论文部分内容阅读
摘要：可转位刀片断屑槽具有促进切屑卷曲、折断和保护刀具的作用.在切削过程中，断屑槽通过对切削力、切削温度和切屑形态的影响，进而间接影响刀片的使用寿命.通过对具有多种断屑槽槽型的同一种刀片进行切削实验，应用高速摄影机分析切削区域切屑产生、流出、卷曲和折断过程.通过磨损测量仪观测断屑槽，并结合切屑形态分析，明确断屑槽合理几何参数；通过三维受力分析仪采集切削过程中的振动和切削力，揭示断屑槽对切削力的影响规律；综合切削参数、断屑槽几何结构和切削力三方面的因素，最终确立断屑槽槽型与进给量对切屑折断的作用机制.研究数据以期为断屑槽设计与应用提供数据支撑，
关键词：硬质合金刀片；切屑卷曲；断屑性能；断屑槽；槽构技术
DOI：10.15938/j.jhust.2015.03.003
中图分类号：TG501
文献标志码：A
文章编号：1007-2683 （2015）03-0013-06
O 引 言
金属切削过程中，切屑的流出形态对其排出的顺畅性具有非常重要的影响，随着金属切削加工过程自动化程度的提高，切削韧性较高的金属工件时能否断屑已经成为生产中的关键性问题.因为切屑缠绕在工件和刀具上，不仅会划伤工件已加工表面，而且会造成刀具过早磨损与破碎.为了满足实际生产过程的需求，近年来国内外许多学者从事切削过程中切屑折断控制方面的研究，其中涉及各种形式切屑的卷曲与折断机理取得一定的进展与技术成果.
切屑的形状除了受切削参数的影响以外，另一个主要的影响因素便是刀片断屑槽，断屑槽对切屑具有导向功能，当切屑离开塑性变形区时，断屑槽的反屑面可给切屑一个导向力的作用，此导向力可以改变切屑的卷曲半径，促使切屑适度卷曲到一定长度并最终折断.之所以对金属切削过程中切屑的形成与控制如此重视，其原因主要有：
1）倘若无法获得理想的切屑，那么不仅会影响刀具性能的发挥，而且会影响工件表面加工质量；
2）理想的切屑是指容积比较小的切屑.所谓容积比是指单个切屑所占的体积与切削工件材料所占体积的比值，国外学者E.K.Hendriksen用R来表示容积比.例如，常规切削过程中长绕形切屑的容积比R≥50；而理想形的短屑或碎屑容积比R≤3.
针对在刀具上安装用于控制切屑折断的可调式断屑器，很多学者已做了大量工作.目前，工业界广泛采用断屑槽来解决切屑的折断问题.而针对可转位刀片上自带断屑槽的研究尚不够充分，因此对可转位刀片断屑槽断屑机理的研究及其优化设计，对促进控屑技术的发展具有十分积极的实际意义.
1 切削过程中的切屑
为了获得理想形状的切屑，必须对切屑流出刀具前加以控制，使其尽快卷曲断裂.以往对切屑的控制主要是在刀具上安装断屑器（柱状形、台阶形和可调式断屑器），如图l所示.
目前，将金属切削过程产生的切屑按其形状大致可分为9个类型（如图2所示）.其中，在常规切削产生的“6”字形屑是最理想的屑形（超重型切削的理想切屑为：长紧卷屑）.这种切屑各点的卷曲半径是逐渐变化的，且切屑内边缘和外边缘的曲率也不一致，因此容易折断.
2 断屑槽的切削实验研究
实验研究分为基础切削实验和技术分析实验，其中，基础切削实验主要分析断屑槽几何参数对切屑流出的影响；技术分析实验主要有两方面的内容：
1）进行现有各种断屑槽型的断屑性能研究，并揭示断屑规律，从而为可转位刀片的合理应用提供相关数据；
2）在断屑槽断屑性能实验的基础上，对断屑槽进行研究，以优选出切削力小，断屑性能良好的槽型，从而为可转位刀片断屑槽的优化设计提供技术支撑.
2.1 实验参数及实验方法
1）实验参数
实验刀具为：标准硬质合金可转位刀片TC-MG120408，刀片相关几何参数和切削参数如表1所示.实验工件为：45钢，硬度为HB180.实验设备：CA6140车床、Kisler三向受力分析仪、奥林巴斯激光共聚焦显微镜OLS4100以及MS50K高速摄影机.
