受到刀具的挤 压作用进一步发生严重变形。第三变形区( ) 为已加工表面与后刀面的摩擦 以及第一变形区的残留部分构成。 塑性材料的切屑形成过程可以描述如下：当刀具和工件开始接触的瞬间， 切削刃和前刀面在接触点挤压工件，使工件内部产生应力和弹性变形。随着切 削运动的继续，切削刃和前刀面对工件的挤压作用加强，使工件材料内部应力 和变形逐渐增大，当应力达到材料屈服极限时，被切削层材料沿着剪应力最大 的方向滑移，产生塑性变形。随着滑移的产生，剪应力逐渐增大，当剪应力达 到材料的屈服极限强度，切削层材料产生流动，当流动方向与前刀面平行时， 不再产生滑移，切削层材料沿前刀面与基体分离。以上过程发生在第一变形区 中。试验证明，随着切削速度的增大第一变形区变薄，一般切削速度下，第一 变形区厚度仅为0 0 2 ：- - 0 2 m m 。因此可以用一个平面o m 来表示第一变形区。 剪切面o m 与切削速度方向的夹角称为剪切角，如图3 2 所示。 当切屑沿前刀面流出时受到前刀面的挤压与摩擦，在前刀面摩擦阻力的作 用下，靠近前刀面的切屑底层再次产生剪切变形也就是第二变形区的变形，使 薄薄的一层材料流动滞缓，晶粒再度伸长，沿着前刀面方向纤维化。这流动滞 缓的一层金属称为滞留层，它的变形程度比切屑上层剧烈几到几十倍。 第二章金属切肖u 概述 总之，塑性材料的切屑形成过程，就其本质来说，是被切削材料在刀具切 削刃和前刀面作用下，经受挤压产生剪切滑移变形的过程。 2 4 切削层变形程度衡量及观察 衡量切削层变形程度的指标，通常有变形系数、剪切角和相对滑移，而变 形系数和剪切角比较直观便于测量。切屑变形测量有静态方法( 切屑根部镶嵌 试样制各) 和动态方法( 高速摄影) 。 金属切削加工中切下的切屑，其尺寸不同于切削层的尺寸。变形系数是切 削层长度和切屑长度的比值，或者是切屑厚度和切削层厚度的比值。变形系数 一般是大于1 的数。变形系数越大，切屑的变形程度就越大。剪切角越小，切 屑的变形程度就越大。 变形系数的测量方法有长度法和重量法( 即在车床、刨床或铣床上进行 实验，获得切屑形成前后的长度，从而求得变形系数) 及切屑根部显微测算法， 后面方法同时还可测量剪切角。但是上述方法属静态观察，目前国内外已采用 高速摄影、电影示波及扫描电镜对切削层进行动态观察。 2 5 积屑瘤的产生及作用 在切削塑性材料时，往往在前刀面上紧靠刃口处粘结着一小块很硬的金属 楔块，如图2 - 3 ( a ) 所示，这个楔块称为积屑瘤，图2 - 3 ( b ) 为楔形积屑瘤的照片。 切削塑性材料时，由于前刀面与切屑底面之间的挤压与摩擦作用，使靠近 前刀面的切屑底层流动速度减慢，产生一层很薄的滞留层，使切屑上层金属与 滞留层之间产生相对滑移。上下层之间的滑移阻力，称之为内摩擦力。在一定 切削条件下，由于切削时产生的温度和压力，使得刀具前刀面与切屑底部滞留 层之间的摩擦力( 称之为外摩擦力) 大于内摩擦力，此时滞留层金属与切屑分 离而粘结在前刀面上。随后形成的切屑，其底层沿着这被粘结的一层相对流动， 又出现新的滞留层。当新旧滞留层之间的摩擦力大于切屑上层金属与新滞留层 之间的内摩擦力时，新的滞留层又产生粘结。这样一层一层地滞留、粘结，从 而逐渐形成一个楔块，这就是积屑瘤。 第一审金属削概迹 a ) 积屑瘤示意图( b ) 楔形积屑瘤的照片 图2 - 3 积屑瘤 在积屑瘤生成过程中，它的高度不断增加，但由于切削过程中的冲击、振 动、负荷不均匀及切削力的变化等原因，会出现整个或部分积屑瘤破裂、脱离 及再生的现象。由于滞留层的金属经过数次变形强化，因此积屑瘤的硬度很高， 一般是工件材料硬度的2 3 倍。积屑瘤形成后，代替切削刃和前刀面进行切 削，有保护切削刃、减轻前刀面及后刀面摩擦的作用。但是当积屑瘤破裂脱落 时，切屑底部和工件表面带走的积屑瘤碎片，分别对前刀面和后刀面有机械擦 伤作用；当积屑瘤从根部完全脱落时，将对刀具表面产生粘结磨损。积屑瘤生 成后刀具的实际前角增大，减少了切屑变形降低了切削力。