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刀具斷屑的原因及解決之法

刀具斷屑可靠與否,對正常生產與操作者安全都有著重大影響。在切削加工中,崩碎切屑會飛濺傷人,并易研損機床;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。
 
對于數控機床(加工中心)等自動化加工機床,由于其刀具數量較多,刀架與刀具聯系密切,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。而對于數控機床(加工中心)等,并應滿足下列要求:
 
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,切屑不可劃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,不能過早磨損并竭力防止其破損;
切屑流出時,不妨礙切削液的噴注;
切屑不會劃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。要避免過于細碎的切屑,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。
 
 
對于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。
1
 
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,如不采取斷屑措施,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,易劃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,如采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,甚至會飛崩傷人。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,并靠其自重墜落。
 
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。若采用卷屑措施,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,但不論什么形狀的切屑,都要斷屑可靠。
2
 
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系,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,由于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。經過冷作硬化以后,切屑變得硬而脆,當它受到交變的彎曲或沖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,便于達到斷屑的目的。
 
 
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,比較接近于基本變形的數值。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,越有利于斷屑。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卷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卷曲變形。切屑經受附加的再卷曲變形以后,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。
 
 
3
 
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,來實現控制切屑的卷曲與折斷。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。
 
 
1、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。
 
 
 斷屑槽的形狀
 
 
(1)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的大小對切屑的卷曲和變形有一定的影響。Rn小,則切屑卷曲半徑小,而切屑變形大;Rn大,則切屑卷曲半徑大,而切屑變形小。在中等切深下(切深ap=2~6mm ) ,一般可選Rn=( 0.4~0.7 ) B ,B 為斷屑槽的寬度。
 
 
(2)直線型斷屑槽由兩段直線相交而成,其槽底角為180°-σ(σ稱為斷屑臺楔角),槽底角(180°-σ)代替了圓弧Rn 的作用。槽底角小,則切屑的卷曲半徑小,切屑變形大;槽底角大,則切屑的卷曲半徑大,切屑變形小。在中等切深下,斷屑臺楔角一般選用60°~70°。
 
 
上述兩種形狀斷屑槽適用于加工碳素鋼與合金結構鋼,一般前角在γ。在5~15°范圍內。
 
(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。之間的關系為:
 
 
 
 
注:見圖5C 
 
 
 
 
當切削紫銅、不銹鋼等高塑性材料時,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,便于流屑,故比較實用。
 
 
2、斷屑槽的寬度
斷屑槽寬度B與進給量f 、切削深度ap有關,當進給量f增大時,切削厚度增大,斷屑槽的寬度應相應加寬;切削深度大,槽也應適當加寬。
 
 
 
 
 
固定不變,斷屑槽寬度B的變化對切屑卷曲和變形的影響。圖9a是槽寬與進給量基本適應,切屑經卷曲變形后碰撞折斷成C形;圖9b是槽不夠寬,切屑卷曲半徑小,變形大,碰撞后折斷成短C形或形成崩碎小片;圖9c則是槽太窄了,切屑擠成小卷堵塞在槽中很難流出來,造成憋屑甚至會打壞切削刃;圖9d、e則是槽太寬了,切屑卷曲半徑太大,變形不夠,不易折斷,有時甚至不流經槽底而自由形成帶狀屑。
 
 
如果用進給量初選斷屑槽的寬度,粗略地說,對于切削中碳鋼,寬度B與進給量f 的關系約為B=10f ;而切削合金鋼時,為增大切屑變形,可取B=7f 。
 
 
斷屑槽的寬度B也應與切削深度ap相適應。一般也可以粗略地依據ap來選擇槽寬B,當ap大時,B也應當大些;而ap小,則B應適當減小。因為當切深大而槽太窄時,切屑寬,不易在槽中卷曲,這樣,切屑往往不流入槽底而自行形成帶狀屑;當切深小而槽太寬時,切屑窄,流動比較自由,變形不夠充分,也不易折斷。
 
 
3、斷屑槽與主切削刃的傾斜角
斷屑槽與主切削刃的傾斜方式常用的有外斜式、平行式、和內斜式三種。
 
 
 
(1)外斜式
外斜式的斷屑槽,前寬后窄,前深后淺。
 
 
外斜式斷屑槽的切屑卷曲變形大,如圖11所示,在靠近工件外圓表面A處的切削速度最高而槽窄,切屑最先受阻而卷曲,且卷曲半徑小,變形大;而在刀尖B處,切削速度低而槽寬,切屑最后以較大卷曲半徑卷曲,這就會產生一個力,使切屑翻轉到后刀面或待加工表面上,經碰撞后折斷而形成C 形屑。
 
 
這種形式的斷屑槽。在中等切深時斷屑范圍較寬,斷屑效果穩定可靠,生產中應用較為廣泛。傾斜角τ的數值主要按工件材料確定,一般切削中碳鋼時,取τ=8°~10°切削合金鋼時,為增大切屑變形,取τ=10°~15°。
 
 
但在大切深時,由于靠近工件外圓表面A 處(見圖11)斷屑槽寬度太小,切屑容易阻塞,甚至切屑打壞切削刃,所以一般多改用平行式。
 
 
(2)平行式
平行式斷屑槽的切屑變形不如外斜式大,切屑大多是碰在工件加工表面上折斷。
 
切屑中碳鋼時,平行式斷屑槽的斷屑效果與外斜式基本相仿,但進給量應略加大一些,以增大切屑的附加卷曲變形。
 
 
(3)內斜式
內斜式斷屑槽(見圖12 )在工件外圓表面A處最寬,而在刀尖B處最窄。所以切屑常常是在B處先卷曲成小卷,而在A處則卷成大卷。當主切削刃的刃傾角取成3°~5°時,切屑容易形成連續的長緊卷屑。內斜式斷屑槽與主切削刃的傾斜角一般取τ=8°~10°,內斜式斷屑槽形成長緊卷屑的切削用量范圍相當窄,所以它在生產中應用不如外斜式和平行式普遍,主要是應用于精車或半精車。
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幾種常用的斷屑方法
1、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卷曲與折斷。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采用。
 
 
 
 
 
為了適用不同的切削用量范圍。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,便于選用,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。
 
 
2、利用斷屑器
斷屑器有固定式和可調節式兩種。圖13 為車刀上的可調節式斷屑器。
 
 
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。松開螺釘3 , 在彈簧4 的作用下,可使擋屑板1和壓板2一起抬起,便于擋屑板調整和刀片的快速轉位與更換。這種斷屑器常用于大、中型機床的刀具上。
 
 
3、利用斷屑裝置
斷屑裝置類型很多,一般可分為機械式,液壓式和電氣式等,斷屑裝置成本高,但斷屑是穩定可靠的,一般只用于自動線上。圖14為用于車刀上的帶有切斷器的斷屑裝置示意圖。車削時,切屑通過導屑通道2流出,被不斷旋轉的盤形切斷器3強行割斷,被割斷后的切屑則從排屑道6排出。切斷器是由傳動軸4帶動的。圖中1 為車刀。
 
 
4、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,其深度略小于切削深度,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。采用這種方法能顯出其獨特的優點。
 
5、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,采取這些方法斷屑,常會帶來一些不良后果,如生產率下降,工件表面質量惡化、切削力增大等,這種方法,在自動線上很少采用,有時只作為斷屑的輔助手段。
 
 
此外,采用切削液可以降低切屑的塑性和韌性,也有利于斷屑。提高切削液壓力更能促使切屑折斷,孔加工中,有時就采用這種方法。
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