CN109332768A - 辅助断屑的铣刀装置及不同润滑条件下辅助断屑的铣刀系统 - Google Patents

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隋孟华
武文涛
高腾
杨敏
贾东洲
李润泽
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Abstract

本发明公开了辅助断屑的铣刀装置及不同润滑条件下辅助断屑的铣刀系统，它解决了现有技术中较长切屑影响工件表面质量的问题，具有能实现断屑，且适用范围广的有益效果，其方案如下：一种辅助断屑的铣刀装置包括对工件进行切削加工的切削机构，切削机构设于工件的上方；刀库机构，包括第一旋转机构和与第一旋转机构连接的若干刀具；换刀机构，包括第二旋转机构和与第二旋转机构连接的机械手，换刀机构设于刀库机构与切削机构之间，机械手可移动以从刀库机构选取刀具并夹持，来对切削机构切削工件产生切屑进行切断。

Description

辅助断屑的铣刀装置及不同润滑条件下辅助断屑的铣刀系统
技术领域
本发明涉及机械加工领域，特别是涉及辅助断屑的铣刀装置及不同润滑条件下辅助断屑的铣刀系统。
背景技术
目前，铣削加工是机械制造业最常用的一种切削加工，加工生产效率高、加工范围广、加工精度高。但在铣削时，刀具与工件的接触时间极短，刀具前刀面与切屑、后刀面与工件之间发生剧烈的摩擦，产生大量切削热，导致刀具急剧磨损，刀具失效过快，严重制约了加工效率的提高。随着铣削速度的提高，铣削力有所减小，由于切屑沿刀具前刀面排出的速度较快，带走了大量的切削热(大约90％左右)，因而传给工件的热量大幅度减小，对于减小工件的内应力和热变形，提高零件的加工精度具有非常大的意义。同时，切削过程中最常见的切屑形态为带状切屑，该类型切屑由于切屑自由表面和底面均比较光滑而对切削力的波动影响较小，切削过程较为平稳；挤裂切屑又称节状切屑，自由表面呈锯齿形，此时切屑各滑移面尚未完全分离，切削力会产生一定的波动；单元切屑又称粒状切屑，是剪切面在挤裂切屑基础上继续滑移直至分离断开而形成的，切削力波动较大；当加工脆性材料时，切削层金属未经塑性变形而发生脆断，生成不规则形状的崩碎切屑，加工表面凹凸不平。因此，在改变切削条件和切削参数的情况下，切屑形态会发生转变，同时经常会发生不断屑或过断屑问题，不折断的乱屑会刮伤已加工表面、造成机床主轴故障，甚至导致生产安全问题、较低生产效率，因此，掌握切屑的变化规律有利于控制切屑的尺寸和形态，进而通过断屑达到安全生产的目的以及实现对加工质量的预测。
经检索，哈尔滨理工大学陈涛等发明了一种带有不等距减震槽结构的复合螺旋环形铣刀及加工方法(专利号：ZL 201410223987.3)，其组成包括：环形铣刀刀柄，其特征是：所述环形铣刀刀柄内带有径向冷却通道、轴向冷却通道，用于带有减震槽的螺旋切削结构与圆角切削结构冷却与清洗，所述的螺旋切削结构带有的减震槽，采用不等径向距离方式分布在螺旋切削结构上，实现高效断屑，减轻由于连续切屑冲击带来的切削震动，实现稳定切削。
经检索，北京沃尔德金刚石工具股份有限公司张宗超等发明了一种断屑槽刀具及加工方法(专利号：ZL 201610498818.X)，其特征在于刀头焊接在刀具基体的一角，刀头的尺寸为：前角角度为5°～45°，倒楞角度为-45°～20°；断屑角度为90°～120°；切削刃宽为0.02～0.15mm，倒楞宽度为0.02～0.1mm，断屑槽宽度为0.1～5mm，槽宽变化角度为-15°～15°；断屑槽深度为0.05～0.45；断屑槽的截面形状为圆弧形，圆弧形的宽度是渐变的。其优点是断屑槽刀片的匹配性适用性大幅度提升，可以来应对各类断屑加工工况。