2）实验方法
初步对各种断屑槽进行断屑性能实验，在进给量f=0.2 mm/r和f=1.0 mm/r两种条件下进行切削实验.其中，进给量f=0.2 mm/r主要用于分析不同槽型产生的切屑形态，而进给量f=1.0 mm/r主要用于分析不同断屑槽型的切削力情况.第一个实验的方法是：vc保持不变，改变进给量f的数值，从而分析不同断屑槽成功断屑的进给量f最小临界值；第2个实验的方法是：vc保持不变，在进给量f=1.0 mm/r的条件下，分析不同断屑槽的切削力.
常规切削过程中，切削深度ap对于切屑的折断影响不大，除非是在切削深度ap特别大或特别小的情况下.由于实验刀片的刀尖圆弧半径较大，小的切削深度ap主要影响切屑的流出方向，为避免切屑流向对断屑实验的干扰，实验选用的切削深度ap=2.5 mm，并且所有切削实验都采用这个切削深度（高速摄影拍摄除外）.
2.2基础性切削实验
在基础切削实验中，采用个硬质合金可转位刀片为TCMG120408，刀片轮廓几何参数一致，唯一区别是具有不同的断屑槽型.实验主要分析断屑槽几何参数对其切屑的卷曲流出的影响，应用高速摄影机采集切屑卷曲折断过程（如图4所示），槽型几何参数及定义如图3所示.实验选用切削参数组合为： 需要测量的切削力如图5所示.
通过基础性切削实验过程高速摄影机图像分析获知具有低切削力和高断屑性能的断屑槽型应当为：
1）断屑槽棱边值应尽可能小.小棱边有利于切屑顺利流人断屑槽，倘若断屑槽棱边值太大，那么切屑在离开前刀面之前可能与断屑槽底部没有充分的接触，这对卷屑不利.当然，断屑槽棱边值的取值前提是要保证刀片切削刃的机械强度.切削过程中，由于刀片切削刃的磨损，棱边会逐渐减小，因此在设计刀片棱边的时候要将磨损量考虑在内（推荐取值为：0.3 mm左右）. 2）断屑槽深度选取要适中.断屑槽深度小于某一特定值时将失去断屑作用；深度过大又会降低刀片的整体机械强度.因此，综合两方面的因素，实验选取的刀片断屑槽深度推荐值为0.2 mm左右.
3）过度断屑，切削力增加.实验过程中，过度断屑瞬间检测到的切削力会骤然增加，分析表明：这种现象是由于切屑在断屑槽反屑面上受挤压进而阻碍切屑流出造成的，断屑槽的反屑面应当以保证切屑平顺流出为主要前提，从而有效降低刀片的切削力.因此，反屑面的反屑角 应当尽可能小.
2.3 断屑槽性能分析实验
1）实验目的及方法
技术分析实验主要有两个目的：
①分析各种断屑槽型的可断屑f最小临界值；②研究不同槽型对切削力的影响，从而获得切削力最小的最佳槽型.最终通过这个实验，评判出具有优良断屑性能和低切削阻力的断屑槽型参数.
断屑槽断屑性能实验采用因素分析法进行研究，设断屑槽型为第1因素，实验中有10种不同的断屑槽型（如图6所示），因此第一因素T1=10；设刀片切削刃数量为第2因素，实验中刀片为3角形刀，因此第2因素T2=3；设切削速度VC为第三因素，实验采用两种恒定的切削速度，因此第三因素T3=2.那么，每个刀片应做的实验次数为：T1×T2×T3=10x3x2=60.实验选定的断屑槽型几何形状如图6所示，并分别对其进行编号.数据统计方法采用随机化，随机方程为： 式中：y为最小进给量或切削力；Gi为断屑槽几何参数； 为切削刃与断屑槽的关系参数； 为切削速度； 为限制误差； 为误差.
2）实验结果
断屑槽性能分析实验两阶段的实验结果分别如表2和表3所示.
3）实验结果分析
①第1部分断屑槽性能分析实验
对各种断屑槽型的可断屑厂最小临界值实验数据做方差分析，极限进给量是因变量，它随刀片断屑槽型的变化而变化，结果统计分析误差为0.01左右.根据文的观点：切削速度vc对切屑折断的影响远没有进给量的影响来得大.当然，研究分析切削速度vc与断屑槽形状的关系也是一个具有积极意义的研究课题.文证实：可断屑f最小临界值取决于刀片断屑槽型，切削实验表明，除了第Ⅱ号刀片的断屑槽外，最好的断屑槽是第Ⅳ号刀片（如图7所示）.
