刀具斷屑不可靠的原因分析和解決方法

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   時間:2014-03-12 03:37:25
刀具斷屑不可靠的原因分析和解決方法簡介
在切削加工中,崩碎切屑會飛濺傷人,並易研損機床;而長條帶狀切屑會纏繞在工件或刀具上,易刮傷工件,引發刀具破損,甚至影響工人安全。對於數控機床(加工中心……
刀具斷屑不可靠的原因分析和解決方法正文

在切削加工中,崩碎切屑會飛濺傷人,並易研損機床;而長條帶狀切屑會纏繞在工件或刀具上,易刮傷工件,引發刀具破損,甚至影響工人安全。對於數控機床(加工中心)等自動化加工機床,由於其刀具數量較多,刀架與刀具聯繫密切,斷屑問題就顯得更為重要,只要其中—把刀斷屑不可靠,就可能破壞機床的自動循環,甚至破壞整條自動線正常運轉,所以在設計、選用或刃磨刀具時,必須考慮刀具斷屑的可靠性。而對於數控機床(加工中心)等,並應滿足下列要求:
切屑不得纏繞在刀具、工件及其相鄰的工具、裝備上;
切屑不得飛濺,以保證操作者與觀察者的安全;
精加工時,切屑不可划傷工件的已加工表面,影響已加工表面的質量;
保證刀具預定的耐用度,不能過早磨損並竭力防止其破損;
切屑流出時,不妨礙切削液的噴注;
切屑不會划傷機床導軌或其他部件等。

在滿足上述要求的基礎上,不同刀具對切屑長度還有不同要求。例如一般粗車鋼料的最大切屑長度為100mm左右;精車則應稍長。要避免過於細碎的切屑,因為它容易嵌入機床導軌和刀具裝置的一些重要部位(如基準面),這樣不僅需要附加防護裝置,還給清除切屑帶來一定的困難。

對於某些不易斷屑的刀具,如成形車刀、切槽車刀和切斷車刀等,在數控機床(加工中心)等自動化機床上,應保證其穩定的卷屑。

一、切屑形狀的分類
根據工件材料、刀具幾何參數和切削用量等的具體情況,切屑形狀一般有:帶狀屑、C 形屑、崩碎屑、寶塔狀卷屑、發條狀卷屑、長緊螺卷屑、螺卷屑等。

(1)帶狀屑:高速切削塑性金屬材料時,如不採取斷屑措施,極易形成帶狀屑,此形屑連綿不斷,常會纏繞在工件或刀具上,易划傷工件表面或打壞刀具的切削刃、甚至傷人,因此應盡量避免形成帶狀屑。

但有時也希望得到帶狀屑,以使切屑能順利排出。例如在立式鏜床上鏜盲孔時。

(2)C 形屑:車削一般的碳鋼、合金鋼材料時,如採用帶有斷屑槽的車刀則易形成C 形屑。C 形屑沒有了帶狀屑的缺點。但C 形屑多數是碰撞在車刀后刀面或工件表面而折斷的。切屑高頻率的碰斷和折斷會影響切削過程的平穩性,從而影響已加工表面的粗糙度。所以,精加工時一般不希望得到C形屑.而多希望得到長螺卷屑 ,使切削過程比較平穩。

(3)發條狀卷屑:在重型車床上用大切深、大進給量車削鋼件進,切屑又寬又厚,若形成C 形屑則容易損傷切削刃,基至會飛崩傷人。所以通常將斷屑槽的槽底圓弧半徑加大,使切屑成發條狀在加工表面上碰撞折斷,並靠其自重墜落。

(4)長緊卷屑:長緊卷屑形成過程比較平穩,清理也方便,在普通車床上是一種比較好的屑形。

(5)寶塔狀卷屑 :數控加工、機床或自動線加工時,希望得到此形屑,因為這樣的切屑不會纏繞在刀具和工件上。而且清理也方便。

(6)崩碎屑 :在車削鑄鐵、脆黃銅、鑄青銅等脆性材料時,極易形成針狀或碎片狀的崩碎屑,既易飛濺傷人、又易研損機床。若採用卷屑措施,則可使切屑連成短卷狀。

總之,切削加工的具體條件不同,希望得到切屑的形狀也不同,但不論什麼形狀的切屑,都要斷屑可靠。

二、切屑折斷的原理
金屬切削過程中,切屑是否容易折斷,與切屑的變形有直接聯繫,所以研究切屑折斷原理必須從研究切屑變形的規律入手。

切削過程中所形成的切屑,由於經過了比較大的塑性變形,它的硬度將會有所提高,而塑性和韌性則顯著降低,這種現象叫冷作硬化。經過冷作硬化以後,切屑變得硬而脆,當它受到交變的彎曲或衝擊載荷時就容易折斷。切屑所經受的塑性變形越大,硬脆現象越顯著,折斷也就越容易。在切削難斷屑的高強度、高塑性、高韌性的材料時,應當設法增大切屑的變形,以降低它的塑性和韌性,便於達到斷屑的目的。

切屑的變形可以由兩部分組成:
第一部分是切削過程中所形成的,我們稱之為基本變形。用平前刀面車刀自由切削時所測得的切屑變形,比較接近於基本變形的數值。影響基本變形的主要因素有刀具前角、負倒棱、切削速度三項。前角越小,負倒棱越寬、切削速度越低,則切屑的變形越大,越有利於斷屑。所以,減小前角、加寬負倒棱,降低切削速度可作為促進斷屑的措施。