经检索，北京沃尔德金刚石工具股份有限公司张宗超等发明了一种变径断屑台刀具(专利号：ZL 201721178110.2)，这种刀具的刀头焊接在刀片的角部，刀头有刀尖，在刀头的表面即刀尖的两侧分别有第一断屑台及第二断屑台，刀头的侧面有形成修光刃凸起部分。可以集合高效率连续断屑和精密修光加工于一体，通过添加新的结构，实现精加工+断屑加工+修光加工一体化。
经检索，钴碳化钨硬质合金印度有限公司S·K·纳加拉简等发明了一种断屑性能增强的切削刀片(专利号：ZL 201510159673.6)，该刀片的主体具有上表面、下表面、多个平坦的后刀面、将两个相邻的后刀面连接起来的双向锐角切削角部和双向钝角切削角部。刀棱面具有变化的宽度。环形岛包括多个凸起的延伸部、靠近所述锐角切削角部的相对较长且较窄的断屑点、以及靠近钝角切削角部的相对较短且较宽的断屑点。断屑斜坡表面位于相对较长且较窄的断屑点中的每一者和相对较短且较宽的断屑点中的每一者的旁侧。断屑斜坡表面形成一系列不共线的线条，以此来实现增强断屑性能的功能。
经检索，宁波大学吴剑钊发明了一种超硬车刀的断屑装置(专利号：ZL201610082963.X)，其特点是断屑块和固定安装在刀柄上的刀片压板，断屑块位于刀片的上端面，刀片固定在刀柄上，断屑块上设置有无需对车刀的原有结构进行改动的断屑块固定装置；优点是该断屑装置利用超硬车刀自带的用于固定刀片的插销和刀片压板将断屑块固定在刀片的上端面上，既实现了超硬车刀的断屑功能，又无需对超硬车刀的原有结构进行改动，且对断屑块的定位、装夹可靠，拆装和使用方便，结构简单，成本低。
经检索，哈尔滨理工大学程耀楠发明了一种双断屑结构重型切削刀片(专利号：201410138221.5)，刀片的前刀面外边缘处加工有直线形切削刃，前刀面上斜置设有数个椭圆形凸起，刀片顶面的正方形平台的每个侧面中部加工有梯形槽，梯形槽内设有凸块，凸块顶面并列设有圆弧面凸柱，正方形平台上位于梯形槽两侧的侧面为凸球面，刀片底面中部设有方形散热槽，方形散热槽外围的刀片底面被分割成八块支撑面，每相邻两块支撑面与位于二者之间的支撑面之间设有与方形散热槽相通的U形散热槽，这种刀片可以解决水室封头切削加工过程中断屑困难的问题。
经检索，目前并没有一种不同润滑工况铣削的实验系统，更没有一种从断屑角度进行设计的铣刀。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种辅助断屑的铣刀装置，该装置使用切削机构铣削工件，其中换刀机构中机械手夹持刀具能实现辅助断屑的功能，刀库机构实现刀具的存放，能实现多种刀具的选择。
一种辅助断屑的铣刀装置的具体方案如下：
一种辅助断屑的铣刀装置，包括：
对工件进行切削加工的切削机构，切削机构设于工件的上方；
刀库机构，包括第一旋转机构和与第一旋转机构连接的若干刀具；
换刀机构，包括第二旋转机构和与第二旋转机构连接的机械手，换刀机构设于刀库机构与切削机构之间，机械手可移动以从刀库机构选取刀具并夹持，来对切削机构切削工件产生切屑进行切断。
上述的装置，切削机构对工件进行加工，通过换刀机构的机械手夹持刀具，换刀机构旋转，从而对切削工件产生的切屑进行切断，因切屑有至少一种类型，因此刀库机构设置若干刀具，可供换刀机构进行选择合适的刀具。
进一步地，所述第二旋转机构与移动机构连接，移动机构带动第二旋转机构从而带动所述机械手朝向所述刀库机构进行往复运动，移动机构为直线往复电机或电动推杆，推杆端部与第二旋转机构连接；
或者，在另一方案中，所述第二旋转机构设于电机箱内，电机箱设于支架，支架通过机床进行支撑，且电机箱相对于支架可往复运动，从而带动所述机械手朝向所述刀库机构进行往复运动，具体在支架设置滑槽，电机箱部分插入滑槽，电机箱的一侧设置直线往复推动机构，通过该机构推动电机箱的往复运动。