积屑瘤有一定的伸 出量，因而改变了切削深度和进给量，影响尺寸精度，对精加工影响尤为显著。 2 6 切削颤振 2 6 1 切削颤振及其危害 在生产实践中，一般来说机床的振动是不希望产生的。这是因为振动所产 生的噪声能刺激操作工人引起疲劳，降低工作效率并且它又能使机床零件过 早出现疲劳破坏，从而使零件的安全程度、可靠性和强度下降，机床的振动还 会导致被加工工件的精度降低刀具寿命和生产率下降。 在机床e 面发生的自激振动类型较多，例如回转主轴( 或与工件联系、或 与刀具联系) 系统的扭转或者弯曲自激振动；机床床身、立柱、横梁等支撑件 的弯曲或扭摆自檄振动；切屑形成的周期性引起的颤振和整台机床的摇晃。此 外还有机床工作台等移动部件在低速运行时所发生的张弛摩擦自激振动( 通称 爬行) 等等。通常把金属切削过程中表现在刀具与工件闻强烈的相对振动的这 第二章金属切削概述 种自激振动称为“颤振”：切削过程中形成不连续切削的周期与工件、刀架或 者机床的传动机构中的任一部分振动的固有周期相同，是产生颤振的主要原因 之一。自二十世纪4 0 年代以来，切削颤振一直是机械制造行业与切削加工领 域的一项重要研究课题。 切削颤振由切削过程中所产生的动态周期性力激发而引起，并能维持其 振动不衰减。机械加工中的颤振是影响机械产品加工质量和机床切削效率的关 键技术问题之一。切削颤振叠加在剥离多余金属必须的工作运动如切削、进给 及切入运动上，并影响刀具乃至机床的使用寿命。为减小颤振所带来的不良影 响，加工中被迫临时改变切削用量，如降低切削深度等。而这却妨碍充分利用 机床额定功率，导致加工工时，即制造成本上升，延误工期。颤振问题在投资 庞大的现代化数控机床上尤为值得关注，因为这类机床的经济性建立在其时间 和功效方面的高度利用上。长期以来，机械制造业中的噪声污染相当突出，大 大超过国家环保标准。刺耳的噪声是工件一刀具系统强烈切削颤振的结果，它 降低了产品的表面质量，降低了生产效率和刀具、设备寿命，增加了材料和能 源消耗。同时会诱发长期在这种环境下工作的人们的心血管等系统疾病，严重 危害人们的身心健康。 2 6 2 控制切削颤振的意义 研究切削颤振现象及其控制理论的意义在于：可使人们更加深入地认识切 削颤振的物理本质，从而发展控制理论及相关技术，促进机械工程的发展。其 实践意义则在于：采用切削颤振的控制技术及手段，可大大减轻甚至消除切削 颤振及其所带来的各种不良影响，极大地改善人们的工作环境，提高工作效率， 减少切削能源的消耗，提高刀具和设备的使用寿命，并将产生直接或间接的经 济效益和社会效益。 2 6 3 切削颤振成因的理论 1 再生颤振理论 目前，对切削颤振形成的物理原因，主要依据三种理论进行解释：再生颤 振是由于上一次切削所形成的振纹与本次切削的振动位移之间的相位差异导 致刀具切削厚度的不同而引起的颤振。最初提出这种现象并给它取名为 r e g e n e r a t i v e ( 再生的) 的是r o b e r ts h a h n 。此后，以s a t o b i a s ，j t l u s t y $ 1 星铁 第二章金属切削概述 太郎( t e t s u t a r oh o s h i ) 为代表的一大批研究者对再生颤振理论进行了大量的研 究。在线性模型范围内发展了一套较为完善的理论与方法，模型如图2 4 所示。 一x ( t ) 数学表达式为： 图2 _ 4 再生颤振理论系统框图 im 2 ( t ) + 反( 吩+ k x = - f ( t ) l 厂( f ) = k 【工( f ) 一工( f f ) 】+ c 膏o ) 一戈o f ) 】( 2 - 1 ) 式中，m ，c ，k 分别为机床结构失稳模态的模态质量、模态阻尼和模态刚度；k ， c 分别为切削过程中的切削刚度与切削阻尼；t 为相邻两次切削的时间间隔；f ( t ) 为动态切削力；x ( 0 为振动位移。