（机械工程专业论文）用于不锈钢半精加工、精加工的正型刀片槽型的研究.pdf

中南大学硕上学位论文摘要 摘要 不锈钢材料具有良好的综合性能，因此越来越多地应用于各行业当 中。不锈钢属于韧性材料，加工时不容易断屑。目前国内刀具厂家生产 用于加工不锈钢的正型刀片断屑效果、使用寿命都不太理想，其市场基 本上被国外刀具厂所占领。因此，开展加工不锈钢正型刀片断屑槽的断 屑研究，探讨断屑槽的断屑机理，加快适合不锈钢等难加工材料的槽型 刀片的开发，提高我国用于不锈钢加工的槽型刀片的自主开发能力具有 重大的现实意义。 本文较为系统、深入和全面地综述了国内外槽型刀片切屑控制和断 屑槽的研究概况以及所取得的成果；从分析国外最先进的2 种加工不锈 钢断屑槽刀片入手，对这些刀片进行测绘、切削对比试验，对槽型结构 进行了系统分析，对这些典型槽型刀片的断屑性能和耐磨性进行了比较 分析。根据试验结果分析研究得出：刃宽、前角、刃倾角是正型刀片进 行切削不锈钢产品时起关键作用的槽型参数。 在上述理论研究和切削试验的基础上，提出了加工不锈钢正型刀片 断屑槽的设计方案，设计开发了用于半精加工、精加工的5 个( c 型、d 型、s 型、t 型、v 型) 正型刀片品种，其中包含了5 0 多个规格的槽型 刀片。将研制的不锈钢加工正型刀片与国外同类刀片进行对比切削试验， 试验结果表明：所研制的正型刀片在切削过程中平稳轻快、排屑流畅， 其断屑范围、耐磨性、表面粗糙达到了国外先进刀具生产厂家同类产品 水平。这些开发的产品现己打进国内外市场，取得了较好的技术和经济 效益。 关键词：不锈钢切削，正型刀片，断屑槽，切屑控制 a b s t r a c t s t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a li sw i d e l yu s e di nv a r i o u si n d u s t r i a lf i e l d sf o ri t s e x c e l l e n ts y n t h e t i cp r o p e r t y s t a i n l e s ss t e e li sad u c t i l em a t e r i a l ，a n di ti sn o t t ob r o k e nc h i pi nm a c h i n i n g 1 1 1 ed o m e s t i cm a n u f a c t u r e r st op r o d u c et o o l s f o rt h ep r o c e s s i n go fs t a i n l e s ss t e e lc u t t i n gb l a d ei sn o te f f e c t i v ei nc h i p b r e a k i n g ，i t sl i f e i ss h o r t i t sm a r k e ti s l a r g e l yo c c u p i e db yf o r e i g nt o o l s t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c ht h ep o s i t i v ei n s e r t s g r o o v e sf o r s t a i n l e s ss t e e lm a c h i n i n ga n ds ow ec a nk n o wa b o u tt h eb r o k e nm e c h a n i s mo f b r o k e ng r o o v e s ，q u i c k e nt h ep r o c e s so f d e v e l o p i n gb r o k e ng r o o v e sf o rh a r d m a c h i n i n gm a t e r i a l ，i m p r o v eo u rs e l f - i n d e p e n d e n td e v e l o p i n ga b i l i t y t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e st h eb a c k g r o u n da n dt e n d e n c yo f t h ed e v e l o p m e n to fc h i pc o n t r o la n dt h e d e s i g n o fc e m e n t e dc a r b i d e i n d e x a b l ei n s e r t s c h i p b r e a k i n gg r o o v e t h a td e v e l o p e di nh o m e l a n da n d f o r e i g nc o u n t r i e s ；t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et w ok i n d so fa d v a n c e df o r e i g n c h i p b r e a k i n gg r o o v