加工刀片槽型设计

对采用新型断屑槽的几何参数对断屑性能的影响对采用新型断屑槽的几何参数对断屑性能的影响 Ning Fang Department of Mechanical Engineering Nanjing Uni6ersity of Aeronautics and Astronautics Jiangsu 210016 People s Republic of China 摘要摘要 目前 随着柔性制造系统 FMS 的越来越广泛的应用 计算 机集成制造系统 CIMS 等现代技术广泛采用可转位刀具刀片与新 型断屑槽 刀片的断屑性能被认为是保证加工过程连续性的重要因 素之一 因此 当使用的新型断屑槽时 有必要较为系统和全面地 研究断屑的规律 在目前的研究中 已经对非对称断屑槽 AGT 和对称断屑槽 SGT 的断屑性能做了详细的比较 实验结果表明 用 AGT 来代替 SGT 并在加工过程中调查断屑的规律是可行的 采用 新型断屑槽时 通过大量的切削实验研究断屑槽的几何参数对刀片 断屑性能的影响 通过多元线性回归的方法 建立两个数学模型来 模拟的新型断屑槽的断屑性能 该理论模拟结果与给定切削条件下 的实验结果相吻合 关键词 关键词 不对称断屑槽 对称断屑槽 刀片 断屑 精品文档 2欢迎下载 1 1 引言引言 如今 生产自动化随着现代技术的出现而日趋复杂 例如 各 种的高速机床 组合机床 数控机床 自动生产线 柔性制造系统 FMS 和计算机集成制造系统 CIMS 等 因此可转位刀片得到广 泛的应用 刀片的优良断屑性能被视为维持加工过程的连续性的重 要因素之一 可转位刀片的前刀面上设压切屑槽是断屑的有效方法之一 许 多研究人员已对断屑槽的几何参数对刀具刀片的断屑性能的影响进 行过研究 1 7 尽管过去的研究对实验做出了显著贡献 但他们还 是存在以下这些缺点 i 现存在大量分散而不系统的实验数据 例如 在断屑槽的 众多几何参数中只有槽宽和槽深 被认为是影响切屑卷曲半径和断 屑的主要因素 ii 早期的实验数据已经过时 过去的许多研究活动集中于使 用断屑槽宽通常超过 3 毫米的老式的断屑槽 而新型断屑槽与老式 相比有许多不同的几何特征 因此 那些珍贵的研究结果对研究新 型断屑槽毫无用处 iii 新型断屑槽的设计而产生的问题仍待解决 例如 目前仍 然不能确定断屑槽的一些几何参数 如槽底面的高度和凹槽的宽深 之比 是否有存在对刀片断屑性能的影响 精品文档 3欢迎下载 因此 本研究的目的是为了弥补上述研究的不足和满足发展现 代新型断屑性能的要求 使用新型断屑槽时 在断屑槽的几何参数 对刀片断屑性能的影响进行了较为系统和全面的研究 2 2 两种断屑槽的对比实验两种断屑槽的对比实验 2 1 AGT 和 SGT 的概念 在众多的断屑槽中 最常见是沟槽型和阻塞型 8 位于刀具前 刀面的断屑槽的手段的沟型断屑槽断片 沟槽型断屑的效果是通过 设置在前刀面的断屑沟槽来实现的 所用的断屑槽可通过研磨或通 过压制和烧结制成 阻塞型断屑槽通过在刀片前刀面设置障碍物来 断屑 因为在实际加工过程中 阻塞型断屑槽的断屑能力范围较窄 所以目前该种断屑槽的使用比沟槽型要少 因此 本研究主要探讨 沟槽型断屑槽 图 1 外观 a SGT b AGT 鉴于刀片的外观差异 沟槽型断屑槽又可分为非对称槽型 AGT 和对称槽型 SGT 两种 AGT 型断屑槽的槽底面延伸至与 精品文档 4欢迎下载 刀片副切削刃相交 而 SGT 型断屑槽则不同 具体可看图 1 所示 目前 SGT 断屑槽凭借其可以在两个方向进给的优势 应用因此比 AGT 类型更为广泛 AGT 断屑槽可以通过研磨制得而 SGT 则不能 后者只能通过压 制和烧结而制成 通常这是一个耗时耗费的过程 研究人员想在实 验室短时间内制成大量 SGT 断屑槽是不太可能的 因为在实验室 利用研磨的方法可以很容易制备出大量的 AGT 断屑槽 因此可以利用 AGT 代替 SGT 并研究断屑槽的几何参数对刀 片断屑性能的影响 在本研究中 金刚石砂轮用于研磨制作 AGT 硬 质合金刀具的表面 对上述替代的实用性进行了如下研究 2 2 两种断屑槽的比较实验 AGT 和 SGT 两种断屑槽 分别在车床上切割中碳钢 两种断屑 槽的槽型有相同的沿刀具主切削刃方向的几何参数 