②第2部分断屑槽性能分析实验
研究不同槽型对切削力的影响，在大进给量条件下对切削分析与切削合力进行偏差分析，以及对分力的夹角a和β进行数学验证，实验结果表明：切削速度vc和刀片断屑槽槽型相互间的影响不大，但这两个因素对切削合力有较为显著的作用，
通过对两部分切削实验的统计分析，可知：刀片断屑槽槽型对切削过程中的切削力、夹角α和夹角β都有影响.图8为断屑槽形状与切削力关系图，从图中可看出第Ⅱ号刀片的槽型切削力较大，实际切削过程中应当以低切削力槽型为优选对象，
实验综合分析表明，断屑槽反屑角较大时，切屑折断需要更大的载荷，虽然其可断屑进给量很小，但切削过程中刀具的磨损会比较大，影响刀具的使用寿命
3 结 论
本文在实验室条件下进行分步骤切削实验，通过对同一种几何结构不同槽型可转位车刀片在断屑性能和切削力两方面进行研究分析，获得结论如下：
1）在切削速度vc= 80-138 m/min范围内，切削速度vc对切屑折断的影响效果没有进给量f对切屑折断的影响效果明显，即：进给量f在此切削参数范围内对断屑的影响占主要地位；
2）在刀具材料、刀具几何参数、切削参数和工件材料等恒定的条件下，获知可断屑极限进给量fmin和切削力受断屑槽几何形状的影响明显，所以设计可转位刀片的时候，断屑槽的设计尤为重要，合理的断屑槽几何结构能有效降低切削过程中的切削力；
3）刀片断屑槽深度对切屑折断的影响，没有断屑槽棱边值对切屑折断的影响大.只有当断屑槽深度小于某一特定值时，对切屑折断的影响作用才会显现，同时断屑槽的深度会影响刀片的整体强度，因此，可转位断屑槽设计时，需要通过强度理论计算刀片的整体强度，综合所切削的工件材料来决定断屑槽的深度；
4）切屑的卷曲是由切屑与断屑槽底部接触，流经反屑面引起的，因此要使切屑排出顺畅，建议将断屑槽底部设计成平面，同时反屑面夹角应适当的小，这样才能有效降低切屑流出卷曲的切向阻力，同时可以降低刀一屑间的摩擦强度，从而从结构设计上减少切削热的产生，
关键词：硬质合金刀片；切屑卷曲；断屑性能；断屑槽；槽构技术
DOI：10.15938/j.jhust.2015.03.003
中图分类号：TG501
文献标志码：A
文章编号：1007-2683 （2015）03-0013-06
O 引 言
金属切削过程中，切屑的流出形态对其排出的顺畅性具有非常重要的影响，随着金属切削加工过程自动化程度的提高，切削韧性较高的金属工件时能否断屑已经成为生产中的关键性问题.因为切屑缠绕在工件和刀具上，不仅会划伤工件已加工表面，而且会造成刀具过早磨损与破碎.为了满足实际生产过程的需求，近年来国内外许多学者从事切削过程中切屑折断控制方面的研究，其中涉及各种形式切屑的卷曲与折断机理取得一定的进展与技术成果.
切屑的形状除了受切削参数的影响以外，另一个主要的影响因素便是刀片断屑槽，断屑槽对切屑具有导向功能，当切屑离开塑性变形区时，断屑槽的反屑面可给切屑一个导向力的作用，此导向力可以改变切屑的卷曲半径，促使切屑适度卷曲到一定长度并最终折断.之所以对金属切削过程中切屑的形成与控制如此重视，其原因主要有：
1）倘若无法获得理想的切屑，那么不仅会影响刀具性能的发挥，而且会影响工件表面加工质量；
2）理想的切屑是指容积比较小的切屑.所谓容积比是指单个切屑所占的体积与切削工件材料所占体积的比值，国外学者E.K.Hendriksen用R来表示容积比.例如，常规切削过程中长绕形切屑的容积比R≥50；而理想形的短屑或碎屑容积比R≤3.