e sa n da b u n d a n te x p e r i m e n t s ，a n dc o m p a r e dt h e s et y p i c a l c h i pb r e a k i n gg r o o v eo ft h ep r o p e r t i e sa n dw e a rr e s i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t s ，w ec a r lc o n c l u d e ：b l a d ew i d t h ，r a k ea n g l e ，e d g ea n g l ep l a yak e yr o l e i nt h eg r o o v ep a r a m e t e r s b a s e do nt h em e n t i o n e dt h e o r ya n de x p e r i m e n t ，t h ec h i p - b r e a k i n g g r o o v ed e s i g ni sp r o p o s e d ，t w os o r t so fg r o o v e sc u t t i n gt o o l sc o n t a i n e dm o r e t h a nf i f t ys t a n d a r d si nt h ems e r i e sa r ed e v e l o p e d ，a n dt h e s et o o l sa r ea p p l i e d i ns t a i n l e s ss t e e lm a c h i n i n g t h ed e v e l o p m e n to fs t a i n l e s ss t e e l p o s i t i v e i n s e r t si s c o m p a r e dw i t hs i m i l a rf o r e i g ni n s e r t s c u t t i n gt e s t t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ：1 1 1 ec u t t i n gp r o c e s si sm o r es t a b l ea n df a s t e r , a n dt h ec h i p sc o u l d b er e m o v a lo u tf l u e n t l y i ng e n e r a l ，i t sc u t t i n gp e r f o r m a n c eh a sa c h i e v e dt h e s a m el e v e la st h ef o r e i g na d v a n c e dc u t t i n gt 0 0 1 t h o s ed e s i g n sh a v eb e e n t r a n s m u t e di n t of i n i s h e dp r o d u c t st h a th a v eb e e ns o l dt od o m e s t i ca n df o r e i g n m a r k e t s ，a n da c h i e v e dp e r f e c tt e c h n o l o g i ca n de c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：c u t t i n gs t a i n l e s ss t e e l ， c h i pc o n t r o l p o s i t i v ei n s e r t s ，c h i p b r e a k i n gg r o o v e ， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 不锈钢材料具有良好的性能：耐腐蚀、强度高、美观、卫生、适用温度范围宽、 价格相对低廉等，因此不锈钢越来越多地应用于各行业当中。在食品、化工、医药、 建筑、交通运输机械、航空和航天等行业当中，尤以奥氏体不锈钢应用最为广泛【l 】， 奥氏体不锈刚生产量和使用量约占不锈钢产品总产量及用量的7 0 【2 】。其中一些小型 不锈钢阀门、紧固件、管接头、螺丝螺帽、液压气动元件等，产品批量化，加工材料 以3 0 4 、3 1 6 为主，不仅要求高表面粗糙度，而且要求较高的耐磨性。2 0 0 6 年株洲钻 石切削刀具股份有限公司开发了加工不锈钢的专用槽型刀片一e m e f 槽型刀片。其 中e m 用于半精加工，e f 用于精加工。经过两年的推广应用，此两个系列的刀片 逐步得到客户的认可。但是当时只开发了负型刀片( 刀片后角为零度) 系列产品，该 系列刀片基本上能够满足大部分工序的加工。但一些要求切削力小、震动敏感、表面 粗糙度高的关键部位及工序，负角刀片往往力所不及。如细长轴加工、镗孔加工等方 面的不锈钢加工，我公司可用的往往就只有一h m 、h f 等通用槽型刀片。随着科技 的进步，被加工材料的要求不断提升，对切削刀具的要求也越来越高。