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数控加工中没被“刀具断屑”困扰过的 不算是高手

  刀具断屑可靠与否,对正常生产与操作者安全都有着重大影响。在切削加工中,崩碎切屑会飞溅伤人,并易研损机床;而长条带状切屑会缠绕在工件或刀具上,易刮伤工件,引发刀具破损,甚至影响工人安全。对于数控机床(加工中心)等自动化加工机床,由于其刀具数量较多,刀架与刀具联系密切,断屑问题就显得更为重要,只要其中—把刀断屑不可靠,就可能破坏机床的自动循环,甚至破坏整条自动线正常运转,所以在设计、选用或刃磨刀具时,必须考虑刀具断屑的可靠性。而对于数控机床(加工中心)等,并应满足下列要求:

  在满足上述要求的基础上,不同刀具对切屑长度还有不同要求。例如一般粗车钢料的最大切屑长度为100mm左右;精车则应稍长。要避免过于细碎的切屑,因为它容易嵌入机床导轨和刀具装置的一些重要部位(如基准面),这样不仅需要附加防护装置,还给清除切屑带来一定的困难。

  对于某些不易断屑的刀具,如成形车刀、切槽车刀和切断车刀等,在数控机床(加工中心)等自动化机床上,应保证其稳定的卷屑。

  根据工件材料、刀具几何参数和切削用量等的具体情况,切屑形状一般有:带状屑、C 形屑、崩碎屑、宝塔状卷屑、发条状卷屑、长紧螺卷屑、螺卷屑等(见图1)。

  ( 1 )带状屑(见图1a):高速切削塑性金属材料时,如不采取断屑措施,极易形成带状屑,此形屑连绵不断,常会缠绕在工件或刀具上,易划伤工件表面或打坏刀具的切削刃、甚至伤人,因此应尽量避免形成带状屑。

  (2)C 形屑(见图1 b):车削一般的碳钢、合金钢材料时,如采用带有断屑槽的车刀则易形成C 形屑。C 形屑没有了带状屑的缺点。但C 形屑多数是碰撞在车刀后刀面或工件表面而折断的(见图2)。切屑高频率的碰断和折断会影响切削过程的平稳性,从而影响已加工表面的粗糙度。所以,精加工时一般不希望得到C形屑.而多希望得到长螺卷屑(见图3) ,使切削过程比较平稳。

  (3)发条状卷屑(见图1f):在重型车床上用大切深、大进给量车削钢件进,切屑又宽又厚,若形成C 形屑则容易损伤切削刃,基至会飞崩伤人。所以通常将断屑槽的槽底圆弧半径加大,使切屑成发条状(见图4 )在加工表面上碰撞折断,并靠其自重坠落。

  ( 4)长紧卷屑(见图1e):长紧卷屑形成过程比较平稳,清理也方便,在普通车床上是一种比较好的屑形。

  ( 5)宝塔状卷屑〔见图1d ) :数控加工、机床或自动线加工时,希望得到此形屑,因为这样的切屑不会缠绕在刀具和工件上。而且清理也方便。

  ( 6)崩碎屑(见图1c ) :在车削铸铁、脆黄铜、铸青铜等脆性材料时,极易形成针状或碎片状的崩碎屑,既易飞溅伤人、又易研损机床。若采用卷屑措施,则可使切屑连成短卷状。

  总之,切削加工的具体条件不同,希望得到切屑的形状也不同,但不论什么形状的切屑,都要断屑可靠。

  金属切削过程中,切屑是否容易折断,与切屑的变形有直接联系,所以研究切屑折断原理必须从研究切屑变形的规律入手。

  切削过程中所形成的切屑,由于经过了比较大的塑性变形,它的硬度将会有所提高,而塑性和韧性则显著降低,这种现象叫冷作硬化。经过冷作硬化以后,切屑变得硬而脆,当它受到交变的弯曲或冲击载荷时就容易折断。切屑所经受的塑性变形越大,硬脆现象越显著,折断也就越容易。在切削难断屑的高强度、高塑性、高韧性的材料时,应当设法增大切屑的变形,以降低它的塑性和韧性,便于达到断屑的目的。