针对在刀具上安装用于控制切屑折断的可调式断屑器，很多学者已做了大量工作.目前，工业界广泛采用断屑槽来解决切屑的折断问题.而针对可转位刀片上自带断屑槽的研究尚不够充分，因此对可转位刀片断屑槽断屑机理的研究及其优化设计，对促进控屑技术的发展具有十分积极的实际意义.
1 切削过程中的切屑
为了获得理想形状的切屑，必须对切屑流出刀具前加以控制，使其尽快卷曲断裂.以往对切屑的控制主要是在刀具上安装断屑器（柱状形、台阶形和可调式断屑器），如图l所示.
目前，将金属切削过程产生的切屑按其形状大致可分为9个类型（如图2所示）.其中，在常规切削产生的“6”字形屑是最理想的屑形（超重型切削的理想切屑为：长紧卷屑）.这种切屑各点的卷曲半径是逐渐变化的，且切屑内边缘和外边缘的曲率也不一致，因此容易折断.
2 断屑槽的切削实验研究
实验研究分为基础切削实验和技术分析实验，其中，基础切削实验主要分析断屑槽几何参数对切屑流出的影响；技术分析实验主要有两方面的内容：
1）进行现有各种断屑槽型的断屑性能研究，并揭示断屑规律，从而为可转位刀片的合理应用提供相关数据；
2）在断屑槽断屑性能实验的基础上，对断屑槽进行研究，以优选出切削力小，断屑性能良好的槽型，从而为可转位刀片断屑槽的优化设计提供技术支撑.
2.1 实验参数及实验方法
1）实验参数
实验刀具为：标准硬质合金可转位刀片TC-MG120408，刀片相关几何参数和切削参数如表1所示.实验工件为：45钢，硬度为HB180.实验设备：CA6140车床、Kisler三向受力分析仪、奥林巴斯激光共聚焦显微镜OLS4100以及MS50K高速摄影机.
2）实验方法
初步对各种断屑槽进行断屑性能实验，在进给量f=0.2 mm/r和f=1.0 mm/r两种条件下进行切削实验.其中，进给量f=0.2 mm/r主要用于分析不同槽型产生的切屑形态，而进给量f=1.0 mm/r主要用于分析不同断屑槽型的切削力情况.第一个实验的方法是：vc保持不变，改变进给量f的数值，从而分析不同断屑槽成功断屑的进给量f最小临界值；第2个实验的方法是：vc保持不变，在进给量f=1.0 mm/r的条件下，分析不同断屑槽的切削力.
常规切削过程中，切削深度ap对于切屑的折断影响不大，除非是在切削深度ap特别大或特别小的情况下.由于实验刀片的刀尖圆弧半径较大，小的切削深度ap主要影响切屑的流出方向，为避免切屑流向对断屑实验的干扰，实验选用的切削深度ap=2.5 mm，并且所有切削实验都采用这个切削深度（高速摄影拍摄除外）.
2.2基础性切削实验
在基础切削实验中，采用个硬质合金可转位刀片为TCMG120408，刀片轮廓几何参数一致，唯一区别是具有不同的断屑槽型.实验主要分析断屑槽几何参数对其切屑的卷曲流出的影响，应用高速摄影机采集切屑卷曲折断过程（如图4所示），槽型几何参数及定义如图3所示.实验选用切削参数组合为： 需要测量的切削力如图5所示.
通过基础性切削实验过程高速摄影机图像分析获知具有低切削力和高断屑性能的断屑槽型应当为：
1）断屑槽棱边值应尽可能小.小棱边有利于切屑顺利流人断屑槽，倘若断屑槽棱边值太大，那么切屑在离开前刀面之前可能与断屑槽底部没有充分的接触，这对卷屑不利.当然，断屑槽棱边值的取值前提是要保证刀片切削刃的机械强度.切削过程中，由于刀片切削刃的磨损，棱边会逐渐减小，因此在设计刀片棱边的时候要将磨损量考虑在内（推荐取值为：0.3 mm左右）. 2）断屑槽深度选取要适中.断屑槽深度小于某一特定值时将失去断屑作用；深度过大又会降低刀片的整体机械强度.因此，综合两方面的因素，实验选取的刀片断屑槽深度推荐值为0.2 mm左右.
3）过度断屑，切削力增加.实验过程中，过度断屑瞬间检测到的切削力会骤然增加，分析表明：这种现象是由于切屑在断屑槽反屑面上受挤压进而阻碍切屑流出造成的，断屑槽的反屑面应当以保证切屑平顺流出为主要前提，从而有效降低刀片的切削力.因此，反屑面的反屑角 应当尽可能小.
