粘接式刀具的發(fā)展與應(yīng)用

1 粘接刀具的發(fā)展概況

　　刀具的結(jié)構(gòu)型式是影響刀具切削性能與加工質(zhì)量的重要因素之一。目前常用的刀具結(jié)構(gòu)型式主要有整體式、焊接式、機械夾固式、切削力夾固式等。雖然這些刀具結(jié)構(gòu)型式已在長期的生產(chǎn)應(yīng)用中趨于成熟，但面對日益復雜的加工要求，每種結(jié)構(gòu)型式仍不同程度地存在各自的缺點與不足。隨著材料科學的發(fā)展，各種高性能、高硬度、難加工材料不斷應(yīng)用于機械零件，對加工這些零件的刀片材料及刀具結(jié)構(gòu)也提出了新的要求。粘接式刀具作為傳統(tǒng)刀具結(jié)構(gòu)型式的一種重要補充也得到了發(fā)展與應(yīng)用。

　　早在20世紀60年代初期，一些發(fā)達國家為解決高硬度材料的切削難題，就開始試驗及使用粘接式刀具。由于受到當時技術(shù)發(fā)展水平的限制，用于粘接刀具的粘接劑種類不全(當時主要使用有機粘接劑)，局限性較大，因此粘接式結(jié)構(gòu)只能應(yīng)用于發(fā)熱少、冷卻條件好的刀具(如拉刀、鉸刀、鉆頭、插齒刀等)。60年代初期，隨著陶瓷刀片的問世，國內(nèi)曾采用磷酸一氧化銅進行過陶瓷刀片粘接試驗，但因粘接劑膠質(zhì)較脆、線膨脹系數(shù)小、結(jié)構(gòu)型式不合理而未取得滿意效果。但在切削速度與切削溫度較低的套式結(jié)構(gòu)鉆頭、銑刀的粘接接長以及粘接滾刀的應(yīng)用等方面取得了較好效果。隨著聚氨脂和有機硅類粘接劑的出現(xiàn)，粘接劑的耐熱溫度大大提高(可達500～600℃)，從而使粘接刀具技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，目前已可適用于切削速度高、發(fā)熱量大的車刀等刀具品種。

　　粘接刀具具有以下特點：①制造工藝簡單，制造成本較低；②)粘接工藝固化溫度較低(<250℃)，不會降低刀具材料的原有機械性能；③刀具工作壽命可提高1.5～3倍；④可應(yīng)用于一些焊接性能差的工具材料(如立方氮化硼、金剛石、陶瓷等)；⑤粘接劑的品種和粘接工藝方法直接影響粘接刀具的工作性能。

2 粘接車刀的特性分析與設(shè)計要點

　　車刀是切削刀具中較具代表性的品種，在機械加工中使用量大、通用性強。車刀的加工特點是切削速度高、切削受力大、切削溫度高。因此，對粘接車刀的研究與設(shè)計對于粘接刀具的開發(fā)具有典型意義。下面對影響粘接車刀設(shè)計的主要因素及注意要點作一分析。

刀具受力分析

　　刀具的受力狀況是合理設(shè)計刀具的重要依據(jù)。在切削過程中，車刀所受切削力主要來源于被加工材料對彈性變形和塑性變形的抗力、切屑與刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面與加工表面的摩擦力，各力的總和即為車刀所受切削合力Fr。為便于分析，F(xiàn)r可分解為相互垂直的進給抗力Fx、切深抗力Fy和主切削力Fz，即Fr=(Fx2+Fy2+Fz2)½。

　　對于切削力夾固式刀具，刀片夾固條件為a<Y<d，即當切削合力的作用角Y大于刀具主后角a、小于刀片安放角d時，可實現(xiàn)利用切削力夾緊刀片。據(jù)有關(guān)資料介紹，通常切削合力作用角Y的變化范圍為19°≤Y≤70°。當?shù)毒邼M足夾固條件時，切削合力始終通過刀具材料的支撐面，使刀片在切削過程中始終受壓，從而實現(xiàn)刀片壓緊。此外，在初始切削時，工件與刀具相互接觸運動產(chǎn)生的進給抗力會使刀片產(chǎn)生移位趨向。

　　切削力夾固原理也可作為粘接刀具的理論分析依據(jù)。當Y<a時，如粘接刀具的主切削力大于粘接力，刀片將會翻轉(zhuǎn)；當Y<d時，如粘接刀具的主切削力大于粘接力，刀片將會抬起。發(fā)生這兩種情況都會使刀片失去平衡而無法切削。通過合理選擇刀片安放角，有效利用無機類粘接劑抗壓強度高的優(yōu)勢，粘接車刀也可實現(xiàn)在大切削力條件下的加工。