进一步地，所述刀库机构包括刀盘，刀盘的圆周方向设有多个第一开口环，所述的刀具通过第一开口环支撑于所述的刀盘，多个第一开口环内设置的刀具结构相同和/或相异，刀具的长度、尺寸均可设置不同。
进一步地，所述机械手包括反向设置的两个，两个机械手水平设置，且两个机械手的中段连接并通过连轴与所述的第二旋转机构连接，机械手的设置高度与刀盘的高度相同以便于对刀具的夹持；
机械手设置第二开口环以与所述的刀具配合，刀具上半段呈圆台型，且刀具中段设置凸部，凸部环向开有卡槽，刀具通过卡槽以与第一开口环或第二开口环配合，这样换刀机构能够从刀库机构夹持设定的刀具，也可以将刀具送于刀库机构的刀盘，并再选取新的刀具，具体可人为操纵刀库机构和换刀机构选取刀具，也可以通过控制器选取。
进一步地，所述刀库机构与所述的切削机构均通过所述的支架支撑；
进一步地，刀具为具有断屑刃的第一铣刀，断屑刃后刀面与所述切削机构第二铣刀主切削刃所成的角度与第二铣刀的前角成正比关系；
第一铣刀断屑刃卷屑面的半径与工件材料的脆性呈反比关系，因此需要根据工件的材料特性，来选择相应的刀具；
进一步地，工件剪切面与切削速度方向的夹角剪切角φ可通过下式确定：
其中，ξ为材料变形系数，γ0为第二铣刀前角。
所述的切削机构相对于支架能实现上下运动，具体切削机构由竖直驱动机构带动实现，并配合切削机构中第三旋转机构的运动，从而对工件实现切削。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种不同润滑条件下辅助断屑的铣刀系统，包括所述的一种辅助断屑的铣刀装置；
工作台，用于固定工件，设于所述切削机构的下方；
喷嘴，设于切削机构第二铣刀的侧部；
润滑机构，与喷嘴连接以提供润滑油液。
进一步地，所述润滑机构包括润滑泵，润滑泵与油杯连接，且润滑泵通过电磁阀与气源处理器连接，气源处理器设置进气接口；
在电磁阀与润滑泵之间设置频率发生器以控制从进气接口输入的气体频率。
进一步地，所述喷嘴与喷嘴管路连接，喷嘴管路通过喷嘴接口与润滑油管道连接，固定盖通过吸盘设于所述切削机构的一侧；
所述喷嘴轴线与工作台表面呈40-50°，喷嘴距离安装后的工件表面有20-30mm；喷嘴的设置位置有利于增加切削液进入加工区的比例，对于提高冷却润滑效果。
切削机构包括电机箱，电机箱内设置第三旋转机构以带动所述的第二铣刀旋转，吸盘设于电机箱的侧部。
进一步地，所述工作台表面设置工件夹具，工件夹具开口用于设置工件的卡槽，工件夹具的侧部设置夹具螺钉以对工件进行限位；
工件夹具卡槽的侧部设置压板，压板相对于工件夹具能实现旋转；
在卡槽内活动设置定位块，定位块能设于工件的一侧，其中定位块能设于卡槽设于工件的一侧，定位块设置通孔或盲孔，夹具螺钉穿过定位块的通孔或盲孔与工件抵接。
进一步地，所述工件夹具的下方设置测力仪，测力仪设于工件夹具与所述工作台之间，测力仪与控制器连接，测力仪与力信息采集仪构成力测量机构；
控制器与温度传感器连接，工件设置盲孔以使温度传感器能安装于工件，温度传感器采用热电偶，且热电偶可设置多个，以保证测量数据的准确性。
此外，为了实现自动换刀，切削机构、第一旋转机构、第二旋转机构和移动机构分别与控制器单独连接，控制器为带操作屏的PLC控制器，实现按照设定程序控制各个机构的动作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过铣刀装置的设置，不仅能对工件进行加工，而且可以将较长的切屑切断，减少切屑较长对刀具表面以及工件表面造成损伤，提高加工质量和刀具寿命。
2)本发明通过刀库机构和换刀机构的设置，可以针对不同的切屑使用不同的刀具，拓宽了整个铣刀装置的应用范围。
3)本发明通过润滑机构的设置，可以实现干切削、浇注式润滑、微量润滑、纳米流体微量润滑工况下的铣削，并可以实现铣削中铣削力和温度的测量。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是一种不同润滑条件下辅助断屑的铣刀及实验系统的轴侧图。