这种通用槽型 刀片已很难兼顾市场的不同要求。针对以上情况，同时为适应更广泛的市场需求，有 必要开发一e m e f 的正型刀片( 刀片后角不为零度) 系列产品。正型刀片适用于内轮 廓加工，小型机床加工，工艺系统较差和结构形状较复杂的加工，如下图1 1 所示。 图1 - 1 正型刀片加工不锈钢阀门内孔图 国外各大刀具厂家如s a n d v i k 、三菱、东芝等都有自己的适用于不锈钢加工的 正型系列专用槽型刀片，并且在市场上占有较大的份额。航空行业方面，发动机上除 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 主体机匣、叶片转子等大零件外，另有大量的附属小零件，总体加工量占整个发动机 的三分之一，材料为镍基高温合金和不锈钢，需要大量的用于各类小型管接头、盘轴 零件的清根刀片。在这块市场上目前多由山特维克产品占据，其价格较贵，使用成本 高，通常为国产刀具的3 1 0 倍，一般企业很难承受，用户有强烈的国产化替代意愿。 不锈钢阀门广泛应用于石油行业、电力行业、冶金行业、化工行业、城市建设部门等 方面。据了解，目前市场上具有一定规模的不锈钢阀门企业有2 0 0 0 余家，大多数分 布在江浙及中原一带。该行业技术含量要求相对较低，产品利润率低，因此市场竞争 非常激烈，降低成本势在必行。目前，该市场三菱刀具产品以其性价比优势，占据着 绝对地位。由于进口刀具存在价格昂贵，品种规格不全，标准化、系列化程度不高给 使用者带来麻烦，也给管理造成混乱。这就要求研制其替代产品，并将其规格进行完 善，实现其标准化和系列化。与国外刀具生产大公司相比，本公司的系统研究缺乏， 技术支持不够，势必造成产品的后续开发能力不足。因此，不锈钢加工专用正型刀片 系列化设计和系统研究的工作有着极为重要的意义。 由于不锈钢是韧性材料，属于难加工材料，在精加工、半精加工不锈钢时，切屑 往往难以折断，直接影响生产效率、加工质量，因此在使用正型刀片加工时要求其具 有良好的断屑性。断屑的方法很多，而目前国内外采用的最为广泛的办法是采用断屑 槽断屑p j 。因此，开展不锈钢加工专用正型刀片断屑槽的断屑研究，了解断屑槽的断 屑机理，对加快适合不锈钢等难加工材料的槽型刀片的开发，提高我国用于不锈钢加 工的正型刀片的自主开发能力具有重大的现实意义。 1 2 国内外用于不锈钢加工正型刀片槽型现状 目前，加工不锈钢的正型刀片市场基本上被国外刀具厂所占领。国内刀具厂家生 产用于加工不锈钢的正型刀片切削效果都不太理想，切削速度 1 5 0 m m i n 时，加工效果就非常不理想，和国外 刀具的差距比较大，具体体现在断屑情况和加工质量方面。国外著名的各大刀具厂家 如s a n d v i k 、三菱、东芝等都有自己的适用于不锈钢加工的正型系列专用槽型刀片， 并且在市场上占有较大的份额。例如s a n d v i k 的m m 、m f 槽型系列用于不锈钢 的半精加工和精加工；三菱则有m v 、f v 槽型；t u n g l o y 的p m 、p f 槽型。尤 其是美国肯纳金属( k e n n a m e t a l ) 全新的b e y o n d 高性能车削产品线，在2 0 0 8 年i m t s 正式发布了l 引。现在k e n n a m e t a l 公司推出了新的s c r e w - o n 正型刀片断屑槽型，包括 了f p 、m p 。其中f p ( f i n i s h i n gp o s i t i v e 精加工j 下前角) 断屑槽刀片所特有的断屑凹槽， 能够提供更低的切削力和独特的刀尖圆角设计，在切削时避免切屑在刀尖圆角区域的 挤压。这种优化的断屑设计的减少了切削力，同时能够获得更高的金属切除率。他们 的m p ( m e d i u m r o u g h i n gp o s i t i v e 中等籽加工正前角) 断屑槽刀片适用于倒角加工， 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 也能胜任于镗削加工，设计的刀片刃口强度高，能够增加切削深度。以下是一些国外 著名刀具厂家的加工不锈钢正型槽型刀片断屑槽，如图1 2 图1 5 所示。 m m m l i n e - 锈钎f 、f 特d c c m t 0 2 0 4 m m 吆m m t 3 0 4 - m m t 3 0 & m m 竹什慧1 2 0 4 0 4 - m m 1 2 m m 1 20 4 1 2 - m m m f m l i n e 锈俐札n i c c m t 舵0 2 - m f 吆0 4 m f t 3 0 2 - m f t 3 0 4 - m f ”0 8 m f 怕n 诰 一 。 1 2 0 4 0 4 - m f 图1 - 2s a n d v i k 正型刀片加工不锈钢断屑槽型 s a n d v i k 的m m 槽型刀片为不锈钢半精加工的首选，m f 槽型刀片为不锈钢 精加工的首选。m f 槽型刀片在小切深和低进给加工时具有优良的切屑控制性能，能 保证所加工工件具有良好的表面质量。 棘鬻麟滞甥锵搿粼黝豳麟鬻瑗鬻麓鬻鬟鬓鬻荔鬻黪i 篱誊缀鬻麓弼臻糍l 蒸箨飘 藕謦篡磐麓鬻甏荔；黪鬻 图i - 3 三菱正型刀片加工不锈钢断屑槽型 三菱用于加工不锈钢的槽型有f v 、r l f 、s v 、m v 槽型。