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

Ning Fang

Department of Mechanical Engineering, Nanjing Uni6ersity of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu 210016, People’s

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着贡献，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。

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

. 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。

. 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。

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（rev）略高于AGT（rev）。而两断屑槽的断屑最小切削深度相同（）。

图2. 断屑的最小进给量与最小深度的比较

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

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.切屑槽的几何参数对刀具刀片断屑性能的影响

. 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γ0，槽宽W、槽深H和刃口高度h。

. 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= mm，γ0=12°，W= mm，H=W÷(W/H)=÷8=，h= mm。刀具刃口半径r ? = mm。1号断屑槽的几何参数是：l=，而其他值与2号断屑槽的相同。

表1几何参数值的选取

.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，γ0是表示实验中的几个断屑槽前角的平均值。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，即等于刀尖圆弧半径。这意味着负倒棱长