刀具断屑原因分析

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1、刀具断屑不可靠的原因分析及解决方法 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 切屑不得缠绕在刀具 工件及其相邻的工具 装备上 切屑不得飞溅 以保证操作者与观察者的安

2、全 精加工时 切屑不可划伤工件的已加工表面 影响已加工表面的质量 保证刀具预定的耐用度 不能过早磨损并竭力防止其破损 切屑流出时 不妨碍切削液的喷注 切屑不会划伤机床导轨或其他部件等 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 一 切屑形状的分类 根据工件材料 刀具几

3、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 l 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 但有时也希望得到带状屑 以使切屑能顺利排出 例如在立式镗床上镗盲孔时 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

4、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

5、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 二 切屑折断的原理 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

6、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 切屑的变形可以由两部分组成 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

7、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 三 断屑槽对断 卷 屑的影响 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

8、槽与主切削刃的倾 斜角度对切屑形状与切屑折断的影响 一 断屑槽的形状 断屑槽的形状有直线圆弧型 直线型和全圆弧型三种 见图 5 图 5 断屑槽的形状 l 直线圆弧型断屑槽 见图 5a 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 Rn 0 4 0 7 B B 为断屑槽的宽度 2 直线型断屑槽 见图 5b 由两段直线相交而成 其槽底角为 180 称为断屑台楔角 槽 底角 180 代替了圆

9、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 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 之间的关系为 见图 5C 当切削紫铜 不锈钢等高塑性材料时 常选用全圆弧型断屑槽 因为加工高塑性材料时 刀具前角选 得比较大 0 25 30 同样大的前角 全圆弧断屑槽刀具的切削刃比较坚固 另外槽也较浅 便于流 屑 故比较实用 见图 8 二 断屑槽的宽度 断屑槽宽度 B 与进给

10、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

11、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 三 断屑槽与主切削刃的倾斜角 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 1 外斜式 见图 10a 外斜式的断屑槽 前宽后窄 前深后浅 外斜式断屑槽的切屑卷曲变形大 如图 11 所

12、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 的数值主要按工件材料确定 一般切削中碳钢时 取 8 10 切削合金钢时 为增大切屑变形 取 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

13、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 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 四 几种常用的断屑方法 一 利用断屑

14、槽 如前所述 断屑槽不仅对切屑起附加变形的作用 而且还能实现控制切屑的卷曲与折断 只要断屑槽 的形状 尺寸及断屑槽与主切削刃的倾斜角合适 断屑则是可靠的 不论是焊接式刀具还是机夹式刀具 是重磨式刀具还是不重磨式刀具都可采用 为了适用不同的切削用量范围 硬质合金可转位刀片上压制有多种形状及不同尺寸的断屑槽 便于选 用 这样既经济又简便 这种方法是切削加工中应首选的方法 也是应用最广泛的方法 不足之处是刀具合理几何参数的确定 受到断屑要求的牵制 二 利用断屑器 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

15、所阻而弯曲折断 断屑器 的参数 Ln 和 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 三 利用断屑装置 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 一般只用于自动线上 图 14 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

16、四 利用在工件表面上的预先开槽的方法 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 五 改变刀具几何参数和调整切削用量 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 此外 采用切削液可以降低切屑的塑性和韧性 也有利于断屑 提高 切削液压力更能促使切屑折断 孔加工中 有时就采用这种方法