m v 槽型为不锈 钢半精加工槽型，f v 槽型为不锈钢的精加工槽型。三菱用于不锈钢加工正型刀片在 国内市场有占有率达3 0 以上，足以证明它具有良好的切削性能。 j ” 嚣o m 葶够薷蟛赫静聋j i 一謦o m - 幂蝣髑蟾争镌麓y - 一 垂疆k 弼印孵翟；i 陋摹，峄 越r ， 。a w ，w o 图1 - 4 伊斯卡正型刀片加工不锈钢断屑槽型 3 藤 渊 五：吐#f。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 伊斯卡用于不锈钢的半精加工有p p 槽型和t f 槽型，p p 槽型刀片具有较高的耐 磨性，而t f 槽型刀片的韧性好。用于不锈钢的精加工槽型则分得更加细致，共有6 种槽型供与选择。 可优戋控糍切躺 辞出方霸孵榜密妨靛专用酯 w 口口羹a 鹚靖镑扩孔惦蕺聍擗翳f ： 艇藏力，；= 蠕薛抗力豫、霸拇太趣帻坊黼的纂瘩彦 溜 p f 鬟 纛 臻绮蟒靛的槲猫t 聿艇婶瑚孔加工孵无惦 嬲壤绕。 l ，1 一 可贫瑗良鲜诽辫性麓辊l 垂羊f i 露翁性麓的用于 矗 精坊糟誊精惦辫的三维新爝槽。婆箕是m 缘精珞，旅可蓥瑗伍成蓐辅驽馕用楚嚏内的 嗽 离散锃扩孔惦酗。 切滑控麓好一_ l 辫健麓优嚏怒擎精墙翳够 巍 簋左断翳槽。艇 球错钢济彳亍稳霪蠕爝。 p m 缀 g 忡黧兹蠡 _ _ 蕊减 絮渤 t ，n 厂1 ，o d 。登嘲暖霸黼：v 节：了 = l j r 。d 8 赢i 薯“戮黪囊k嚣篡器 隧豢鬻荔蒸i 攀 盘；，j w 瓤，。m 。、 列 囊剽p 碡隧鬻霾 二； 图1 - 4 泰珂洛( t u n g a l o y ) 正型刀片加工不锈钢断屑槽型 泰珂洛的p m 槽型为半精切削不锈钢的基本断屑槽，p m 型槽型刀片能对不锈钢 进行稳定切削，排屑性能优良；p f 槽型为不锈钢精加工的基本断屑槽，加工内孔时 无切屑缠绕。上两种槽型刀片具有比较宽的断屑范围。 1 3 切屑控制理论的研究概况及发展动态 在以前的切削生产加工过程中，因机床的自动化程度不高，生产效率低，因此没 有重视切屑的控制。随着科学技术的发展，数控加工机床( n c ) 、现代化加工中心、 柔性制造系统( f m s ) 以及自动化生产线慢慢普及，一方面，工件材料韧性和强度的 提高使得切削加工性变差；另一方面，因刀具材料的快速发展使得切削速度越来越高， 金属的切削率也朝高水平发展，切屑的断屑与控制就成为切削中一个很重要问题【5 】。 切屑控制理论分为三大类，一大类是关于切屑的生成、二大类是关于切屑的运动， 三大类是关于切屑的折断1 6 】。所谓切屑的生成问题，主要是研究切屑在切削过程中是 怎样形成的、切屑的组织和力学性能是怎样变化的等系列问题。当今的研究大部分集 中在利用平前刀面刀具切削时的切屑生成方面的问题，对于利用复杂三维曲面前刀面 刀具进行切削时，切屑的形成机理则有待于更深层次的研究。关于切屑的运动学即主 要是研究切屑的运动规律，其包括了切屑流的向和卷曲规律。该方面的研究具有非常 重要的现实意义，因为我们可以把切屑运动学的研究成果运用到当今生产过程中，让 4 啊 | | | | j j o | | | | | | | | | | | 中南大学硕士学位论文第一章绪论 切削加工中形成“可接受 的屑形【7 1 。关于折断力学则是集中研究切屑经过变形、卷 曲和空间运动后是如何折断的。包括了切屑在运动过程中撞击到障碍物而被折断的机 理与切屑被甩断的机理。 1 3 1 切屑控制理论的发展阶段 国外的学者较早地对切屑控制和三维槽型进行了研究，其发展历史划分为六个阶 段【8 】： 第一阶段( 1 9 0 0 1 9 4 9 ) 刀具的设计和发展的原始阶段 这一阶段，大部分研究集中在减少刀具磨损和切削力，对切屑控制不重视。 第二阶段( 1 9 5 0 1 9 5 9 )断屑研究的开始阶段 该阶段各国学者更多的是对切屑流向的分析，并做了不同切屑类型的断屑试验。 第三阶段( 1 9 6 0 一1 9 6 9 )主要研究有限接触刀具金属切削机理 该阶段切屑控制研究主要集中在切屑如何生成，是基础方面的研究，该使其对传 统型和障碍型断屑器进行了研究。学者们更多的是对有限接触刀具切削中切屑的形成 机理进行了集中研究，在此阶段，刀具设计思想上取得了较大的突破。 第四阶段( 1 9 7 0 1 9 7 9 )研究切屑流向、切屑卷曲和切屑折断问题 这一时期，学者们进一步研究了切屑流向和切屑卷曲的形成机理及断屑性能，该 阶段也是切屑形成理论研究最为活跃的阶段。随着切削速度朝高速发展、自动化生产 也开始被运用到生产过程中，切屑流向、卷曲和折断同样被广泛研究，在此阶段建立 了基本的切削理论体系。同时，也研究一些与切屑形成过程相关的因素，例如刀具的 磨损、切削中的切削力以及加工工件表面质量等。 第五阶段( 1 9 8 0 1 9 8 9 )分析研究新型断屑槽型设计和预测切屑折断的阶段 在这个阶段，主要是把以前的关于切屑生成和切屑控制理论进一步发展和应用。 另外，新型刀具材料硬质合金对槽型结构的发展起了巨大的影响作用，断屑槽槽型的 设计变为这一时期的热点，在设计槽型时，不仅要求刀具断屑可靠，同时还须兼顾刀 具磨损，尽量提高刀具的寿命及可靠性，并且要求降低切削力。 