  第一部分是切削过程中所形成的,我们称之为基本变形。用平前刀面车刀自由切削时所测得的切屑变形,比较接近于基本变形的数值。影响基本变形的主要因素有刀具前角、负倒棱、切削速度三项。前角越小,负倒棱越宽、切削速度越低,则切屑的变形越大,越有利于断屑。所以,减小前角、加宽负倒棱,降低切削速度可作为促进断屑的措施。

  第二部分是切屑在流动和卷曲过程中所受的变形,我们称之为附加变形。因为在大多数情况下,仅有切削过程中的基本变形还不能使切屑折断,必须再增加一次附加变形,才能达到硬化和折断的目的。迫使切屑经受附加变形的最简便的方法,就是在前刀面上磨出(或压制出)一定形状的断屑槽,迫使切屑流入断屑槽时再卷曲变形。切屑经受附加的再卷曲变形以后,进一步硬化和脆化,当它碰撞到工件或后刀面上时,就很容易被折断了。

  断屑槽不仅对切屑起着附加变形的作用,而且对切屑的形状和切屑的折断有着重要的影响。在切削加工中,人们就是利用断屑槽的不同形状、尺寸及断屑槽与主切削刃的倾斜角,来实现控制切屑的卷曲与折断。为了更好地认识和掌握这些规律,我们就具体分析一下断屑槽的形状、尺寸及断屑槽与主切削刃的倾斜角度对切屑形状与切屑折断的影响。

  1、直线a)由一段直线和一段圆弧连接而成。直线部分构成刀具的前刀面,槽底圆弧半径Rn的大小对切屑的卷曲和变形有一定的影响。Rn 小,则切屑卷曲半径小,而切屑变形大;Rn大,则切屑卷曲半径大,而切屑变形小.(见图6 )。在中等切深下(切深ap=2~6mm ) ,一般可选

  2、直线b)由两段直线°-σ(σ称为断屑台楔角),槽底角(180°-σ)代替了圆弧Rn 的作用。槽底角小,则切屑的卷曲半径小,切屑变形大;槽底角大,则切屑的卷曲半径大(见图7)切屑变形小。在中等切深下,断屑台楔角一般选用60°~70°。

  上述两种形状断屑槽适用于加工碳素钢与合金结构钢,一般前角在γ。在5-15°范围内。

  3 、全圆弧型断屑槽(见图5c)的主要参数槽宽B 、槽底圆弧半径Rn和前角γ。之间的关系为:

  断屑槽宽度B 与进给量f 、切削深度ap有关,当进给量f增大时,切削厚度增大,断屑槽的宽度应相应加宽;切削深度大,槽也应适当加宽。

  固定不变,断屑槽宽度B 的变化对切屑卷曲和变形的影响。图9a是槽宽与进给量基本适应,切屑经卷曲变形后碰撞折断成C形;图9b是槽不够宽,切屑卷曲半径小,变形大,碰撞后折断成短C 形或形成崩碎小片;图9c则是槽太窄了,切屑挤成小卷堵塞在槽中很难流出来,造成憋屑甚至会打坏切削刃;图9d、e则是槽太宽了,切屑卷曲半径太大,变形不够.不易折断.有时甚至不流经槽底而自由形成带状屑。

  如果用进给量初选断屑槽的宽度,粗略地说,对于切削中碳钢,宽度B与进给量f 的关系约为B=10f ;而切削合金钢时,为增大切屑变形,可取B=7f。

  断屑槽的宽度B也应与切削深度ap 相适应。一般也可以粗略地依据ap 来选择槽宽B ,当ap大时,B 也应当大些;而ap小,则B应适当减小。因为当切深大而槽太窄时,切屑宽,不易在槽中卷曲,这样,切屑往往不流入槽底而自行形成带状屑;当切深小而槽太宽时,切屑窄,流动比较自由,变形不够充分,也不易折断。