图2是润滑机构的爆炸装配图。
图3是刀库机构的轴侧图。
图4是刀盘的俯视图。
图5(a)是第一心轴的轴侧图。
图5(b)是第一心轴的主视图。
图6是换刀机构的轴侧图。
图7是切削机构的轴侧图。
图8是力测量机构的轴侧图。
图9是工件定位夹紧图。
图10是铣削测力仪轴测图。
图11是温度测量示意图图。
图12是工件剖视图。
图13是具有断屑刃的铣刀三维图。
图14是断屑刃实施例1的铣刀剖视图。
图15是断屑刃实施例1原理图。
图16是断屑刃实施例2的铣刀剖视图。
图17是断屑刃实施例2原理图。
图18是金属切削变形区图。
图19是剪切区示意图。
图20是剪切区受力分析图。
图21是速度模型图。
图22是铣削加工空气流场示意图。
其中，润滑机构I，刀库机构II，换刀机构III，切削机构IV，力测量机构V，箱体I-1，油杯接头I-2，油杯I-3，固定螺钉I-4，垫圈I-5，固定螺钉I-6，润滑泵固定盖I-7精密微量润滑泵I-8，气量调节旋钮I-9，三通I-10，电磁阀I-11，气源处理器I-12，进气接口I-13，双向接头I-14，频率发生器I-15，管道I-16，管道I-17，管道I-18，油量调节旋钮I-19，润滑泵出口接头I-20。
第一电机箱II-1，第一心轴II-2，刀盘II-3，刀具II-4，第一开口环II-5，凸部II-6，卡槽II-7。
第二电机箱III-1，第一机械手III-2，第二机械手III-3，第二开口环III-4。
第三电机箱IV-1，润滑油管道IV-2，螺钉IV-3，垫圈IV-4，磁性吸盘IV-5，喷嘴接口IV-6，喷嘴管IV-7，第二心轴IV-8，喷嘴IV-9，第二铣刀IV-10，排屑槽IV-10-1，断屑刃IV-10-2，断屑刃IV-10-3，断屑刃前刀面IV-10-4，断屑刃后刀面IV-10-5，主切削刃前刀面IV-10-6，刀尖IV-10-7，主切削刃后刀面IV-10-8，断屑刃卷屑面IV-10-9，工作台IV-11。
计算机V-1，导线V-2，力信息采集仪V-3，放大器V-4，压板V-5，圆柱垫片V-6，压板螺母V-7，压板螺钉V-8，工件V-9，平板螺钉V-10，小压板螺钉V-11，定位螺钉V-12，工件夹具V-13，定位块V-14，测力仪V-15，螺钉V-16，夹具螺钉V-17，平板V-18，平板V-19。
热电偶VI-1，热电偶1VI-1-1，热电偶2VI-1-2，热电偶3VI-1-3，信息采集仪VI-2，计算机VI-3。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种辅助断屑的铣刀装置及方法。
如图1所示，本发明一种辅助断屑的铣刀装置包括对工件进行切削加工的切削机构IV，切削机构IV设于工件的上方；刀库机构II，包括第一旋转机构和与第一旋转机构连接的多个刀具；换刀机构III，包括第二旋转机构和与第二旋转机构连接的机械手，换刀机构III设于刀库机构II与切削机构之间，机械手可移动以从刀库机构II选取刀具并夹持，来对切削机构IV切削工件产生切屑进行切断。
图3是刀库机构的轴侧图，图4是刀盘的俯视图，图5(a)、图5(b)是第一心轴的轴侧图和主视图，图6是换刀机构的轴侧图。
结合图3-6进行说明，第一电机箱II-1通过内部结构实现刀盘II-3的转动，进而带动刀盘II-3上的第一心轴II-2以及刀具II-4转动，第二电机箱III-1通过内部结构实现第一机械手III-2和第二机械手III-3位置转换，进而实现加工刀具的换用，可以实现根据不同工况选择不同的铣刀加工。
