刀具斷屑不可靠的原因分析及解決方法

    刀具斷屑可靠與否，對正常生產(chǎn)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(jī)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(fā)刀具破損，甚至影響工人安全。對于數(shù)控機(jī)床(加工中心)等自動化加工機(jī)床，由于其刀具數(shù)量較多，刀架與刀具聯(lián)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(jī)床的自動循環(huán)，甚至破壞整條自動線正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以在設(shè)計(jì)、選用或刃磨刀具時(shí)，必須考慮刀具斷屑的可靠性。而對于數(shù)控機(jī)床(加工中心)等，并應(yīng)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(shí)，切屑不可劃傷工件的已加工表面，影響已加工表面的質(zhì)量；
    保證刀具預(yù)定的耐用度，不能過早磨損并竭力防止其破損；
    切屑流出時(shí)，不妨礙切削液的噴注；
    切屑不會劃傷機(jī)床導(dǎo)軌或其他部件等。
    在滿足上述要求的基礎(chǔ)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(yīng)稍長。要避免過于細(xì)碎的切屑，因?yàn)樗�容易嵌入機(jī)床導(dǎo)軌和刀具裝置的一些重要部位（如基準(zhǔn)面），這樣不僅需要附加防護(hù)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(shù)控機(jī)床（加工中心）等自動化機(jī)床上，應(yīng)保證其穩(wěn)定的卷屑。
    一、切屑形狀的分類
    根據(jù)工件材料、刀具幾何參數(shù)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(fā)條狀卷屑、長緊螺卷屑、螺卷屑等（見圖1）。

   ( l )帶狀屑（見圖1a）：高速切削塑性金屬材料時(shí)，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(yīng)盡量避免形成帶狀屑。
    但有時(shí)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(shí)。
    （2）C 形屑（見圖1 b）：車削一般的碳鋼、合金鋼材料時(shí)，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(diǎn)。但C 形屑多數(shù)是碰撞在車刀后刀面或工件表面而折斷的（見圖2）。切屑高頻率的碰斷和折斷會影響切削過程的平穩(wěn)性，從而影響已加工表面的粗糙度。所以，精加工時(shí)一般不希望得到C形屑．而多希望得到長螺卷屑（見圖3) ，使切削過程比較平穩(wěn)。

    （ 3 ）發(fā)條狀卷屑（見圖1f） ：在重型車床上用大切深、大進(jìn)給量車削鋼件進(jìn)，切屑又寬又厚，若形成C 形屑則容易損傷切削刃，基至?xí)�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(fā)條狀（見圖4 ）在加工表面上碰撞折斷，并靠其自重墜落。          
    ( 4 ）長緊卷屑（見圖1e）：長緊卷屑形成過程比較平穩(wěn)，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〔 見圖1d ) ：數(shù)控加工、機(jī)床或自動線加工時(shí)，希望得到此形屑，因?yàn)檫@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（見圖1c ) ：在車削鑄鐵、脆黃銅、鑄青銅等脆性材料時(shí)，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(jī)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。
    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(lián)系，所以研究切屑折斷原理必須從研究切屑變形的規(guī)律入手。
    切削過程中所形成的切屑，由于經(jīng)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(xiàn)象叫冷作硬化。經(jīng)過冷作硬化以后，切屑變得硬而脆，當(dāng)它受到交變的彎曲或沖擊載荷時(shí)就容易折斷。切屑所經(jīng)受的塑性變形越大，硬脆現(xiàn)象越顯著，折斷也就越容易。在切削難斷屑的高強(qiáng)度、高塑性、高韌性的材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)法增大切屑的變形，以降低它的塑性和韌性，便于達(dá)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(shí)所測得的切屑變形，比較接近于基本變形的數(shù)值。影響基本變形的主要因素有刀具前角、負(fù)倒棱、切削速度三項(xiàng)。前角越小，負(fù)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(fù)倒棱，降低切削速度可作為促進(jìn)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?yàn)樵诖蠖鄶?shù)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(dá)到硬化和折斷的目的。迫使切屑經(jīng)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(shí)再卷曲變形。切屑經(jīng)受附加的再卷曲變形以后，進(jìn)一步硬化和脆化，當(dāng)它碰撞到工件或后刀面上時(shí)，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(shí)現(xiàn)控制切屑的卷曲與折斷。為了更好地認(rèn)識和掌握這些規(guī)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（見圖5 )

圖5 斷屑槽的形狀

   l、直線圓弧型斷屑槽（見圖5a ）由一段直線和一段圓弧連接而成。直線部分構(gòu)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�。�（見圖6 ）。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（見圖5b）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（見圖7） 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(jié)構(gòu)鋼，一般前角在γ。在5-15°范圍內(nèi)。
    3 、全圓弧型斷屑槽（見圖5c）的主要參數(shù)槽寬B 、槽底圓弧半徑Rn和前角γ。之間的關(guān)系為：

