加工刀片槽型设计

1、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, Peoples Republic of China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

2、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：不对称断屑槽；对称断屑槽；刀片；断屑 1.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

3、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

4、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。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. 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

5、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

6、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

7、，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。图4. 卷屑与断屑的比较3.切屑槽的几何参

8、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：l=0.1mm，

9、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

10、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; (

11、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

12、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1618。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 pmi

13、n 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 m

14、in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.2224）。实验结果如图11所示。可见，对于使用三个断屑槽而言，f m

15、in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. 断屑的最小进给量（fmin）和最小切削深度（apmin）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 表明，断

16、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·(1h) 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

17、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. 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

18、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1 E.K. Henriksen, Balanced design will fit the chip breaker to the job, Am. Mach. 88 (4) (1954

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