CN101323027B - 刀具断屑槽 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刀具断屑槽，针对解决自动化加工薄切削过程中的材料塑性、弹性较大难以断屑的技术问题。本发明的关键是在直线圆弧型断屑槽刀刃处增加一段第一前刀面和第一前角，第一前刀面后即为第二前刀面；根据切削厚度、第一前刀面和第二前刀面的参数，设计算圆弧卷屑槽相应的曲率半径。本发明有益之处在于：由于在刀刃处增加了一段直线第一前刀面，设计合理的弧卷屑槽曲率半径，增大了切屑变形量，提高卷屑和断屑效果；增大刀刃角度，刀刃强度增强，可以提高切削深度；新结构使切屑进入卷屑槽更流畅。

Description

刀具断屑槽

技术领域

本实用新型涉及机械加工用刀具结构，具体涉及刀具断屑槽。

背景技术

金属切削中，发展的趋势是在高度自动化和无人参与的情况下，向着提高金属切除率方向发展，这需要非常可靠的切削加工过程，但如果切屑控制问题解决不好，将极大影响先进设备效能的发挥。在切削加工中，崩碎切屑会飞溅伤人，并易研损机床；而长条带状切屑会缠绕在工件或刀具上，易刮伤工件，引发刀具破损，甚至影响工人安全。对于数控机床(加工中心)等自动化加工机床，由于其刀具数量较多，刀架与刀具联系密切，断屑问题就显得更为重要，只要其中—把刀断屑不可靠，就可能破坏机床的自动循环，甚至破坏整条自动线正常运转，因此在设计、选用或刃磨刀具时，必须考虑刀具断屑的可靠性。由切屑破断准则可知影响切屑折断的因素为：切屑厚度、切屑的曲率半径及被切削材料的力学性能。切屑是否容易折断，与切屑的曲率半径即变形有直接联系，切削过程中所产生的切屑，由于塑性变形加工硬化，切屑硬而脆，而塑、韧性显著降低，当它受到交变的弯曲或冲击载荷时就容易折断；切屑所经受的塑性变形越大，硬脆现象越显著，折断也就越容易。在切削难断屑的高强度、高塑性、高韧性的材料时，应当设法增大切屑的变形，以降低它的塑、韧性，以便达到断屑的目的。切屑的变形包括切削过程中所形成的基本变形，切屑在流动和卷曲过程中所受的附加变形；在大多数情况下，仅有基本变形还不能使切屑折断，必须再增加一次附加变形，才能达到硬化和折断的目的。迫使切屑经受附加变形的最简便的方法，就是在前刀面上磨出(或压制出)一定形状的槽形结构即断屑槽，迫使切屑流入断屑槽时再卷曲变形。切屑经受附加的再卷曲变形以后，进一步硬化和脆化，当它碰撞到工件或后刀面上时，就很容易被折断了。目前经常使用的断屑槽的形状有直线型、直线圆弧型和全圆弧型三种(如图1所示)，直线型断屑槽(见图1a)由两段直线相交而成，相交处出现奇点，使切屑对第二段直线即排屑面产生大的冲击，造成损坏，卷屑效果稍差。直线圆弧型断屑槽(见图1b)由一段直线L和一段圆弧B⌒C连接而成。直线L部分构成刀具的前刀面，圆弧卷屑槽半径Rn的大小对切屑的卷曲和变形有一定的影响，Rn小，则切屑卷曲半径小，而切屑变形大；Rn大，则切屑卷曲半径大，而切屑变形小。全圆弧型断屑槽(见图1c)的主要参数槽宽B、圆弧卷屑槽半径Rn和前角γ。根据实验就卷曲效果而言直线型较差，后两类型断屑槽卷屑效果较好。

其中直线圆弧型断屑槽，如果直线前刀面长度远远大于切屑在前刀面上的接触长度lf，切屑将离开后段圆弧，后段圆弧会失去卷屑、断屑作用。并且直线圆弧型断屑槽刀具主要是针对薄切削使用，所谓薄切削是指切削厚都度一般在2mm以下，在这种情况下，直线圆弧型断屑槽没有对切屑起加工硬化作用，切屑塑性、弹性太好最不容易断；如果将直线前刀面也改为圆弧如同全圆弧型，可以改善卷屑效果，然而降低了刀具强度、减小了前角，更加影响切屑硬化程度，所以对薄切削不实用。目前切削界最棘手的问题就是“薄切削”。

