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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