刀具切削運動分析

　　刀具的切削運動對粘接刀片能否保持正確加工位置影響很大，因此是設(shè)計刀具結(jié)構(gòu)和粘接工藝的重要因素。通常刀具的切削運動由刀具與工件的相對運動和刀具與切屑的相對運動構(gòu)成。為防止初始切削時由刀具與工件的接觸載荷引起刀片移位，粘接劑與刀具之間必須具有足夠的結(jié)合力，使刀片與刀體牢固連接為一體。隨著刀具的切入，刀具與切屑之間發(fā)生相對運動，此時使刀片產(chǎn)生移位趨向的主要切削力為切深抗力。切深抗力也是使工件發(fā)生切削振動和使切屑產(chǎn)生變形的力，其大小取決于工件材料及切削深度，它直接影響切削溫度、切削振動、刀具磨損以及切削力作用角Y的變化。由于粘接刀具的粘接強度遠小于焊接刀具的焊接強度，因此必須通過結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計彌補其不足。

切削溫度分析

　　根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，切削過程中消耗的能量僅有1%～2%用于形成新的加工表面以及以晶格扭曲等形式存儲起來，其余98%～99%的能量全部被轉(zhuǎn)換為熱量。刀具角度是影響切削溫度的重要因素，即切削溫度隨刀具前角的增大而降低，隨刀具主偏角的增大而升高。因此，在設(shè)計粘接刀具時，應(yīng)在滿足切削性能的前提下，盡可能通過合理調(diào)整刀具角度來降低切削溫度，以避免因切削溫度過高而使粘接劑熔化或老化。

刀具角度的合理選擇

　　在切削過程中，刀具前角g對切屑變形影響較大(切屑變形隨刀具前角的增大而減小)，而切屑變形程度直接影響切削力、切削溫度、刀具磨損、加工表面粗糙度等。有研究表明，當前角g從10°增大到20°時，主切削力Pz減小約10%，進給抗力Px和切深抗力Py減小約30%。但隨著g的增大，刀具楔角減小，其受載面積隨之減小，導致刀具強度降低，刀片磨損加劇，甚至可能出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。因此，在設(shè)計粘接刀具時，應(yīng)綜合考慮和兼顧刀具的銳利性和堅韌性，根據(jù)刀具的使用性能要求合理選擇刀具角度。

刀片與刀體粘接結(jié)構(gòu)的合理選擇

　　如前所述，隨著切削合力作用角Y的變化，初始切削時刀片可能產(chǎn)生抬起、翻轉(zhuǎn)、移位三種運動方式，影響切削的正常進行。雖然這三種運動的方向不同，但都是切削合力作用的結(jié)果。由于粘接刀具的粘接力、抗剝離強度、抗沖擊疲勞強度等都遠低于焊接刀具的結(jié)合力，因此設(shè)計粘接車刀時，應(yīng)根據(jù)粘接工藝的特點，揚長避短，采用封閉的U字形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)刀片與刀體的粘接，使粘接力與切削力保持平衡。

粘接劑的合理選用

　　粘接劑可分為有機粘接劑和無機粘接劑兩大類。有機粘接劑具有良好的粘接強度和抗沖擊韌性，但耐熱性較差，易老化，當工作溫度超過臨界溫度時會出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，一般可用于冷卻條件較好的加工場合。無機粘接劑的粘接強度低于有機粘接劑，但抗沖擊韌性和耐熱性較好。選用刀具粘接劑時，應(yīng)綜合考慮以下因素：①較高的抗壓強度；②較好的抗沖擊韌性；③較高的耐熱溫度；④對刀片和刀體具有較好親合力；⑤較低的成本。

　　為驗證不同種類粘接劑的工作性能，選用改性丙烯酸酯(有機粘接劑，商標名“哥倆好”)和WJ101(無機粘接劑)分別對加長銑刀和車刀進行了粘接試驗。使用結(jié)果表明，這兩種粘接刀具的使用效果均比較理想，其性能指標見右表�！　�

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表  粘接刀具性能

3 結(jié)語

　　粘接刀具應(yīng)用的可行性及經(jīng)濟適用性應(yīng)根據(jù)加工條件和加工要求并結(jié)合其性能特點作具體分析。對于批量生產(chǎn)的常用刀具，采用市場采購方式成本較低，因此一般較少使用粘接刀具。但對于一些非標準或有特殊要求的刀具及刀片(尤其是車刀、專用銑刀、加長刀具等)，采用粘接刀具既可縮短加工周期，又可降低生產(chǎn)成本，不失為一種較好的選擇方式。