一种新的断屑方法及应用大连理工大学胡荣生，王更梅，陈德洪，张弘弢【提要】研究断屑台对切削 过程的影响。经试验，改变断屑台距刀刃的宽度并保证断屑台有足够的高度时，刀具与切屑的接触 面积会发生变化，剪切角存在一个最大值，与之相对应的切削区变形最小。本文介绍了这种降低切 削区变形的断屑方法及应用。关键词断屑，断屑台，
切削变形，最佳参数目前常用的断屑方法是在 刀具刀片上做出卷屑槽或附加一个断屑台，迫使切削区金属增加挤压变形或使切屑经受附加弯曲变 形而实现断屑。以往采用附加变形方法断屑时，一般取断屑台（槽）距主切削刃的宽度ｗｂ为进给 量ｆ（ｍｍ／ｒｐｍ）的７～１０倍。这个宽度数值会使切削区的变形增加，切削力也同时增加。 在精加工时，特别是在用螺纹梳刀精车螺纹时，会产生刀具颤振而影响加工表面质量，如某厂在日 本产ＫＹ６５２０Ｎ型数控转塔车床上加工油井管接箍的内螺纹（外径３４０ｍｍ与２７３ｍｍ两 种，锥度１∶１６，螺距３．１７５ｍｍ）材料为Ｊ－５５钢，使用三齿螺纹梳刀片加工，前刀面 为平面型（γ０＝０°），断屑采用硬质合金ＹＧ８的挡屑块（厚度ｈ＝５ｍｍ，楔角θ＝４５° ），经常是切屑卷曲而不断，有的切屑长达８ｍ，操作工人要不停地用铁钩钩除，劳动强度大且不 安全，切屑还会刮伤机床及附件，挤碎刀片，造成废品率上升；且切屑容积大，运输效率降低。年 经济损失在１４万元左右。因此，认真地研究断屑台与卷屑槽的作用以改善切削条件，并保证刀具 具备可靠的断屑性能就很重要。断屑台对切削过程的影响本文通过一系列实验来考察和研究卷屑槽 与断屑台引起的切屑附加弯曲对切削过程的影响。实验装置如图１所示。车刀从正交位置纵向进给 切入工件。装上断屑台不断调整其与刃口距离ｗｂ，使切屑产生不同程度的附加弯曲变形。我们应 用新的体视显微摄影技术，将摄影系统装在机床刀架（或拖板）上随刀具一起移动，试件的外圆经 过精车后再用刀尖刻出细线纹，用以显示切削流线，拍摄到的切削区形貌如图２所示。这种切削实 验方法可以方便、可靠、真实地记录下切削过程中金属流线与切屑的卷曲；测出切削区的剪切角Φ ，刀屑接触面长度Ｌｆ，第一变形区尺寸，切屑厚度ａｃｈ；继而可计算出平均剪应变γＳ与应变 速率等。图１切削实验体视显微摄影法图２拍摄的切削区形貌图３是平均剪应变γＳ随断屑台距刀 刃距离Ｗｂ而变化的实验结果。可以发现：当逐步减小Ｗｂ时，剪应变γｓ减小（相应的剪切角Φ 增大）；且剪应变γｓ的变化存在着一个最小值；若继续减小ｗｂ，又会使切削区变形增加，剪应 变γｓ也增大。重复进行的多次实验均表明断屑台参数ｗｂ有一个最佳值，使对应的切削区有最小 的剪应变γｓ，且其数值比无断屑台时要小。图３ｗｂ对剪应变γｓ的影响图４ｗｂ对剪切角Φ的 影响图４是几种切削条件下移动断屑台改变ｗｂ后对剪切角Φ的影响，可见，剪切角Φ存在一个最 大值，相对应的ｗｂ为最佳值，它使切削区的变形为最小，这就是我们提出新断屑方法的依据。降 低切削变形的断屑方法和原理用断屑台来降低切削区变形且使其断屑，则应有一组最佳的断屑台参 数，使剪切区变形接近或达到最小值，同时切屑表层的应变又要超过使切屑折断的临界值；另一种 情况是使切屑的正向弯曲应变达到或大于临界值，使切屑触及物体后反向弯曲折断。最佳断屑台参 数包括：１．