保持切割速度 在 110m min 不使用冷却剂 2 2 1 断屑的最小进给 f min 和最小切削深度 a pmin 的比较 所谓断屑的最小进给量 f min 和最小切削深度 a pmin 分别是当设置最小的进给值和切削深度时 刀片仍可在加工时的断 屑 如图 2 所示的实验结果可见 SGT 断屑的最小进给量 0 137mm rev 略高于 AGT 0 127mm rev 而两断屑槽的断屑 精品文档 5欢迎下载 最小切削深度相同 0 625mm 图 2 断屑的最小进给量与最小深度的比较 2 2 2 切割率的比较 图 3 表明在不同进给条件下切削率的比较 保持切削深度恒定 为 1mm 如图所示 这两种情况下的切削率非常接近 图 3 切削比为 1mm 时的切割深度的比较 2 2 3 卷屑与断屑的比较 如图 4 所示 在选取的切削条件下 AGT 和 SGT 在卷屑和断屑 方面无明显差异 因此 根据上述比较 我们认为用 AGT 替代 SGT 研究刀片断屑槽的几何参数对断屑性能的影响的办法是可行的 精品文档 6欢迎下载 图 4 卷屑与断屑的比较 3 3 切屑槽的几何参数对刀具刀片断屑性能的影响切屑槽的几何参数对刀具刀片断屑性能的影响 3 1 实验用的切屑槽 图 5 实验的切屑槽的几何参数 选择一个 AGT 断屑槽 如图 5 所示 切屑槽的几何参数包括负 倒棱长度l 前角 0 槽宽W 槽深H和刃口高度 h 3 2 切屑槽的几何参数值 在常用的范围选择切屑槽的几何参数值 如表 1 所示 表中加 粗的数字在代表该切屑槽几何图形的参照值 括号中的数字是在实 验中使用的断屑槽序号 例如 2 号断屑槽的几何参数是 l 0 2 mm 0 12 W 1 5 mm H W W H 1 5 8 0 1875mm h 0 05 mm 刀具刃口半径r 0 3 mm 1 号断屑槽的几何参数是 精品文档 7欢迎下载 l 0 1mm 而其他值与 2 号断屑槽的相同 表 1 几何参数值的选取 3 3 结果和分析 对每一个研磨后的切屑槽进行测量 结果显示的几何参数的测 量值与需求值非常接近 在图 6 至图 11 中 斜体字表示的是每个几 何参数的平均值 例如 0是表示实验中的几个断屑槽前角的平均 值 3 3 1 负倒棱长度 l 的影响 在负倒棱长度l对加工过程的影响的实验最初是由 Klopstock 在 1925 年完成的 9 Klopstock 在他的实验中使用的是所谓的限 制接触刀具 刀具前刀面上存在负倒棱 在给定的切削条件下 负 倒棱长度小于切屑的自然接触长度 小的负倒棱长度减少切削力和 切削温度 从而提高刀具的使用寿命 但另一方面它增加了切屑卷 曲半径 拉直切屑 甚至导致切屑往相反方向卷曲 读者可以参考 文献 10 12 关于限制接触刀具的研究细节 在这里 我们只对 负倒棱长度对断屑效果的影响进行了研究 实验结果如图 6 所示 在给定的切削条件下 当负倒棱长度增 精品文档 8欢迎下载 加时 断屑的最小进给值略有增加 而最小的断屑切削深度几乎是 恒定的 尽管负倒棱长度增加 即 0 3mm 等于刀尖圆弧半径 这意 味着负倒棱长度对 apmin的影响不大 图 6 负倒棱长度对断屑的影响 a 对 fmin 的影响 b 对 apmin 的影 响 0 13 49 W 1 474 mm W H 7 319 h 0 049 mm 图 7 前角 0对断屑的影响 a 对 fmin 的影响 b on apmin 的影响 l 0 215 mm W 1 483 mm W H 7 313 h 0 043 mm 3 3 2 前角 0的影响 如图 7 所示 在给定的实验条件下 随着 0的增加f min略有降 低 同时即使 0增加 apmin也仍保持与刀尖圆弧半径值相同 需要指出的是 普遍认为随着刀具前角的增加 切屑变形减小 从而产生了断屑难的问题 而图 7 所示的结果似乎与此相矛盾 13 15 事实上 目前的研究结果与普遍观点之间并不矛盾 后者 精品文档 9欢迎下载 针对的是切屑碰到障碍的情况 如刀具间隙面 加工工件表面等 在这种情况下 切屑厚度随着刀具前角增加而减小 故而断屑弯矩 增加 然而 在图 7 所示的实验结果中 f min是非常低的 它自身 剧烈振动而达到断屑的效果 此时 切屑厚度越小 越容易断屑 16 18 