第六阶段( 1 9 9 0 至今) 继续研究实现整体切屑控制( t o t a lc h i pc o n t r 0 1 ) 这一时期主要是继续进行开发创新，以求获得良好的整体切屑控制。整体切屑控 制主要有两个功能：即有效的切屑折断和有效的切屑清理。而三维断屑槽的发展则很 好地促进了切屑的全面控制，所以，近些年来，许多学者主要的研究工作都在寻找能 够将切屑折断成理想形式的断屑槽型。 1 3 2 切削控制理论的研究成果 ( 1 ) 切屑的流向理论 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 关于对切屑流向的研究，国内外学者更多的是研究怎样求解流屑角，对切屑流 向机理的研究则不多。当今流屑角的定义有两种，第一种定义是：刀屑分离线的法 线与刀具前刀面上切屑流出方向所夹的角度。如图1 - 6 所示。第二种定义是：切削刃 法线方向与斜角切削以及三维切削时刀具前刀面上切屑流出方向的夹角。目前精确测 定刀屑分离线十分困难，因此普遍采用第二种定义。在切削过程中，切屑的卷曲、 折断及断屑槽的参数设计等各种因素对流屑角也有一定的影响，所以，长期以来大量 学者对流屑角的变化规律进行了大量分析研究，提出了许多计算流屑角的公式。 对于流屑角的计算和预测，大致可归纳为下面几种： 1 ) 在大量切削试验的基础上，国外的学者们分析研究出一些简单的描述流屑 角的变化规律的法则。这些法则不是拟合试切削试验验数据得出的经验公式，也不是 运用解析的方法推导的理论公式，只是在某种程度上的假说，其中影响较大的有斯坦 不勒( s t a b l e r ) 法则和科尔威尔( c o l w e u ) 的近似方法。 图卜6 流屑角定义图 斯坦不勒吲( s t a b l e r ) 提出了流屑角刀和刃倾角五。之间有在以下的关系： r = k 以 ( 1 - 1 ) 式中， 七一与被加工材料有关的系数，一般k = - o 9 1 0 。 斯坦不勒法则并没有考虑副切削刃的影响，因此上式只适合于斜角自由切削时的 情况。在三维切削加工时，只有在切削深度远大于进给量的条件下，该法则才与实验 结果相一致。 切削刃弦指的是连接实际参加切削的主副切削刃两端点的直线。科尔威尔【l o 】 ( c o l w e l l ) 认为利用“等效刀刃，【1 】的概念来计算主副切削刃同时参与切削时的切屑流 向。科尔威尔提出流屑方向垂直于切削刃弦，并当刀尖圆弧半径0 = 0 时，则有下式 叩= a r c 锄 南c 两1 + s i 瓦n y s ) ) 2 ) 成立。 科尔威尔( c o l w e l l ) f l 锈似方法比较简单实用，但是没有考虑工件材料对流屑角 的影响，因此在有些情况下会有比较大的误差。 r u s s e l l 和b r o w n l l 2 】考虑了刀具刃倾角与前角对流屑角的影响，认为 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 t a n r 2 t a n 2 s c o s y 一 ( 1 3 ) 式中， 7 一一刀具的法向前角。 但式( 1 3 ) 仍只是在斜角自由切削时才成立。 2 ) 理论公式或方法 学者胡荣生等【b 1 在o x l e y 教授的流屑角预报理论的基础上进行了改进，并获得了 包含影响流屑角众多因素的计算公式为： r 2 j f ，l - t - j ，2 - i - y 3 ( 1 4 ) 式中， 缈- 一主切削刃上几何参数刃倾角以、法向前角以对流屑角的影响； y 2 一副切削刃上几何参数刃倾角以、法向前角以对流屑角的影响； 沙，一因切削深度口。和进给量厂变化引起水平切削分力的变化对流屑角的 影响。 此公式应用范围广，引入比较多的经验系数，因此计算十分复杂。 学者张维纪等人f h l 提出了一种流屑角的计算公式，但使用他们的公式计算时，需 要测量刀具各个方向的受力大小。 徐亦红、李振加教授等人研究了切屑横向流动及切削刃干涉对流屑角影响规 律，进行了试验，并运用回归分析的方法，提出了流屑角计算公式： y = ( 一1 8 6 34 - 7 6 6 厂。+ 0 5 7 k ，- i - o 1 2 k i4 - 0 0 i 9 0 0 3 0 丑) + ( 7 5 3 5 2 3 y s 一0 2 5 k r o 0 4 k + o 4 5 2 , ) i n a p ( 1 5 ) ， 此计算公式的适用范围是：0 5 口。3 m m ，l 土。 pj 二 该公式得特点是适用范围较广，能满足一定范围内切削加工时计算的需要。 文献 1 6 】【1 7 1 8 都分别例出了一些预测和计算流屑角的公式。他们公式的建立 都在不同程度上依赖于切削试验数据，并所进行的切削试验比较费时费力。 3 ) 经验公式 s p a a n s l l 9 1 和姜澄宇等人f 2 0 1 分别提出了一些如何计算流屑角的经验公式，但是他 们的公式的应用范围同样有很大的局限性，公式在参数、系数取值、形式和变量数目 上都有很大不同，至今还没有公认的权威经验公式。 位) 切屑卷曲理论的研究 在金属切削加工过程中，切屑的卷曲形状和卷曲程度直接影响着切屑能否可靠 折断，所以，研究切屑卷曲的基本规律，对于断屑槽的设计具有十分重要的意义。 1 ) 切屑二维卷曲模型的建立 切屑二维卷曲模型的建立主要以同本中山一雄先生的工作为典型。