第二旋转机构设于第二电机箱III-1内，第二电机箱III-1设于支架，支架通过机床进行支撑，且第二电机箱III-1相对于支架可往复运动，从而带动两个机械手朝向所述刀库机构进行往复运动，具体在支架设置滑槽，第二电机箱III-1部分插入滑槽，第二电机箱III-1的一侧设置直线往复推动机构，通过该机构推动电机箱的往复运动。
刀库机构II包括刀盘II-3，刀盘II-3的圆周方向设有多个第一开口环II-5，所述的刀具通过第一开口环II-5支撑于所述的刀盘II-3，多个第一开口环II-5内设置的刀具结构相同和/或相异，刀具的长度、尺寸均可设置不同。
机械手包括反向设置的两个，两个机械手水平设置，且两个机械手的中段连接并通过连轴与所述的第二旋转机构连接；
机械手设置第二开口环III-4以与所述的刀具配合，刀具包括第一心轴II-2和与第一心轴II-2连接的具有断屑刃的第一铣刀，第一心轴上半段呈圆台型，且第一心轴中段设置凸部II-6，凸部II-6环向开有卡槽II-7，刀具通过卡槽II-7以与第一开口环II-5或第二开口环III-4配合，这样换刀机构能够从刀库机构夹持设定的刀具，也可以将刀具送于刀库机构的刀盘II-3，并再选取新的刀具，具体可人为操纵刀库机构和换刀机构选取刀具，也可以通过控制器选取。
图7是切削机构的轴侧图，第三电机箱IV-1通过内部结构实现第二心轴IV-8的旋转，从而第二铣刀IV-10旋转，实现切削加工，润滑机构I提供的润滑油通过润滑油管道IV-2、喷嘴管IV-7和喷嘴IV-9喷到切削区，磁性吸盘IV-5通过螺钉IV-3和垫圈IV-4与喷嘴接口IV-6固定，磁性吸盘IV-5吸在电机箱IV-1的箱体。
一种不同润滑条件下辅助断屑的铣刀系统，包括所述的一种辅助断屑的铣刀装置；工作台IV-11，用于固定工件，设于所述切削机构IV的下方；喷嘴，设于切削机构第二铣刀的侧部；润滑机构I，与喷嘴连接以提供润滑油液。
如图1所示，润滑机构I为铣削提供润滑油进行冷却润滑，刀库机构II实现刀具的存放，换刀机构III实现刀具的调用，切削机构IV用来铣削工件，力测量机构V主要测量铣削工件时的铣削力。
图2是润滑机构的爆炸装配图。
如图2所示，润滑机构包括箱体I-1、油杯接头I-2、油杯I-3、固定螺钉I-4、垫圈I-5、固定螺钉I-6、润滑泵固定盖I-7、精密微量润滑泵I-8、气量调节旋钮I-9、三通I-10、电磁阀I-11、气源处理器I-12、进气接口I-13、双向接头I-14、频率发生器I-15、管道I-16、管道I-17、管道I-18、油量调节旋钮I-19、润滑泵出口接头I-20。
进气接口I-13固定于气源处理器I-12，高压气体由进气接口I-13进入气源处理器I-12过滤，为润滑机构提供高压气体，气源处理器I-12通过双向接头I-14接在电磁阀I-11，控制气体的进入，电磁阀I-11出口处接一个三通I-10，高压气体通过三通I-10的一个出口管道I-16进入频率发生器I-15，通过频率发生器I-15来控制气体的输入频率，高压气体从频率发生器I-15出来后通过管道I-17进入精密微量润滑泵I-8；另外，高压气体通过三通I-10的另一个出口管道I-18进入精密微量润滑泵I-8，油杯接头I-2一端通过螺纹连接I-2，另一端通过螺纹连接润滑泵固定盖I-7，润滑泵固定盖I-7通过2个固定螺钉I-6连接精密微量润滑泵I-8，润滑泵固定盖I-7通过2个固定螺钉I-4和垫圈I-5固定在箱体I-1上，通过调节气量调节旋钮I-9来调节高压气体的气量，通过调节油量调节旋钮I-19调节润滑油的油量，最后通过润滑泵出口接头I-20连接喷嘴接头IV-6向切削机构IV提供润滑油，通过频率发生器和电磁阀的设置，可有效实现不同工况的润滑，比如干切削、浇注式润滑、微量润滑、纳米流体微量润滑工况。
图8是力测量机构的轴测图，图9是工件定位夹紧图，图10是测力仪轴测图。