发明内容

本实用新型提供了一种刀具断屑槽，解决自动化加工薄切削过程中的材料塑性、弹性较大难以断屑的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型在直线圆弧型断屑槽刀刃处增加一段第一前刀面1和第一前角γ₁，第一前刀面1后为第二前刀面2；根据切削厚度ac、第一前刀面1和第二前刀面2的参数，设计算圆弧卷屑槽3的曲率半径。

当切削厚度ac小于等于0.15mm时，第一前刀面1长度取0.1mm～0.15mm，第一前刀面1的前角γ₁取负5度～0度；第二前刀面2长度不大于切削厚度的一倍；圆弧卷屑槽3的曲率半径通过公式计算出1.8mm～2.3mm。

当切削厚度ac大于等于0.15mm而小于0.25mm时，第一前刀面1长度取0.15mm，第一前刀面1的前角γ₁取0度～5度；第二前刀面2长度不大于切削厚度的两倍；圆弧卷屑槽3的曲率半径通过公式计算出2.0mm～3.0mm。

当切削厚度ac大于等于0.25mm时，第一前刀面1长度取0.2mm，第一前刀面1的前角γ₁取0度～5度；第二前刀面2长度不大于切削厚度的三倍；圆弧卷屑槽3的曲率半径通过公式计算出2.8mm～4.1mm。

理论实验研究，对直线圆弧型断屑槽3在确定切削厚度αc条件下，对不同的进給量f下测量切屑在前刀面上的接触长度，得到如图2所示曲线。当αc分别取1mm、2mm、3mm时，测定切屑在前刀面上的接触长度lf与进給量f的关系曲线，由曲线可见对不同确定的切削厚度αc，切屑在前刀面上的接触长度lf随进給量f的增大而增长。结论是对不同的切削厚度ac，接触长度lf随进給量f的加大而增大，接触长度lf在0.2mm～1.9mm。但是如果直线前刀面长度远远大于接触长度lf、大于切削厚度ac的三倍以上时，切屑将离开圆弧，圆弧会失去卷屑、断屑作用。

本实用新型的设计思想是不仅只应增加一个第一前刀面1长度及前角γ₁，还应提出圆弧卷屑槽3的曲率半径计算公式，从而根据不同的切削厚度ac合理设计第二前刀面2长度及前角γ_O和圆弧卷屑槽3的半径ρ_H。圆弧卷屑槽3的曲率半径计算公式的理论研究，就是考虑到圆弧卷屑槽3的曲率半径ρ_H的选取不应仅仅根据能否断屑这单一因素，还应考虑是否过渡断屑，即产生切屑过短这一因素，否则虽然断屑了，但会影响到车削表面质量。

本实用新型设计的断屑槽(见图3)的圆弧卷屑槽3圆弧曲率半径ρ_H及断屑槽宽Bη有如下几何关系式：

${\mathrm{\ρ}}_H=\frac{{[B\text{'}-(\mathrm{lf}-L)]}^2+h^2}{2h}-\frac{\mathrm{\αch}}{2}$

B’＝(Bη-b)cosγ_O

h＝(Bη-b)sinγ_O

b＝Lcosγ₁

式中：Bη—断屑槽宽度(mm)

      lf—刀具/切屑接触长度

      γ_O—第二前刀面前角

      L—第一前刀面长度

      γ₁—第一前刀面前角

而且：

${\mathrm{\ρ}}_H=\frac{{[(\mathrm{B\η}-L\cos {\mathrm{\γ}}_1)\cos {\mathrm{\γ}}_O-(\mathrm{lf}-L)]}^2+{(\mathrm{B\η}-L\cos {\mathrm{\γ}}_1)}^2{{\sin \mathrm{\γ}}_O}^2}{2(\mathrm{B\η}-L{\cos \mathrm{\γ}}_1){\sin \mathrm{\γ}}_O}-\frac{\mathrm{\αch}}{2}---\left(1\right)$

根据切屑破断准则：

ε_max＝1/2ρ_HEα²ch·{α³ch-24ρ³ _H{σ³ _S/3E²+B/(η+2)[(αch/2ρ_H)^η+2-(σ_S/E)^η+2]}}≥ε_b  (2)

式中B—材料常数

    η—材料硬化指数

    E—材料弹性模量

    σ_S—材料屈服强度

    ε_b—切屑破断应变

切屑厚度αch取决于切削厚度αc和切屑变形系数ξ，切削厚度αc取决于进给量f和刀具主偏角Kγ。

αch＝αcξ＝ξfSinKγ

当给出进给量f范围，即给出了切削厚度αc范围；则由(1)、(2)可以计算出直线圆弧型断屑槽圆弧卷屑槽3的曲率半径ρ_H；并且可以确定第二前刀面2前角γ_O和断屑槽3宽度Bη；反之，如果已知圆弧断屑槽3宽度Bη或第二前刀面2前角γ_O，可以确定进给量f范围，即可以计算出合理切削进给量f的范围。