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 中山一雄在切屑卷曲运动学及力学分析的研究方面取得了较大的成果。在他前 期的研究中，他分析研究了切屑沿平面形前刀面、直线刃流出时，其形态的数学描述 问题 2 1 2 2 】。其主要出发点是：( 1 ) 切屑与前刀面分离后，碰到障碍物之前是螺旋运动。 ( 2 ) 切屑的底层与刀具前刀面分离时的瞬时速度与刀具前刀面相切。在此条件下，建 立了参考坐标系( 如图1 7 ) 。在此参考系中，中山一雄认为可以用流屑角、侧卷和上 卷来进行定量描述切屑的形态。其中z 轴与前刀面垂直，x 轴与刀一屑分离线重合， 坐标原点则为x 轴与副刀刃的交点，x 轴和z 轴都垂直于y 轴。 图卜7 切屑二维卷曲模型 日本学者中山一雄对切削卷曲模型的主要贡献是，他首先找到了一种能够进行 定量描述三维切屑形态的数学方法，然后再用这种方法来计算各种比较常见的切屑类 形以及其各种参数之间的关系。其次是在他后期的研究中，中山一雄对其前期研究成 果进一步改进，在其前期对切屑自然卷曲的运动学分析的研究基础上，发展到了对切 屑受到额外阻力后切屑形成的力学分析，还分析研究了刀具前刀面上的凸起对切屑形 态的影响，这些成果对于断屑槽的设计具有十分重要的现实意义。 图1 8切屑三维卷曲模型 2 ) 切屑三维卷曲模型的建立 华中科技大学陈永洁教授等人【2 3 】建立了切屑的三维卷曲模型，他们采用了中山 一雄先生的两个基本f i f 提，在其二维卷曲模型的基础上，仍然分析研究切屑沿平前刀 面刀具的前刀面、直线刃流出时的情况，但是前刀而的分离线与切屑是否与主切削刃 平行不再作为必要条件。选取参考系如图l 一8 所示，其中z 轴与前刀面垂直，x 轴垂 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 直z 轴与y 轴，y 轴则与切屑接近刀尖一边与前刀面分离时的速度方向平行，靠近刀 尖一边的切屑与前刀面的分离点则为原点。在该参考系中，采用一个向量国来表示切 屑的回转角速度，采用右手规则来确定其方向。其定义切屑三个方向的卷曲是在此参 考系中度量的，包含了横卷、上卷和扭卷。 ( 3 ) 切屑的折断理论研究 在金属切削中，切屑的折断方式主要包括：工件障碍型、后刀面障碍型、螺卷 型和横向卷曲型等。以上可归纳为两种类型，即甩断和碰断。前者在折断时，切屑并 没有碰到任何障碍物，而是因为动力学的原因，当螺旋形的切屑长度达到一定的临界 长度时，整个切屑突然开始旋转，并且振幅急剧增加，最后因为弯曲应力而使切屑折 断。后者则包括撞击到后刀面的折断、撞击到工件待加工表面的折断以及撞击到工件 加工面表面的折断【2 4 1 。 一般来说，在切屑中最大应变值s 一大于切屑材料的极限应变值时，切屑就 会折断，因此切屑折断的基本条件如下： sf m “ ( 1 6 ) 日本学者中山一雄提出了切屑折断的条件【2 5 】如下： 皤曲百1 一去) ( 1 - 7 ) 式中， 口c h 一切屑厚度： a 一切屑截面形状系数，对于矩形截面a = 0 5 ，曲面形截面的切屑口值增大； r o _ 切屑的初始卷曲半径； r l 一切屑极限半径。 张幼桢教授等人2 6 1 进行了弹塑性理论分析，还考虑了切削过程中切屑的弹塑性 变形，提出切屑折断的条件如下： 毛云”争等 件8 ， 式中， 口r 一切削厚度； 七= 生r 切屑半径比， 、r 的意义同式 ； 仃，一切。屑材料的屈服应r 力；( i - 7 ) e 一弹性模量。 1 4 断屑槽技术的研究概况 随着先进机械加工技术的发展，自动化的程度越来越高，以前不被重视的“切 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 屑控制 问题已变为目前急需解决的问题之一。因此，切削加工中采取了多种断屑措 施来断屑：选择科学的切削参数【2 刀；选择科学的刀具几何参数用来增大或改变切屑形 态【2 8 1 【2 9 1 ；选择比较合适的切削液体【3 0 1 ；采用预置沟槽进行断续进给3 i i ；采用带有振 动切削的装置，使切屑变得疲劳折断 3 2 1 。到目前为止，采用断屑槽断屑仍是世界上应 用最为广泛、最为经济的断屑方法。所以，断屑槽的研究与应用是断屑技术发展的主 要方向。 1 4 1 断屑槽断屑机理的研究 在断屑槽断屑机理的研究方面，日本学者中山一雄分析研究了断屑器对切屑卷曲 的影响，提出：切屑在运动过程中受到挤压而发生卷曲是由于断屑槽施加弯矩作用的 结果；在精加工中，用断屑槽的倾斜面对切屑施加弯曲作用使其折断，改变断屑槽的 形状，能够获得不同的切屑折断范围f 3 3 】【3 4 1 。 荷兰学者c s p a a n s 对切屑流出角的变化规律、斜壁式断屑台的切屑折断过程以 及对切屑折断的影响进行了研究，这些研究加快了切屑卷曲和折断研究的步伐f 3 5 1 3 6 1 。 英国学者b w o r t h i n g t o n 等人分析讨论了棱带宽度以。对断屑作用的影响。他们 提出了棱带宽度6 ，。不能大于刀一屑接触长度，2 a c h ，并给出了估计断屑槽几何形状、 切屑卷曲半径及厚度的试验公式【3 7 】【3 8 】f 3 9 1 1 4 0 。