结合图8-10进行说明，测力仪V-15用螺钉V-16紧固在工作台IV-11上。工件夹具V-13固定在测力仪V-15的工作台上，将工件V-9放在测力仪V-15的工作台，工件V-9的六个自由度通过工件夹具V-13和测力仪V-15的工作台便可实现完全定位。工件V-9的X轴方向使用两个定位螺钉V-12进行夹紧，在工件的Y方向，使用工件夹具螺钉V-17对工件V-9进行夹紧。定位块V-14一面与工件V-9侧面接触，一面与两个定位螺钉V-12接触，拧紧定位螺钉V-12使定位块V-14在工件V-9的X方向上进行夹紧。工件V-9在Z方向上采用三个压板V-5夹紧，三个压板V-5借助平板V-18、平板V-19、圆柱垫片V-6和压板螺钉V-8、压板螺母V-7构成自调节压板，当工件V-9长宽高三个尺寸发生变化时，可通过两个夹具螺钉V-17、两个定位螺钉V-12和三个压板V-5实现装备可调，满足工件V-9的尺寸变化要求。定位块V-14用小压板螺钉V-11和定位螺钉V-12进行夹紧。工件V-9受到切削力时，测量信号经放大器V-4放大传给力信息采集仪V-3，最后经过导线V-2传到计算机V-1并显示切削力的大小。
图11是温度测量系统图，图12是工件剖视图。
结合图11-12进行说明，工件内部有三条盲孔，三根热电偶VI-1-1、VI-1-2、VI-1-3位于工件盲孔内，热电偶工作端位于工件V-9表面以下0.5mm处，当第二铣刀切削工件到一定程度，切削到热电偶时，热电偶检测到第二铣刀的温度，并将热信号传递给信息采集仪，最终在计算机上显示热电偶工作端的温度。采用三根热电偶可以在一次端面铣削中测量三次切削热，得到三组测量数据，既节省了时间，又避免了因每次安装差异而引起的误差。
图13是具有断屑刃的铣刀三维图。图14是断屑刃实施例1的铣刀剖视图。图15是断屑刃实施例1原理图。
结合图13-15进行说明，在断屑刃实施例1中，断屑刃后刀面IV-10-5与主切削刃(切削工件的第二铣刀)IV-10-7成a角，断屑刃后刀面IV-10-5与断屑刃前刀面IV-10-4成角，即断屑刃刀尖角度，在铣削加工中，主切削刃IV-10-7切削工件形成切屑，切屑沿着主切削刃前刀面IV-10-6流出，切屑的流出速度为vc，切屑在沿着主切削刃前刀面IV-10-6流出过程中，被断屑刃IV-10-2切断，切屑被切成较小的碎屑后，具有断屑刃的铣刀自身的旋转将切屑从排屑槽IV-10-1排出，当前角γ0较大时，a角也应较大，相反，当前角γ0较小时，a角应较小。此断屑刃适合切削深度ap较大时的铣削加工。
图16是断屑刃实施例2的铣刀剖视图，图17是断屑刃实施例2原理图。
结合图16-17进行说明。刀尖IV-10-7切削工件形成切屑，切屑沿着主切削刃前刀面IV-10-6流出，切屑的流出速度为vc，根据卷屑原理，切屑在沿着主切削刃前刀面IV-10-6流出过程中，根据断屑刃卷屑面IV-10-9的形状弯曲，其中，断屑刃卷屑面IV-10-9的半径为R，断屑刃IV-10-3对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小，形成C形，切屑经过第Ⅰ变形区、第Ⅱ变形区的剧烈变形后，硬度增加，塑性下降，性能变脆。在切屑排出过程中，当碰到刀具后刀面、工件上过渡表面或待加工表面等障碍时，如某一部位的应变超过了切屑材料的断裂应变值，切屑就会折断。断屑刃卷屑面IV-10-9的半径R的选择与材料的性能有关，材料的脆性越小，R值越大，切屑卷曲程度越大，越有利于断屑，此断屑刃适合切削深度ap较小时的铣削加工。同时，工件材料的脆性越大(断裂应变值越小)、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越小，切屑就容易折断。
其中，断屑刃实施例1和断屑刃实施例2的尺寸参数应与切削用量的大小相适应，否则会影响断屑效果。