增加断屑台与刀刃的距离ｗｂ对比图５、图６可知：增加ｗｂ是使断屑台对切屑流动 阻力增加不多的情况下，使切屑向上抬起，从而减小切屑与前刀面的弹性接触和刀屑面间的摩擦阻 力。且可增加断屑台对切屑附加弯矩的力臂Ｌｗ，以增大附加正向弯曲力矩，对切屑产生有效的正 向弯曲效果。图５通常断屑台的作用图６增加ｗｂ和高度ｈ的作用Ｗｂ的值可按经验公式Ｗｂ＝（ １０～１６）ｆ选取（ｆ为车削时的进给量），并用切削实验方法确定。也可用式（１）计算求得 ：式中：ρｃｂ为设置断屑台后切屑的中性层半径；ａｃｂ为有断屑台时的切屑厚度；ａｏｅ为切 屑中性层至上方粗糙表面的厚度；θ为断屑台的楔角；Ｌｆ１为前刀面刀—屑塑性接触长度（实验 证明：这一长度基本不受断屑台的影响，断屑台只影响刀－屑弹性接触区的长度）。２．增加断屑 台高度ｈ。其作用是使切屑在Ｗｂ增加后仍能保持与断屑台接触，并被抬起，以减小第一变形区剪 切变形和对切屑产生有效正向弯曲效果。一般断屑台高度ｈ＝３～６（ｍｍ），用切削实验确定。 ３．选择合理的断屑台楔角θ＝６５°～７０°４．选择合理的断屑台倾角λ＝－５°～５°。一 般取０°。它用来控制切屑的流向。正的倾角，使刀尖处的Ｗｂ最大，离刀尖远，Ｗｂ逐渐减小， 又称之为外斜式，它可使切屑翻卷到离刀尖不远的工件（或后刀面）上，获得较大的约束反力，促 使切屑反向弯曲折断。在设置断屑台条件下切屑的断裂可用切屑卷曲时的线应变εｃｂ和反向弯曲 折断时的附加线应变εｒ之和总应变εΣ确定。一般，切屑正向弯曲折断需要较大的正向弯曲线应 变εｃｂ，在实际生产条件下常达不到；而在反向弯曲折断时，εｃｂ的临界值仅为０．０３５～ ０．０４５。但在不同的切削条件下，使切屑弯曲折断的总应变εΣ对于同一种材料也并非是常数 。因此，实施降低切削变形的断屑方法，要根据被加工材料、切削用量、机床性能特点作具体分析 计算，并经生产调试，才能实现稳定断屑的目的。线应变、附加应变和总应变可用式２、３、４求 得：注：式（２）适用于矩形截面切屑，对于截面为三角形时，ａｃｂ的系数１／２改为２／３。 且式中（＋）对应于切屑与前刀面接触过的光滑表面受拉应力伸长：（一）对应于切屑粗糙表面受 压应力收缩。ρｒ为切屑折断后中性层的半径。降低切削变形断屑的应用实例如在前言中例举的油 井管接箍内管螺纹的车削，采用降低切削区变形的断屑方法，将挡屑台改为断屑台，Ｗｂ选为４． ５ｍｍ，接近降低切削区变形的最佳值；增加楔角θ为６５°～７０°，以减小切屑卷曲半径ρｃ ｂ，增加线应变εｃｂ，促进断屑作用（见式２）。为了使总应变εΣ达到切屑在反向弯曲时能折 断，在梳刀前刀面上磨出宽３．２ｍｍ，深０．８ｍｍ的直线圆弧型卷屑槽，圆弧半径为３ｍｍ。 这样使切屑卷曲半径大都在６～７ｍｍ左右，切屑的卷曲线应变εｃｂ全部超过临界值０．０４５ ，当切屑在接触工件并反向弯曲的过程中全部自动折断。为防止切屑向已加工螺纹表面卷去而损伤 工件，断屑台有２°～３°的正向倾角。经生产实践，所加工的螺纹表面光滑，精度好，刀具寿命 长，获得了好评。又在德国产ＴＣＧ１６ＣＮＣ管螺纹全自动数控车床上加工锥度为１∶１６外锥 管螺纹，每寸８牙（螺距３．１７５ｍｍ），工件毛坯为３７Ｍｎ５钢管，直径Φ１５３．７ｍｍ ，管壁厚度７．７２ｍｍ，采用降低切削变形断屑方法，设计出的可调断屑台距刀刃的距离Ｗｂ为 ４．