第二部分是切屑在流動和捲曲過程中所受的變形,我們稱之為附加變形。因為在大多數情況下,僅有切削過程中的基本變形還不能使切屑折斷,必須再增加一次附加變形,才能達到硬化和折斷的目的。迫使切屑經受附加變形的最簡便的方法,就是在前刀面上磨出(或壓制出)一定形狀的斷屑槽,迫使切屑流入斷屑槽時再捲曲變形。切屑經受附加的再捲曲變形以後,進一步硬化和脆化,當它碰撞到工件或后刀面上時,就很容易被折斷了。

三、斷屑槽對斷(卷)屑的影響
斷屑槽不僅對切屑起著附加變形的作用,而且對切屑的形狀和切屑的折斷有著重要的影響。在切削加工中,人們就是利用斷屑槽的不同形狀、尺寸及斷屑槽與主切削刃的傾斜角,來實現控制切屑的捲曲與折斷。為了更好地認識和掌握這些規律,我們就具體分析一下斷屑槽的形狀、尺寸及斷屑槽與主切削刃的傾斜角度對切屑形狀與切屑折斷的影響。

(一)、斷屑槽的形狀

斷屑槽的形狀有直線圓弧型,直線型和全圓弧型三種

l、直線圓弧型斷屑槽由一段直線和一段圓弧連接而成。直線部分構成刀具的前刀面,槽底圓弧半徑Rn的大小對切屑的捲曲和變形有一定的影響。Rn 小,則切屑捲曲半徑小,而切屑變形大;Rn大,則切屑捲曲半徑大,而切屑變形小.。在中等切深下(切深ap=2~6mm ) ,一般可選

2、直線型斷屑槽由兩段直線相交而成,其槽底角為180°-σ(σ稱為斷屑台楔角),槽底角(180°-σ)代替了圓弧Rn 的作用。槽底角小,則切屑的捲曲半徑小,切屑變形大;槽底角大,則切屑的捲曲半徑大切屑變形小。在中等切深下,斷屑台楔角一般選用60°~70°。

上述兩種形狀斷屑槽適用於加工碳素鋼與合金結構鋼,一般前角在γ。在5-15°範圍內。

3 、全圓弧型斷屑槽的主要參數槽寬B 、槽底圓弧半徑Rn和前角γ。之間的關係為:

當切削紫銅、不鏽鋼等高塑性材料時,常選用全圓弧型斷屑槽。因為加工高塑性材料時,刀具前角選得比較大(γ0=25°-30°)同樣大的前角,全圓弧斷屑槽刀具的切削刃比較堅固,另外槽也較淺,便於流屑,故比較實用。

幾種常用的斷屑方法

(一)利用斷屑槽:
如前所述,斷屑槽不僅對切屑起附加變形的作用.而且還能實現控制切屑的捲曲與折斷。只要斷屑槽的形狀、尺寸及斷屑槽與主切削刃的傾斜角合適,斷屑則是可靠的。不論是焊接式刀具還是機夾式刀具,是重磨式刀具還是不重磨式刀具都可採用。

為了適用不同的切削用量範圍。硬質合金可轉位刀片上壓制有多種形狀及不同尺寸的斷屑槽,便於選用,這樣既經濟又簡便。這種方法是切削加工中應首選的方法,也是應用最廣泛的方法。

不足之處是刀具合理幾何參數的確定,受到斷屑要求的牽制

(二)利用斷屑器
 在車刀前刀面上裝一個擋屑板1,切屑沿刀具的前面流出時,因受擋屑板1 所阻而彎曲折斷。斷屑器的參數Ln和α可按需要設計和調整,以保證在給定的切削條件下,斷屑穩定可靠。鬆開螺釘3 , 在彈簧4 的作用下,可使擋屑板1 和壓板2 一起抬起,便於擋屑板調整和刀片的快速轉位與更換。這種斷屑器常用於大、中型機床的刀具上。

(三)利用在工件表面上的預先開槽的方法:
按工件直徑大小不同,預先在被加工表面上沿工件軸向開出一條或數條溝槽,其深度略小於切削深度,使切出的切屑形成薄弱截面,從而折斷。這樣,既保證了可靠的斷屑,又不影響工件已加工表面的粗糙度。即使加工韌性較大的材料時,斷屑效果也很好。例如在精鏜韌性較大的工件材料(如40Cr等)時,在用其他方法很難斷屑時,則可在被加工表面上拉削出縱向溝槽,再進行鏜削。採用這種方法能顯出其獨特的優點。

改變刀具幾何參數和調整切削用量
由前面所述的切屑折斷原理可知,減小刀具前角;增大主偏角;在主切削刃上磨出負倒棱;降低切削速度;加大進給量以及改變主切削刃形狀等都能促使切屑折斷。但是,採取這些方法斷屑,常會帶來一些不良後果,如生產率下降,工件表面質量惡化、切削力增大等,這種方法,在自動線上很少採用,有時只作為斷屑的輔助手段。

此外,採用切削液可以降低切屑的塑性和韌性,也有利於斷屑。提高切削液壓力更能促使切屑折斷,孔加工中,有時就採用這種方法。

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