（見圖5C )

  當(dāng)切削紫銅、不銹鋼等高塑性材料時(shí)，常選用全圓弧型斷屑槽。因?yàn)榧庸じ咚苄圆牧蠒r(shí)，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(jiān)固，另外槽也較淺，便于流屑，故比較實(shí)用（見圖8 )
    （二）斷屑槽的寬度
    斷屑槽寬度B 與進(jìn)給量f 、切削深度ap有關(guān)，當(dāng)進(jìn)給量f增大時(shí)，切削厚度增大，斷屑槽的寬度應(yīng)相應(yīng)加寬；切削深度大,槽也應(yīng)適當(dāng)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(jìn)給量基本適應(yīng)，切屑經(jīng)卷曲變形后碰撞折斷成C形；圖9b是槽不夠?qū)�，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?xí)�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(shí)甚至不流經(jīng)槽底而自由形成帶狀屑。
    如果用進(jìn)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(jìn)給量f 的關(guān)系約為B=10f ；而切削合金鋼時(shí)，為增大切屑變形，可取B＝7f 。
    斷屑槽的寬度B也應(yīng)與切削深度ap 相適應(yīng)。一般也可以粗略地依據(jù)ap 來選擇槽寬B ，當(dāng)ap 大時(shí)，B 也應(yīng)當(dāng)大些；而ap小，則B應(yīng)適當(dāng)減小。因?yàn)楫?dāng)切深大而槽太窄時(shí)，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(dāng)切深小而槽太寬時(shí)，切屑窄，流動比較自由，變形不夠充分，也不易折斷。
    （三）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(nèi)斜式三種（見圖10 )

   1 外斜式  見圖（10a ) ,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(chǎn)生一個(gè)力，使切屑翻轉(zhuǎn)到后刀面或待加工表面上，經(jīng)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(shí)斷屑范圍較寬，斷屑效果穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。傾斜角τ的數(shù)值主要按工件材料確定，一般切削中碳鋼時(shí)，取τ=8°-10°切削合金鋼時(shí)，為增大切屑變形，取τ=10°-15° 。
    但在大切深時(shí)，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（見圖l0b ) ：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(shí)，平行式斷屑槽的斷屑效果與外斜式基本相仿，但進(jìn)給量應(yīng)略加大一些，以增大切屑的附加卷曲變形。

  3、內(nèi)斜式（見圖10c）：內(nèi)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(dāng)主切削刃的刃傾角取成3°-5°時(shí)，切屑容易形成連續(xù)的長緊卷屑。內(nèi)斜式斷屑槽與主切削刃的傾斜角一般取τ=8°-10°，內(nèi)斜式斷屑槽形成長緊卷屑的切削用量范圍相當(dāng)窄，所以它在生產(chǎn)中應(yīng)用不如外斜式和平行式普遍，主要是應(yīng)用于精車或半精車。
    四、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(shí)現(xiàn)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(jī)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(zhì)合金可轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)又簡便。這種方法是切削加工中應(yīng)首選的方法，也是應(yīng)用最廣泛的方法。
    不足之處是刀具合理幾何參數(shù)的確定，受到斷屑要求的牽制

   （二）利用斷屑器
    斷屑器有固定式和可調(diào)節(jié)式兩種。圖13 為車刀上的可調(diào)節(jié)式斷屑器。
    在車刀前刀面上裝一個(gè)擋屑板1，切屑沿刀具的前面流出時(shí)，因受擋屑板1 所阻而彎曲折斷。斷屑器的參數(shù)Ln和α可按需要設(shè)計(jì)和調(diào)整，以保證在給定的切削條件下，斷屑穩(wěn)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(diào)整和刀片的快速轉(zhuǎn)位與更換。這種斷屑器常用于大、中型機(jī)床的刀具上。
    （三）、利用斷屑裝置
    斷屑裝置類型很多，一般可分為機(jī)械式，液壓式和電氣式等，斷屑裝置成本高，但斷屑是穩(wěn)  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(shí)，切屑通過導(dǎo)屑通道2 流出，被不斷旋轉(zhuǎn)的盤形切斷器3 強(qiáng)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。
    （四）利用在工件表面上的預(yù)先開槽的方法：
    按工件直徑大小不同，預(yù)先在被加工表面上沿工件軸向開出一條或數(shù)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(shí)，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(shí)，在用其他方法很難斷屑時(shí)，則可在被加工表面上拉削出縱向溝槽，再進(jìn)行鏜削。采用這種方法能顯出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
     (五)改變刀具幾何參數(shù)和調(diào)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(fù)倒棱；降低切削速度；加大進(jìn)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(chǎn)率下降，工件表面質(zhì)量惡化、切削力增大等，這種方法，在自動線上很少采用，有時(shí)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(shí)就采用這種方法。