本实用新型有益之处在于：由于在刀刃处增加了一段直线第一前刀面1，设计合理的圆弧卷屑槽3曲率半径，增大了切屑变形量，提高卷屑和断屑效果；增大刀刃角度，刀刃强度增强，可以提高切削深度；新结构使切屑进入圆弧卷屑槽3更流畅。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1为直线型、直线圆弧型和全圆弧型断屑槽示意图；

图2为不同的进給量与切屑在前刀面上的接触长度关系曲线；

图3为本实用新型直线圆弧型断屑槽示意图。

具体实施方式

如图3所示，在刀刃处增加一段第一前刀面1，第一前刀面1后为第二前刀面2，第二前刀面后为圆弧卷屑槽3。

第一前刀面与第二前刀面的总长度大致和切屑接触长度相等；根据切削厚度、第一前刀面和第二前刀面的参数，计算圆弧卷屑槽的曲率半径。

以切削45#钢为例，可以设计如下三种规格。

实施例1

切削厚度ac小于等于0.15mm时，第一前刀面1长度取0.1mm～0.15mm，第一前刀面1的前角γ₁取负5度～零度。第二前刀面2长度取不大于切削厚度的一倍。

令E＝2000kgf/mm²、σ_S＝62.5kgf/mm²～65kgf/mm²、ε_b＝0.0063、B＝720、η＝04～0.5，根据公式(2)计算出圆弧卷屑槽3的曲率半径ρ_H＝1.8mm～2.3mm；此时切屑长度为50mm～100mm，断屑效果良好.；

实施例2

当切削厚度ac大于等于0.15mm而小于0.25mm时，第一前刀面1长度取0.15mm，第一前刀面1的前角γ₁取0度～5度。第二前刀面2长度不大于切削厚度的两倍。

令E＝2000kgf/mm²、σ_S＝62.5kgf/mm²～65kgf/mm²、ε_b＝0.0063、B＝720、η＝04～0.5，根据公式(2)计算出圆弧卷屑槽3的曲率半径ρ_H＝2.0mm～3.0mm；此时切屑长度为40mm～110mm，断屑效果良好。

实施例3

当切削厚度ac大于等于0.25mm时，第一前刀面1长度取0.2mm，第一前刀面1的前角γ₁取0度～5度。第二前刀面2长度不大于切削厚度的三倍。

令E＝2000kgf/mm²、σ_S＝62.5kgf/mm²～65kgf/mm²、ε_b＝0.0063、B＝720、η＝04～0.5，根据公式(2)计算出圆弧卷屑槽3的曲率半径ρ_H＝2.8mm～4.1mm；此时切屑长度为60mm～120mm，断屑效果良好。

Claims (3)

1.一种刀具断屑槽，由直线圆弧型断屑槽的前刀面和圆弧卷屑槽构成，在前刀面刀刃处为第一前刀面和第一前刀面前角，第一前刀面后为第二前刀面，其特征在于：所述切削厚度小于0.15mm，第一前刀面长度0.1mm～0.15mm，第一前刀面前角负5度～0度；第二前刀面长度不大于切削厚度的一倍；圆弧卷屑槽曲率半径为1.8mm～2.3mm。

2.一种刀具断屑槽，由直线圆弧型断屑槽的前刀面和圆弧卷屑槽构成，在前刀面刀刃处为第一前刀面和第一前刀面前角，其后为第二前刀面，其特征在于：所述切削厚度等于或大于0.15mm而小于0.25mm，第一前刀面长度0.15mm，第一前刀面前角0度～5度；第二前刀面长度不大于切削厚度的两倍；圆弧卷屑槽曲率半径为2.0mm～3.0mm。

3.一种刀具断屑槽，由直线圆弧型断屑槽的前刀面和圆弧卷屑槽构成，在前刀面刀刃处为第一前刀面和第一前刀面前角，其后为第二前刀面，其特征在于，所述切削厚度等于或大于0.25mm，第一前刀面长度0.2mm，第一前刀面前角0度～5度；第二前刀面长度不大于切削厚度的三倍；圆弧卷屑槽曲率半径为2.8mm～4.1mm。

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