因此 是交替的断屑机制而产生了图 7 中的实验结果 图 8 槽宽对断屑的影响 a 对 f min的影响 b 对 a pmin 的影响 l 0 224 mm 0 13 26 W H 7 360 h 0 056 mm 图 9 槽宽比对切屑折断的影响 a 对f min的影响 b 对 a pmin的影 响 l 0 233 mm 0 13 13 W 1 498 mm h 0 050 mm 3 3 3 槽宽 W 的影响 如图 8 所示 随着 W 的增加 fmin明显增加 而a pmin 略有增加 说明槽宽是影响断屑的重要因素 3 3 4 槽宽比 W H 的影响 精品文档 10欢迎下载 以前 槽深 H 被视为一个影响断屑的独立因素 而现在 选择 切屑槽的几何参数时 确定的值槽深 H 是由槽宽 W 和宽深比 W H 的 值来确定的 即应首先选定 W 和 W H 的值 然后推导出 H 值 因此 有必要从一个新的观点出发来研究断屑规律 从图 9 所示的实验结果可见 fmin随着槽宽深比 W H 的增加而逐 渐减小 同时 apmin与刀尖圆弧半径值 0 3mm 保持相同 这说明 apmin 不受槽宽深比的影响 3 3 5 刃口高度 h 的影响 刃口高是现代新型断屑槽的显著特征之一 然而 目前还不清 楚刃口高度对断屑是否产生影响 本研究的实验结果如图 10 所示 可见 f min随着h的增大而明显减小 而apmin保持为 0 3mm 与刀 尖圆弧半径值相同 这说明h对apmin影响不大 图 10 槽底面高度 h 对断屑的影响 a 对 f min的影响 b 对 a pmin 的影响 l 0 217 mm 0 13 080 W 1 523 mm W H 7 313 3 3 6 刀尖圆弧半径 r 的影响 大量研究人员对切削过程中的刀尖圆弧半径对切削过程的影响 精品文档 11欢迎下载 进行了研究 然而 他们的研究主要集中在切削刀具的磨损 切削 力 加工过程中的振动等方面 19 很少有人注意到切屑 使用了三 个断屑槽 表 1 中的 Nos 22 24 实验结果如图 11 所示 可见 对于使用三个断屑槽而言 f min几乎是相同的 0 137mm rev 而 apmin随着刀尖圆弧半径的增大而增大 图 11 刀具圆角半径对断屑的影响 a 对 fmin 的影响 b 对 apmin 的影 响 4 4 断屑的最小进给量 断屑的最小进给量 f fmin min 和最小切削深度 和最小切削深度 a apmin pmin 的预测 的预测 4 1 预测方程的建立 根据以上结果 切屑槽的几何参数包括 负倒棱长度l 前 角 0 槽宽W 槽宽深比W H与刃口高度h会影响断屑的最小进给 量 槽宽W和刀尖圆弧半径r 是影响断屑的最小切削深度的因素 影响断屑的的最小切屑深度的因素是槽宽W和刀具角半径 r 当刀 具刃倾角的变化 在常用值的范围内 即 5 5 实验结果 16 表 精品文档 12欢迎下载 明 断屑的最小进给量 fmin 和切割的最小切削深度 apmin 没有 明显的变化 表 2 是用于计算数据样本的经验常数和方程 1 和 2 的指数 fmin 0 3660 l 0 0149 0 0 1139 W0 6884 W H 0 4857 1 h 0 9456 1 apmin 0 5995 W1 4027 r 1 3259 2 4 2 预测方程的应用 例如 预测方程 1 是用来预测的另一个断屑槽能够断屑的最 小进给量 结果表 3 所示 从后面的表可以看出 当断屑槽的每个 几何参数值都在其各自的允许范围内时 预测值与实际值一致 但 是 当断屑槽的几何参数超出其允许范围 表 3 中 7 号断屑槽 时 仍存在较大的误差 换句话说 由于本研究中建立的预测方程 1 和 2 已经覆 盖了的最新型断屑槽的几何参数常用的值 因此它们可用于一般工 程计算和基于知识的计算机系统 20 表 2 建立预测方程 1 的使用数据 精品文档 13欢迎下载 a MV 测量值 b CV 计算值 表 3 方程 1 的预测结果 a MV 测量值 b CV 计算值 5 5 总结总结 1 随着 FMS CIMS 等的越来越广泛的应用 目前广泛采用可转 位刀片与新型断屑槽 那么 从一个新的角度系统地 全面地研究 断屑槽的几何参数对断屑的影响是很有必要的 