因此，应取： b ，ls ( 0 5 0 7 ) a 曲 ( 1 - 9 ) r g h o s h 等人分析研究了刀具断屑槽型的几何参数对切屑折断的影响。他们认 为：切屑折断类型的改变是随的进给量厂的变化而改变的【4 。 美国学者i s j a w a h i r 和澳大利亚学者pl b q x l e y 提出：刀屑接触长度与切削 厚度之比是影响切屑流动性的重要因素，比值越小，切屑向断屑槽的流动趋势反而越 十1 4 2 1 4 3 4 4 1 o 我国学者张幼桢教授等人嘲研究出了一套断屑槽几何参数的计算方法。他们认为 直线型断屑台的切屑卷曲半径计算公式如下： r c = ( 形一，) c 。t 詈一警c o t 导一警 ( 1 1 0 ) 其中 口曲= 孝f s i n 七， ( 1 - 11 ) 式中， f 一切屑变形系数； 厂一进给量； k ，一刀具的主偏角。 通过对多种材料的拉伸试验，结果表明：切屑材料的弹性模量瓦和原工件材料 几乎一致，切屑材料的屈服应力民大概是原工件的1 5 倍。取k r 。戤= 4 0 ，k r 。= 1 2 ， 将( 1 1 0 ) 、( 1 1 1 ) 式代入( 1 8 ) 式，则得到断屑台宽度的计算公式： l o 中南大学硕士学位论文第一章绪论 老川叽b 老叫一 ， ( 1 1 2 ) 李振加教授等人系统地研究了断屑槽型的有效断屑范围，研究表明：运用断屑 进行槽断屑时，切屑折断区域的下限可以用极限进给量和极限切削深度来表示【4 6 1 。对 于直线圆弧型断屑槽，若切屑的卷曲为二维向上卷曲，则上卷半径计算公式如下： 耻掣+ j h 土2 s i n ? p ”2 瓦1 fc o s 瑚 ( 1 1 3 ) 2 2 、 吸 “ 式中， 一断屑槽法向前角， ，一刀屑接触长度， 形、h 、眠为断屑槽的几何参数( 如图1 9 ) 。 图卜9 直线圆弧型断屑槽 陈永洁教授等人等研究了切削过程中切屑与刀具前刀面之间的摩擦情况，提出 理论上刀片带减摩槽时切屑比不带减摩槽卷曲得更紧些1 4 7 】【4 3 】。 当今，学者们对断屑槽技术研究和数学模型主要集中在切屑二维向上卷曲上， 对三维断屑槽的理论研究还非常少。 1 4 2 断屑槽设计的研究 最初，人们丌始使用的切削刀具是没有断屑槽的，受到“月牙洼的启发，开始 在刀片上磨制出简单类似“月牙洼”的断屑槽型，或在刀具前刀面上施加一个附加的 断屑装置。随着粉术冶金制造技术的发展，断屑槽型也有了很大的变化，除了发展到 了有直槽、斜槽、曲线刃和多级复合断屑槽外，又出现了各种形状的小凸起、凹坑和 曲面槽。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在刀具断屑槽型的设计方面，近2 0 年以来，刀片从无槽型发展到现在的三维复 杂断屑槽( 见图1 1 0 ) 。 ( a ) 平刀片 ( b ) 二维槽型刀片 ( c ) 三维槽型刀片 ( d ) 三维复杂断屑槽刀片 图卜10 断屑槽型的发展过程 国内外学者们通过试验或者建立模型来分析槽型参数对切削过程等方面的影响。 文献 4 9 j 臣过试验来分析切屑流出方式( c h i pf l o wp a t t e r n s ) 对断屑槽刀具损坏的影响。 认为断屑槽的几何参数或者切削参数选取不合适将导致切屑流出方式不合理，快速促 使刀具的磨损或失效。文献 5 0 n 使用刀片的几何参数建立了数学模型，并通过做试 验，找出对于切屑控制最为关键的几个参数。通过分析，论文提出：在精n - r 刀具槽 型设计中，增加切屑的侧卷会对断屑有显著的效果。文献1 5 1 分析了切屑厚度与刀 屑接触长度比之间的关系。采用试验的方法，论文提出刀屑接触长度是影响切屑卷 曲的重要因素，同时，由于它的作用，进给量成为影响切屑的最重要的一个切削参数。 文章对断屑槽的设计提供了一定的思路。 文献【5 2 】运用有限元的方法研究了直角切削中刀具断屑槽主要参数对切屑生成 过程的影响，采用修正过的j o h n s o n c o o k 模型，模拟切削加工时的状况。然后通过改 1 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 变槽型的参数，就可以获得到给定条件下切屑流入角和切屑的上卷半径，根据它们之 间的关系分析断屑槽的结构，加深对断屑槽结构作用的理解。文献【5 3 】也建立模型对 切屑的可折断性与槽型结构参数之间的关系进行了模拟，获得了断屑槽边缘切削力的 变化规律。 当今，国内外大多数著名刀具厂家都有自己三维复杂断屑槽型的可转位刀片，但 其槽型结构和切削性能差异很大，在槽型设计过程中，绝大部分是采用切削试验的方 法来确定某种断屑槽的断屑效果，但对于三维断屑槽的断屑机理、断屑槽各参数变化 对断屑作用的影响尚缺乏系统的认识。所以，槽型设计带有一定的盲目性。目前三维 复杂断屑槽刀片有以下特点：刀具前刀面设置凸起、采用窄的棱带、采用复杂曲线切 削刃、采用复杂曲面前刀面以及后壁升高等1 5 4 j 。各大刀具厂商也对切削状况也进行了 分类，归纳为三种：断续切削、一般切削与连续切削。瑞典s a n d v i k 公司在上世 纪9 0 年代初开发出了q 系列槽型，后来又把q 槽型系列划分成p 、m 、k 三大类， 使得每类工件材料都有最适应的槽型与之匹配，这已成为当今断屑槽发展的趋势。 