所谓“再生”，是指动态切削力f ( t ) 是由相邻 两次切削振动x ( t ) 与x ( t f ) 的相位差( 即动态切削厚度) 的不同而引起，其中，x ( t ) 一x ( t f ) 是切削厚度的再生效应，虫( t ) 一虫( t 一印：切入率的再生效应【4 1 】 目前，国内外对这种颤振机理研究的最多【4 2 删，也由此提出了许多相关的 诊断方法。如利用机床主轴前后两转切削振动轨迹相位差1 l ，来预测切削颤振 【4 5 4 7 】，但这些诊断方法都还处于理论实验阶段。 2 振型耦合理论 在某些完全不存在再生颤振条件的切削状态下，如在切削螺纹时，后一转 的切削表面与前一转的切削表面完全没有重叠，但也经常发生颤振。由于这时 刀尖与工作面的相对轨迹是一个近似椭圆，颤振同时产生在两个方向。人们由 此得出结论：当振动系统在两个方向上的刚度相接近时，两个固有振型相耦合， 因而引起颤振，进而提出在设计机床时应考虑如何配备机床各部件在不同方向 的刚度。 第二章金属切削概述 3 负阻尼特性理论 f ( t ) + 4 f ( t ) f ( t ) f t ) - a f ( t 图2 5 切削力速度关系曲线 人们在实践中同时发现，在切削过程中，切削速度变大的瞬间，切削力减 小，即切削力对切削速度具有下降特性如图2 5 所示，因而产生一负摩擦，为 系统颤振提供了能量。其数学表达式如下： 朋瞄+ 蔬+ h = 一( f o + c 譬)( 2 - 2 ) 其中。c 为系统正阻尼。c 为切削力随速度变化的斜率；f o 为稳态切削力。对 式( 2 - 2 ) 进行变换得： m 量+ ( c + c ) 量+ h + f o = 0 由式( 2 - 3 ) 可知，当c + c 7 0 时，系统振动将持续增强， 统产生的负阻尼一定很大，足以抵消其本身的正阻尼。 2 6 4 减小切削颤振的措施和方法 ( 2 3 ) 即当c - - c 7 时，系 众所周知，将主轴转速、进给量、切削宽度以及刀具角度等切削参数适 当调整，即可抑制颤振的发生。其中最为突出的是改变主轴转速的变速切削， 对颤振的抑制效果显著。因为机床整体结构的复杂性，控制颤振的理想手段应 该可以从其局部部件着手，包括对机床床身、立柱等基础部件的改进，以提 高机床的抗振性能；也可以对机床的刀具结构进行必要的改进。本文所研究的 第二章金属切削概述 新型切断刀的设计思想是建立在增大阻尼的基础之上，利用颤振理论结合刀具 结构设计，解决切削加工中的颤振问题。 2 7 本章小结 本章阐述了刀具材料的发展，在现代刀具材料中，硬质合金占主导地位， 其优良的性价比使硬质合金刀具的发展上了一个新台阶，选用硬质合金材料作 为试验刀具具有普遍性，并具有较高的实用价值。 阐述了金属切削过程切削层变形的情况，分析了积屑瘤对加工的影响。分 析了切削颤振及其危害，控制切削颤振的意义，阐述了切削颤振成因的理论， 切断刀切断金属材料时，由于径向方向力对振动的影响，提出了减小切削颤振 的措施和方法，对硬质合金切断刀加工时产生振动的分析及采取措施提供了理 论依据。 第三章自由切削理论 第三章自由切削理论 排屑方向是金属切削理论的基础研究课题之一，国内外众多学者对这一问 题进行了广泛的研究。前苏联学者佐力夫等提出了用测量切屑宽度尺寸或测量 螺旋管状切屑的螺旋升角来决定切屑流出角；斯坦布勒【4 8 】经过大量的切削试验 后提出了流屑角的“斯坦布勒法则”即流屑角与切削刃的刃倾角相等；日本的 臼井英治4 9 1 认为切屑将沿着受阻力最小的方向流出；科威尔【5 0 】利用切削刃弦 来确定主、副刀刃同时参与切削时，切屑的流出方向。我国学者在这方面也作 了一些研究工作 5 1 , 5 2 。 实际上切屑的流动是由于参与切削的各段刀刃所切出切屑相互干涉以及 为维系切屑整体性而相互协调的结果，解决排屑方向问题的关键在于研究非自 由切削状态下的排屑干涉、排屑协调及其规律。 3 i 单元刀具和最t j 、b y 量原理 一把金属切削刀具可视为一系列单元刀具的组合。单元刀具具有直线刃， 进行斜角切削，其刀刃上各点的工作角度大致相同，其切削状态可视为自由切 削，单元刀具是构成现代各种实际刀具的元素。