３ｍｍ，高度ｈ为４．５ｍｍ，楔角θ为６５°，倾角为－２°，当用螺纹梳刀进行半精切与 精切外锥管螺纹时，在切削速度１３０～１４０ｍ／ｍｉｎ、切削深度０．５～０．７ｍｍ时，形 成短的“Ｃ”型切屑，长度２０ｍｍ，半径６ｍｍ，排屑十分方便，生产率提高２１％，梳刀耐用 度延长２０％左右。·该项目是国家自然科学基金资助项目责任编辑周守清一种新的断屑方法及应 用@胡荣生，王更梅，陈德洪，张弘弢$大连理工大学断屑，断屑台，切削变形，最佳参数研究断 屑台对切削过程的影响。经试验，改变断屑台距刀刃的宽度并保证断屑台有足够的高度时，刀具与 切屑的接触面积会发生变化，剪切角存在一个最大值，与之相对应的切削区变形最小。本文介绍了 这种降低切削区变形的断屑方法及应用。国家自然科学基金向弯曲折断时，εｃｂ的临界值仅为０ ．０３５～０．０４５。但在不同的切削条件下，使切屑弯曲折断的总应变εΣ对于同一种材料也 并非是常数。因此，实施降低切削变形的断屑方法，要根据被加工材料、切削用量、机床性能特点 作具体分析计算，并经生产调试，才能实现稳定断屑的目的。线应变、附加应变和总应变可用式２ 、３、４求得：注：式（２）适用于矩形截面切屑，对于截面为三角形时，ａｃｂ的系数１／２改 为２／３。且式中（＋）对应于切屑与前刀面接触过的光滑表面受拉应力伸长：（一）对应于切屑 粗糙表面受压应力收缩。ρｒ为切屑折断后中性层的半径。降低切削变形断屑的应用实例如在前言 中例举的油井管接箍内管螺纹的车削，采用降低切削区变形的断屑方法，将挡屑台改为断屑台，Ｗ ｂ选为４．５ｍｍ，接近降低切削区变形的最佳值；增加楔角θ为６５°～７０°，以减小切屑卷 曲半径ρｃｂ，增加线应变εｃｂ，促进断屑作用（见式２）。为了使总应变εΣ达到切屑在反向 弯曲时能折断，在梳刀前刀面上磨出宽３．２ｍｍ，深０．８ｍｍ的直线圆弧型卷屑槽，圆弧半径 为３ｍｍ。这样使切屑卷曲半径大都在６～７ｍｍ左右，切屑的卷曲线应变εｃｂ全部超过临界值 ０．０４５，当切屑在接触工件并反向弯曲的过程中全部自动折断。为防止切屑向已加工螺纹表面 卷去而损伤工件，断屑台有２°～３°的正向倾角。经生产实践，所加工的螺纹表面光滑，精度好 ，刀具寿命长，获得了好评。又在德国产ＴＣＧ１６ＣＮＣ管螺纹全自动数控车床上加工锥度为１ ∶１６外锥管螺纹，每寸８牙（螺距３．１７５ｍｍ），工件毛坯为３７Ｍｎ５钢管，直径Φ１５ ３．７ｍｍ，管壁厚度７．７２ｍｍ，采用降低切削变形断屑方法，设计出的可调断屑台距刀刃的 距离Ｗｂ为４．３ｍｍ，高度ｈ为４．５ｍｍ，楔角θ为６５°，倾角为－２°，当用螺纹梳刀进 行半精切与精切外锥管螺纹时，在切削速度１３０～１４０ｍ／ｍｉｎ、切削深度０．５～０．７ ｍｍ时，形成短的“Ｃ”型切屑，长度２０ｍｍ，半径６ｍｍ，排屑十分方便，生产率提高２１％，梳刀耐用度延长２０％左右。·该项目是国家自然科学基金资助项目责任编辑周守清一种新的断屑方法及应用@胡荣生，王更梅，陈德洪，张弘弢$大连理工大学断屑，断屑台，切削变形，最佳参数研究断屑台对切削过程的影响。经试验，改变断屑台距刀刃的宽度并保证断屑台有足够的高度
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