1 5 主要工作和研究目标 1 5 1 正型刀片的研究思路 本文对s a n d v i k 、三菱公司的两种典型的加工不锈钢断屑槽刀片进行测绘、切 削对比试验，经过对试验数据以及槽型结构的深入细致的分析，找出对切削起关键作 用的几个槽型参数( 刃宽、前角、刃倾角) 的最佳取值范围。同时结合本公司现有的 开发和生产技术水平从而确定正型刀片研究思路( 如图1 11 ) ： 图卜1 1 正型刀片研究思路 1 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 2 技术路线 本文关于正型刀片槽型开发的技术路线如图1 1 2 所示。 1 5 3 主要工作和目标 图1 - 1 2 正型刀片技术路线 本文的主要工作和目标是： 1 ) 对国外典型加工m 类( 不锈钢) 的正型刀片进行分析和解剖，测绘其基本参 数，并进行切削试验，研究其切削性能和断屑特征。 2 ) 根据对国外正型刀片产品的研究成果，结合本公司的生产和技术特点，提出 正型刀片断屑槽的设计方案，研制开发c 型、d 型、s 型、t 型、v 型，共5 种新槽 型硬质合金可转位刀片产品，适应m 类( 不锈钢) 材料的精加工和半精加工。 3 ) 完成自主技术产品的开发，将所设计的正型刀片与国外同类型刀片进行切削 对比试验，根据实验结果修正、优化设计参数，完善模型，使设计制造的正型刀片的 切屑控制能力、表面表面粗糙度达到国外公司同类产品的先进水平。 1 4 中南大学硕上学位论文第一章绪论 1 6 本章小结 本章首先介绍了国内外不锈钢加工正型刀片槽型的基本现状；然后，系统地阐述 了切屑控制理论的研究成果和断屑槽技术的研究概况，其中包涵了国内外切屑流向、 卷曲和折断有关的理论以及与断屑槽设计有关的理论研究工作；最后，提出了正型刀 片的研究思路和技术路线，阐述了本文所作的主要工作和研究目标。 1 5 中南大学硕士学位论文 第二章用于不锈钢加工的正型刀片切削性能试验研究 第二章用于不锈钢加工的正型刀片切削性能试验研究 金属切削加工是一个十分复杂的物理过程，迄今为止，完全用数学、力学方法定 量描述还非常困难。对于简单的二维槽型，已经建了很多模型，但是在设计时有些参 数还是依靠试验的方法来确定。用理论方法来设计复杂的三维断屑槽，并使刀具前刀 面成为复杂的曲面，还是非常困难的。目前，我们对复杂三维断屑槽断屑机理的认识 基本上是建立在切削试验的基础上的，同时，评价一种断屑槽型的优劣，也是要通过 切削试验来反映其断屑性能和切削力大小。因此，对于复杂三维断屑槽进行切削试验 研究是一项必不可少的工作。纵观目前国内外先进刀具生产厂家的科研技术实力来 看，s a n d v i k 公司、三菱无疑是世界一流水平，他们厂家的用于精车、半精车不锈 钢正型刀片也占有很大的市场，所以分析和解剖他们的f ( 精加工) 、m ( 半精加工) 槽型硬质合金正型刀片，测绘其槽型基本参数，并进行切削试验，研究其切削性能和 断屑特征是十分有意义的。 2 1 不锈钢的切削加工特点 通常，人们把含铬量大于1 2 或含镍量大于8 的合金钢叫不锈钢【5 5 1 。表2 1 所示为常用不锈钢的牌号、成分、热处理、力学性能。不锈钢的切削加工性比中碳钢 差得多。把普通4 5 # 钢的切削加工性能作为l 的前提下，1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢的 切削加工性能为o 3 0 5 ；2 c r l 3 马氏体不锈钢为o 5 5 ；1 c r 2 8 铁素体不锈钢为0 4 8 。 不锈钢在切削加工过程中的难加工性主要表现在以下几个方面【5 6 】1 5 7 l ： ( 1 ) 加工硬化严重 该种现象以奥氏体不锈钢和奥氏体+ 铁素体不锈钢最为突出。随着硬化后强度 的提高，屈服极限1 7 。也升高。如1 c r l 8 n i 9 t i 硬化后的强度达1 4 7 0 - - 1 9 6 0 m p a ，而 且随着的提高，屈服极限盯。升高；退火状态的奥氏体不锈钢盯。不超过o r 。的 3 0 4 5 ，而加工硬化后达8 5 9 5 。加工硬化层的深度可达切削深度的l 3 或 更大：硬化层的硬度比原来的提高1 4 - 2 2 倍。因为不锈钢的塑性大，塑性变形时晶 格歪扭，强化系数很大；且奥氏体不够稳定，在切削应力的作用下，部分奥氏体会转 变为马氏体；再加上化合物杂质在切削热的作用下，易于分解呈弥散分布，使切削加 工时产生硬化层。前一次进给或前一道工序所产生的加工硬化现象严重影响后续工序 的顺利进行。 ( 2 ) 切削温度高 切削时塑性变形及与刀具问的摩擦都很大，产生的切削热多；大量切削热都集中 1 6 中南大学硕士学位论文第二章用于不锈钢加工的正型刀片切削性能试验研究 在切削区和刀屑接触的界面上，由于不锈钢的热传导率低，车削时热量难以扩散， 致使刀具易于发热( 甚至采用比加工一般钢材低得多的切削速度进行加工，仍会使刀 具产生大量的热) 。 表2 - 1 常用不锈钢的牌号、成分、热处理、力学性能 类 牌号 化学成分( )力学性能( 不小于) 型壁生茎丝! 蝗竺! 呈生塑竺璺垒堑堡堕! 坚呈墅 马 2 c r l 3o 1 6 - 0 2 41 2 1 4o 4 4o 6 42 01 9 2 氏 3 c r l 30 2 5 - 0 3 4 1 2 1 4 h r c 4 8 体 铁l c r 7 0 1 21