单元刀具的排屑向量( 包括排 屑方向和排屑速度) 的自然取值总是使主切削力或切削功率趋于最小。最小能 量原理最早是作为一种具体的方法而在切削理论的研究中被应用过，而以任何 方式强制排屑向量偏离其自然取值，必然导致切削功率的上升，此即单元刀具 切削下的最小能量原理。几乎所有的实际切削加工工序都属于非自由切削。在 非自由切削过程中，最小能量原理保证了整把刀具的切削能耗最小，但因为无 法使每个单元刀具的实际排屑向量都与其自然排屑向量一致，因而并不能使每 一个单元刀具的切削能耗都趋于最小。 第三章自由切削理论 3 2 自由切削刀具的原理 实际的切削工序绝大多数为非自由切削，其特征是变形剧烈、能耗大、 温度高、刀具磨损快，加工表面易恶化。由于各段刀刃的排屑干涉，就足以使 切削功率消耗翻一番，而功耗所转换成的切削热，又会加剧刀具的磨损与钝化， 因此，现代切削加工中的许多问题往往源于非自由切削的这些弊端。自由切削 刀具是通过其几何形状的设计减少或消除切削刀刃各部分切削与排屑过程存 在着的干涉。若将刀具的切削刀刃分解为无穷多个微分单元刀具，设第i 个单 元刀具的刃倾角为兄。，自由切削的流屑角为够，则根据理论分析和实验研究 【5 3 】得：矽，彳。，若根据工艺要求预先在前刀面的切平面上给定刀具一个流屑 方向，则它与第i 个微分单元刃切线间夹角的余角即为设计流屑角纨，设 a = 一够a 一以l 通过设计调整刀面及刀刃曲线方程，使整个刀刃上的 1 均为零或很小值，就能够实现自由或准自由切削。实现自由切削是避免非 自由切削种种弊端的有效途径。切削是否自由与刀刃是否为直线并无直接关 系，任意形状的刀具，只有合理设计刀刃和前刀面的形状，以疏导排屑，就能 消除排屑干涉，实现自由切削。 3 3 斯坦布勒( s t a b l e r ) 平面 设v 1 为切削速度方向的单位向量，v c l 为排屑速度方向的单位向量。以v l + v o l 为法向矢量的平面s 称为“s t a b l e r 平面”，如图3 1 ( b ) 所示。 疏导排屑向量、消除排屑干涉的原理、s t a b l e r 法则【5 3 】给出关于自然排屑角 度伊，。( 即排屑方向与前刀面内刀刃法线方向之间的夹角) 与刃倾角k 之间的一 个简单的经验关系，即缈，。冬。文献 - 5 3 表明，在通常的工艺范围内，s t a b l e r 由经验关系给出的排屑角度大体上是使切削功率取极小值的自然排屑角度，从 而赋予s t a b l e r 法则这一经验关系以理论上的解释。s t a b l e r 法则提示了一条通过 合理设计刀刃上各点的刃倾角以疏导排屑向量，消除排屑干涉的途径。 第二章自由切削理论 3 4 柱面刀具实现自由切削的几何条件 将自由刀具i 殳计的基本理论应用到硬质合金刀片r 的关键是确定刀刃和 前刀面的形状，直纹面自由切削刀具的刀刃必为s t a b l e r 平面内的条曲线如图 3 - 】所示。所以，只要给f i j 直纹面曲线的方位，即流屑方向和切削速度方向就 可求出s t a b l e r 平面，由s t a b l e r 平面和刀具后刀面相交既可求出刀刃，将直纹面 母线沿刀刃平移，就可得到前刀面。从几何关系e ，不难看出，o c 是z a c b 平分线，园此，直角三角形a o c 与直角三角形b o c 全等o a = o b ，所以，直 纹面自由切削刀具主、副刀刃之间过渡部分的前、后刀面是半径相等的柱面。 新型切断刀利用了取柱面刀具自由切削原理，实现结构优化，三维图及原理图 如图3 2 所示。 ，跨 ( 曲( b ) 图3 1 双柱面刀具自由切削三维图及原理图 痢一章e l 巾切削理论 前刀 主切 后刀 3 5 本章小结 圈3 - 2 新型切断刀自由切n - - 维图及原理图 本章着重阐述了展小能量原理和斯坦布勒平面等概念及自由切削刀具的 原理。通过分析，把斯坦布勒平面内的双柱面交线作为切断刀的主切削刃，刃 倾角