2.3 断屑槽性能分析实验
1）实验目的及方法
技术分析实验主要有两个目的：
①分析各种断屑槽型的可断屑f最小临界值；②研究不同槽型对切削力的影响，从而获得切削力最小的最佳槽型.最终通过这个实验，评判出具有优良断屑性能和低切削阻力的断屑槽型参数.
断屑槽断屑性能实验采用因素分析法进行研究，设断屑槽型为第1因素，实验中有10种不同的断屑槽型（如图6所示），因此第一因素T1=10；设刀片切削刃数量为第2因素，实验中刀片为3角形刀，因此第2因素T2=3；设切削速度VC为第三因素，实验采用两种恒定的切削速度，因此第三因素T3=2.那么，每个刀片应做的实验次数为：T1×T2×T3=10x3x2=60.实验选定的断屑槽型几何形状如图6所示，并分别对其进行编号.数据统计方法采用随机化，随机方程为： 式中：y为最小进给量或切削力；Gi为断屑槽几何参数； 为切削刃与断屑槽的关系参数； 为切削速度； 为限制误差； 为误差.
2）实验结果
断屑槽性能分析实验两阶段的实验结果分别如表2和表3所示.
3）实验结果分析
①第1部分断屑槽性能分析实验
对各种断屑槽型的可断屑厂最小临界值实验数据做方差分析，极限进给量是因变量，它随刀片断屑槽型的变化而变化，结果统计分析误差为0.01左右.根据文的观点：切削速度vc对切屑折断的影响远没有进给量的影响来得大.当然，研究分析切削速度vc与断屑槽形状的关系也是一个具有积极意义的研究课题.文证实：可断屑f最小临界值取决于刀片断屑槽型，切削实验表明，除了第Ⅱ号刀片的断屑槽外，最好的断屑槽是第Ⅳ号刀片（如图7所示）.
②第2部分断屑槽性能分析实验
研究不同槽型对切削力的影响，在大进给量条件下对切削分析与切削合力进行偏差分析，以及对分力的夹角a和β进行数学验证，实验结果表明：切削速度vc和刀片断屑槽槽型相互间的影响不大，但这两个因素对切削合力有较为显著的作用，
通过对两部分切削实验的统计分析，可知：刀片断屑槽槽型对切削过程中的切削力、夹角α和夹角β都有影响.图8为断屑槽形状与切削力关系图，从图中可看出第Ⅱ号刀片的槽型切削力较大，实际切削过程中应当以低切削力槽型为优选对象，
实验综合分析表明，断屑槽反屑角较大时，切屑折断需要更大的载荷，虽然其可断屑进给量很小，但切削过程中刀具的磨损会比较大，影响刀具的使用寿命
3 结 论
本文在实验室条件下进行分步骤切削实验，通过对同一种几何结构不同槽型可转位车刀片在断屑性能和切削力两方面进行研究分析，获得结论如下：
1）在切削速度vc= 80-138 m/min范围内，切削速度vc对切屑折断的影响效果没有进给量f对切屑折断的影响效果明显，即：进给量f在此切削参数范围内对断屑的影响占主要地位；
2）在刀具材料、刀具几何参数、切削参数和工件材料等恒定的条件下，获知可断屑极限进给量fmin和切削力受断屑槽几何形状的影响明显，所以设计可转位刀片的时候，断屑槽的设计尤为重要，合理的断屑槽几何结构能有效降低切削过程中的切削力；
3）刀片断屑槽深度对切屑折断的影响，没有断屑槽棱边值对切屑折断的影响大.只有当断屑槽深度小于某一特定值时，对切屑折断的影响作用才会显现，同时断屑槽的深度会影响刀片的整体强度，因此，可转位断屑槽设计时，需要通过强度理论计算刀片的整体强度，综合所切削的工件材料来决定断屑槽的深度；
4）切屑的卷曲是由切屑与断屑槽底部接触，流经反屑面引起的，因此要使切屑排出顺畅，建议将断屑槽底部设计成平面，同时反屑面夹角应适当的小，这样才能有效降低切屑流出卷曲的切向阻力，同时可以降低刀一屑间的摩擦强度，从而从结构设计上减少切削热的产生，