  断屑槽与主切削刃的倾斜方式常用的有外斜式、平行式、和内斜式三种(见图10 )

  外斜式断屑槽的切屑卷曲变形大,如图11所示,在靠近工件外圆表面A处的切削速度最高而槽窄,切屑最先受阻而卷曲,且卷曲半径小,变形大;而在刀尖B 处,切削速度低而槽宽,切屑最后以较大卷曲半径卷曲,这就会产生一个力,使切屑翻转到后刀面或待加工表面上,经碰撞后折断而形成C 形屑。

  这种形式的断屑槽。在中等切深时断屑范围较宽,断屑效果稳定可靠,生产中应用较为广泛。倾斜角τ的数值主要按工件材料确定,一般切削中碳钢时,取τ=8°-10°切削合金钢时,为增大切屑变形,取τ=10°-15° 。

  但在大切深时,由于靠近工件外圆表面A 处(见图11 )断屑槽宽度太小,切屑容易阻塞,甚至切屑打坏切削刃,所以一般多改用平行式。

  2、平行式(见图l0b ) :平行式断屑槽的切屑变形不如外斜式大,切屑大多是碰在工件加工表面上折断。切屑中碳钢时,平行式断屑槽的断屑效果与外斜式基本相仿,但进给量应略加大一些,以增大切屑的附加卷曲变形。

  3、内斜式(见图10c):内斜式断屑槽(见图12 )在工件外圆表面A 处最宽.而在刀尖B处最窄。所以切屑常常是在B 处先卷曲成小卷,而在A 处则卷成大卷。当主切削刃的刃倾角取成3°-5°时,切屑容易形成连续的长紧卷屑。内斜式断屑槽与主切削刃的倾斜角一般取τ=8°-10°,内斜式断屑槽形成长紧卷屑的切削用量范围相当窄,所以它在生产中应用不如外斜式和平行式普遍,主要是应用于精车或半精车。

  断屑器有固定式和可调节式两种。图13 为车刀上的可调节式断屑器。在车刀前刀面上装一个挡屑板1,切屑沿刀具的前面流出时,因受挡屑板1 所阻而弯曲折断。断屑器的参数Ln和α可按需要设计和调整,以保证在给定的切削条件下,断屑稳定可靠。松开螺钉3 , 在弹簧4 的作用下,可使挡屑板1 和压板2 一起抬起,便于挡屑板调整和刀片的快速转位与更换。这种断屑器常用于大、中型机床的刀具上。

  断屑装置类型很多,一般可分为机械式,液压式和电气式等,断屑装置成本高,但断屑是稳定可靠的,一般只用于自动线 为用于车刀上的带有切断器的断屑装置示意图。车削时,切屑通过导屑通道2 流出,被不断旋转的盘形切断器3 强行割断,被割断后的切屑则从排屑道6 排出。切断器是由传动轴4 带动的。图中1 为车刀。

  按工件直径大小不同,预先在被加工表面上沿工件轴向开出一条或数条沟槽,其深度略小于切削深度,使切出的切屑形成薄弱截面,从而折断。这样,既保证了可靠的断屑,又不影响工件已加工表面的粗糙度。即使加工韧性较大的材料时,断屑效果也很好。例如在精镗韧性较大的工件材料(如40Cr等)时,在用其他方法很难断屑时,则可在被加工表面上拉削出纵向沟槽,再进行镗削。采用这种方法能显出其独特的优点。

  由前面所述的切屑折断原理可知,减小刀具前角;增大主偏角;在主切削刃上磨出负倒棱;降低切削速度;加大进给量以及改变主切削刃形状等都能促使切屑折断。但是,采取这些方法断屑,常会带来一些不良后果,如生产率下降,工件表面质量恶化、切削力增大等,这种方法,在自动线上很少采用,有时只作为断屑的辅助手段。

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