2 本研究对 AGT 断屑槽和 SGT 断屑槽的断屑性能做了详细的 比较 结果表明 用 AGT 断屑槽替代 SGT 断屑槽然后研究断屑槽的 几何参数对刀具刀片的断屑性能的影响的办法是可行的 3 切屑槽的几何参数对切屑的最小进给量的影响主要有 负倒 精品文档 14欢迎下载 棱长度l 前角 0 槽宽W 槽的宽深比W h与刃口高度h 断屑 槽的槽宽W和刀尖圆弧半径r 是最小切屑深度的影响因素 4 通过多元线性回归分析 建立两个模型来预测的新型断屑 槽的断屑性能 理论预测与给定的切削条件下的实验结果基本一致 参考文献参考文献 1 E K Henriksen Balanced design will fit the chip breaker to the job Am Mach 88 4 1954 118 124 2 N H Cook P Jehaveri The mechanism of chip curl and its importance in metal cutting Trans ASME 85 B 1963 374 380 3 C Spaans P F H J Geel Breaking mechanisms in cutting with a chip breaker Ann CIRP 18 1966 87 92 4 K Nakayama Chip control in metal cutting Bull Jpn Soc Precis Eng 18 2 1984 97 103 5 B Worthington A H Redford Chip curl and the action of groove type chip former Int J Mach Tool Des Res 13 1973 257 270 6 B Worthington M H Rahman Predicting breaking with groove type breaker Int J Mach Tool Des Res 19 1979 121 132 7 B Worthington The operation and performance of a groove type chip former device Int J Prod Res 14 5 1976 529 558 8 I S Jwahiar C A Luttervelt Recent developments in chip control research and applications Ann CIRP 42 2 1993 659 685 精品文档 15欢迎下载 9 H Klopstock Recent investigation in turning and planning a new form of cutting tool Trans ASME 47 1925 345 377 10 P L B Oxley An analysis for orthogonal cutting with restricted tool chip contact Int J Mech Sci 4 1962 129 135 11 L D Chiffre Cutting tool with restricted contact Int J Mach Tool Des Res 22 4 1982 321 332 12 I S Jawahir The restricted contact effect as a major influencing factor in chip breaking an experimental analysis Ann CIRP 37 1 1988 121 126 13 K Nakayama A study on chip breaker Bull JSME 17 5 1962 142 150 14 N N Zorev Metal Cutting Mechanics Pergamon Oxford 1966 15 M C Shaw Metal Cutting Principles Clarendon Oxford 1966 16 N Fang The study of new t