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(jī)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(zhǎng)期的生產(chǎn)應(yīng)用中趨于成熟，但面對(duì)日益復(fù)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(diǎn)與不足。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，各種高性能、高硬度、難加工材料不斷應(yīng)用于機(jī)械零件，對(duì)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(bǔ)充也得到了發(fā)展與應(yīng)用。

　　早在20世紀(jì)60年代初期，一些發(fā)達(dá)國(guó)家為解決高硬度材料的切削難題，就開(kāi)始試驗(yàn)及使用粘接式刀具。由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)發(fā)展水平的限制，用于粘接刀具的粘接劑種類(lèi)不全(當(dāng)時(shí)主要使用有機(jī)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(wèn)世，國(guó)內(nèi)曾采用磷酸一氧化銅進(jìn)行過(guò)陶瓷刀片粘接試驗(yàn)，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(zhǎng)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(jī)硅類(lèi)粘接劑的出現(xiàn)，粘接劑的耐熱溫度大大提高(可達(dá)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(chē)刀等刀具品種。

　　粘接刀具具有以下特點(diǎn)：①制造工藝簡(jiǎn)單，制造成本較低；②)粘接工藝固化溫度較低(<250℃)，不會(huì)降低刀具材料的原有機(jī)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(chē)刀的特性分析與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　車(chē)刀是切削刀具中較具代表性的品種，在機(jī)械加工中使用量大、通用性強(qiáng)。車(chē)刀的加工特點(diǎn)是切削速度高、切削受力大、切削溫度高。因此，對(duì)粘接車(chē)刀的研究與設(shè)計(jì)對(duì)于粘接刀具的開(kāi)發(fā)具有典型意義。下面對(duì)影響粘接車(chē)刀設(shè)計(jì)的主要因素及注意要點(diǎn)作一分析。

刀具受力分析

　　刀具的受力狀況是合理設(shè)計(jì)刀具的重要依據(jù)。在切削過(guò)程中，車(chē)刀所受切削力主要來(lái)源于被加工材料對(duì)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(chē)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(jìn)給抗力Fx、切深抗力Fy和主切削力Fz，即Fr=(Fx2+Fy2+Fz2)½。

　　對(duì)于切削力夾固式刀具，刀片夾固條件為a<Y<d，即當(dāng)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(shí)，可實(shí)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(dāng)?shù)毒邼M足夾固條件時(shí)，切削合力始終通過(guò)刀具材料的支撐面，使刀片在切削過(guò)程中始終受壓，從而實(shí)現(xiàn)刀片壓緊。此外，在初始切削時(shí)，工件與刀具相互接觸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的進(jìn)給抗力會(huì)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(dāng)Y<a時(shí)，如粘接刀具的主切削力大于粘接力，刀片將會(huì)翻轉(zhuǎn)；當(dāng)Y<d時(shí)，如粘接刀具的主切削力大于粘接力，刀片將會(huì)抬起。發(fā)生這兩種情況都會(huì)使刀片失去平衡而無(wú)法切削。通過(guò)合理選擇刀片安放角，有效利用無(wú)機(jī)類(lèi)粘接劑抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，粘接車(chē)刀也可實(shí)現(xiàn)在大切削力條件下的加工。

刀具切削運(yùn)動(dòng)分析

　　刀具的切削運(yùn)動(dòng)對(duì)粘接刀片能否保持正確加工位置影響很大，因此是設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)和粘接工藝的重要因素。通常刀具的切削運(yùn)動(dòng)由刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和刀具與切屑的相對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。為防止初始切削時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)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(dòng)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(dòng)、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(qiáng)度遠(yuǎn)小于焊接刀具的焊接強(qiáng)度，因此必須通過(guò)結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)彌補(bǔ)其不足。

切削溫度分析

　　根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，切削過(guò)程中消耗的能量?jī)H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(chǔ)起來(lái)，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(jì)粘接刀具時(shí)，應(yīng)在滿足切削性能的前提下，盡可能通過(guò)合理調(diào)整刀具角度來(lái)降低切削溫度，以避免因切削溫度過(guò)高而使粘接劑熔化或老化。

刀具角度的合理選擇

　　在切削過(guò)程中，刀具前角g對(duì)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(dāng)前角g從10°增大到20°時(shí)，主切削力Pz減小約10%，進(jìn)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(dǎo)致刀具強(qiáng)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(jì)粘接刀具時(shí)，應(yīng)綜合考慮和兼顧刀具的銳利性和堅(jiān)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(shí)刀片可能產(chǎn)生抬起、翻轉(zhuǎn)、移位三種運(yùn)動(dòng)方式，影響切削的正常進(jìn)行。雖然這三種運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度、抗沖擊疲勞強(qiáng)度等都遠(yuǎn)低于焊接刀具的結(jié)合力，因此設(shè)計(jì)粘接車(chē)刀時(shí)，應(yīng)根據(jù)粘接工藝的特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，采用封閉的U字形結(jié)構(gòu)實(shí)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(jī)粘接劑和無(wú)機(jī)粘接劑兩大類(lèi)。有機(jī)粘接劑具有良好的粘接強(qiáng)度和抗沖擊韌性，但耐熱性較差，易老化，當(dāng)工作溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)會(huì)出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，一般可用于冷卻條件較好的加工場(chǎng)合。無(wú)機(jī)粘接劑的粘接強(qiáng)度低于有機(jī)粘接劑，但抗沖擊韌性和耐熱性較好。選用刀具粘接劑時(shí)，應(yīng)綜合考慮以下因素：①較高的抗壓強(qiáng)度；②較好的抗沖擊韌性；③較高的耐熱溫度；④對(duì)刀片和刀體具有較好親合力；⑤較低的成本。

　　為驗(yàn)證不同種類(lèi)粘接劑的工作性能，選用改性丙烯酸酯(有機(jī)粘接劑，商標(biāo)名“哥倆好”)和WJ101(無(wú)機(jī)粘接劑)分別對(duì)加長(zhǎng)銑刀和車(chē)刀進(jìn)行了粘接試驗(yàn)。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(biāo)見(jiàn)右表�！　�

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表  粘接刀具性能

3 結(jié)語(yǔ)

　　粘接刀具應(yīng)用的可行性及經(jīng)濟(jì)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(diǎn)作具體分析。對(duì)于批量生產(chǎn)的常用刀具，采用市場(chǎng)采購(gòu)方式成本較低，因此一般較少使用粘接刀具。但對(duì)于一些非標(biāo)準(zhǔn)或有特殊要求的刀具及刀片(尤其是車(chē)刀、專用銑刀、加長(zhǎng)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。