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

NingFang

DepartmentofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticiandAstronautics,Jiangsu210016,People's

RepublicofChina

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°通过多元线性同归的方法，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

槽亳无用处。

(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。

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

2.1AGT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。

toolminorcoolminor

cuttingedgecuttingedge

toolmajor

cuttingedge［cuttingedge

backwallof-"obackwallof

chipgroovechipgroove

(a)(b)

....图1.外观：(a)SG.….(b)AG.

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

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。

00.10.20.30.40.50.6

Feed(mm/rev.)

图3.切削比为1mm时的切割深度的比较

223.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。

ap0.51234

f•c

AGTo「c

0.2mm,•■1

/rev.

r•%♦

SGTc

,•*

f0.150.20.30.380.5

apAGT•♦・%

一••.9

Imm

V.

SGTJ-*(♦•••••

•&■-■■

图4.卷屑与断屑的比较

3.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

w

图5.实验的切屑槽的几何参数

选择一个AGT断屑槽。如图5所不，切屑槽的几何参数包括负倒棱

长度1,前角丫0,槽宽W、槽深H和刃口高度ho

32.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：1=0.2mm.y

0=12°,W=1.5mm,H=W4-(W/H)=1.54-8=0.1875mm,h=0.05mm。刀

具刃口半径r?=0.3mmo1号断屑槽的几何参数是：而其

他值与2号断屑槽的相同。

表1几何参数值的选取

1lininl7oOIF(nunlHHh(nun)r,(am)

(1)0.1⑹6(10)1(IS)(19)-0.1D.3

12)0.2(7)913(20)0(22)0.4

⑶0.312(1l)2(16((1.05(B.1).8

(4)0.418)IS(12)2.5(I7)(2001(24.1.2

<5)0.5例18(B>3(⑻

(14)3.5

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，丫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I的影响

在负倒棱长度1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。

(

A.

la

U/

lJ

)u

U

J

S245

0.1O-.6

图6.负倒棱长度定断屑的影响：（a..fmi.的影响；（b..apmi.的影响（丫.=13.49°；

W=1.47.mm；W/H=7.319；h=0.04.mm）o

图7.前角Y0对断屑的影响:(a)对fmin的影响；(b)onapmin的影响(1=0.215

mm；W=1.483mm；W/H=7.313；h=0.043mm)o

3.3.2.前角7o的影响

如图7所示，在给定的实验条件下，随着丫0的增加fmin略有降

低，同时即使丫。增力几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,fmin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，越容易断屑因此,是交

替的断屑机制而产生了图7中的实验结果。

(a)W(mm)

图8.槽宽对断屑的影响：(a...min的影响.(b...pmi.的影响(1=0.22.mm；

Y=13.26°；W/H=7.360；h=0.05.mm)o

0.4-

冒oOO-O

c02-

0-------1------1-----1----1-----1

468101214

(b)W/H

图9.槽宽比对切屑折断的影响：(a.对.min的影响；(b...pmin的影.(1=0.23.mm；

Y.=13.13°；W=1.49.mm；h=0.05.mm)o

3.3.3.槽宽3的影响

如图8所示，随着W的增加,fmin明显增加，而apmin略有增加。说

明槽宽是影响断屑的重要因素。

3.34槽宽比时/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，同时叩min与刀尖圆弧半径值().3mm保持相同。这说明apmin

不受槽宽深比的影响。

335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，fmin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.min的影脸(b...pmi.的影响(1=0.2l.mm；

Y=13.080；W=1.52.mm；W/H=7.313)o

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.22-24)。实验结果如图11所不。可见，对于使

用三个断屑槽而言,fmin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。

(a)re(mm)(b)rc(mm)

图11.刀具圆角半径对断屑的影响:(a..fmi.的影响.(b)对apmi.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1、前角

Y0、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n: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和刀具角半径当刀

具刃倾角的变化，在常用值的范围内，即4°〜+5。，实验结果[16]

表明，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。

00,49

启〃=0.3660770一°内39.俨6884.（.）"857.（if）0.9456⑴

ap„un=0.5995W4027•re1.3259⑵

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儿何参数常用的值，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

No.1234567X9ID11

MV'0.1050.1IS0.11$(11200.I2S0.1350.1250.IIS0.1100.10$aiso

CVh0.1130.IB0.1150116011601450.12801100.10700900148

Euor-0.0U80.00200<XM0009-0.010-0.01)50.0050.003OOIS0002

No.121314IS1617IK1921)21

MV0.1650.2000.2M0.I2S0.1100.10$0.0900.14(10.13$0.11$

CV0.1680.1%0：24(1127011001020.08201470.1M0111

Error-0.0030.0040.(06-0.00200.0030.008-0.0070.0010.004

aMk游济叫bcv.Ha值.

表3

方程（1）的预测结果

aMV,测量值：bCV,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的

比较。结果表明，用AGT断屑槽替代SGT断屑槽然后研窕断屑槽的

几何参数对刀具刀片的断屑性能的影响的办法是可行的。

⑶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1、前角Y。、、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F8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。

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