图18是金属切削变形区图。在机床上用刀具切削金属材料时，切削层受到刀具前刀面挤压，切削区域存在三个不同的变形区域，分别为第Ⅰ变形区、第Ⅱ变形区和第Ⅲ变形区，其中，第Ⅰ变形区是在切削层中OA与OM之间的区域，OA线为金属剪切滑移开始线，OM线为金属的晶粒剪切滑移终止线，这是产生塑性变形和剪切滑移的区域，第Ⅰ变形区是最大的变形区，晶粒拉长，同时产生大量的切削热，但这个区域很窄，大概仅为0.2-0.02mm宽。第Ⅱ变形区为铣刀/切屑的接触区，经第Ⅰ变形区由前刀面排出的金属材料，在距离前刀面很近的地方形成第Ⅱ变形区，在此区域内，切削层的金属在与前刀面的摩擦和挤压下，变形程度加大，形成纤维化，方向与前刀面平行，甚至有时会出现滞留层。第Ⅲ变形区为铣刀/工件的接触区，是指近切削刃处已加工表面层受刀具刃口与后面的挤压、摩擦产生变形的区域，切削层金属进一步受到后刀面摩擦和挤压，会产生弹性回弹现象，对金属的加工表面质量有很大的影响。三个变形区各具特点，又存在着相互联系、相互影响。切削过程中的各种物理现象均与金属层的变形密切相关。
图19为剪切区示意图，图20为剪切区受力分析图，图21为速度模型图。
结合图19-21进行说明。在第Ⅰ变形区中，根据麦钱特切削模型对切屑形成过程的简单分析，假定材料沿一个从刀具刃口向工件的自由表面扩展的剪切平面剪切，即把金属切削中的第Ⅰ变形区当作剪切面。剪切面与切削速度方向的夹角称为剪切角。剪切角的大小可用于分析切屑变形的程度和计算切削力。而剪切变形是在一个区域产生的。切削层材料由CD面开始产生塑性变形，即第Ⅰ变形区的起始剪切平面；EF面变形停止，为第Ⅰ变形区的终止剪切平面，此时剪切应变达到最大。CD、AB、EF面上的剪切应变分别为：
第Ⅰ变形区的塑性功W1：kAB为剪切平面AB上的剪切应力，是AB上的平均应变。
剪切区为两平行平面CD、EF围成，切削就是在剪切区形成的；为了简化计算，假设切屑的形成是连续的，近似为是平面应变状态。
要求剪切区的应变应变率，根据Von Mises应力屈服准则，可以得到如下关系式：
其中，ε、分别为剪切区的应变和应变率，γ、分别为剪切区的剪应变和剪应变率。在剪切区任取一点，计算该点在剪切区的应变和应变率，进而可以得到沿剪切面AB的剪应变以及剪应变率。
由于剪切区上下边界CD、EF以及剪切面AB互相平行，平均剪应变率可以用求流动速度的方程来表示，即如下式所示：
其中，为平均剪切应变率，vx、vy为质点在X、Y方向上的流动速度。为计算平均剪应变率，取Δvx＝-vs·cosφ,Δvy＝vs·sinφ,Δx＝Δs1/sinφ,Δy＝Δs1/cosφ，其中vs为剪切速度，Δs1为剪切区的宽度，即剪切区边界CD、EF之间的距离。为求平均剪应变，需求出剪切速度vs。
平均剪切应变速率为：
沿剪切线AB的平均剪切应变γAB可以用平均剪切应变率与质点通过剪切区的时间的乘积来表示，如下式所示：
则沿AB线的应变方程为：
沿AB线的应变率方程为：
上式中的剪切角φ可通过下式确定。
其中，ξ为材料变形系数，与材料有关，γ0为刀具前角。
剪切区的塑性变形使得剪切面的温度升高，与剪切力相关的剪切区温度变化值ΔTsz可由公式(10)计算。
其中βT值为：RT为无量纲热的系数：ρ为工件材料的密度(Kg/m3)；K为工件材料的导热系数(m2·℃)；S为比热(g·℃)；V是切削速度。
则剪切面平均温度TAB的表达式为：
TAB＝Tw+ηΔTsz (11)
其中，Tw为环境温度(℃)，η为塑性功转换热量系数，取值0.7。
沿AB线的流动应力方程为：
其中，σ0是初始屈服应力(1000MPa)；ε0为初始应变n为应变指数(0.1)；为应变速度；为屈服应变速度；m为应变速度指数(0.0143)；T为切削温度；Tm为融化温度(与材料有关)；l为温度软化系数(0.75)。
剪切平面上的剪切力为：
其中，kAB为沿AB线的剪应力；lAB为剪切面AB的长度；aw为切削宽度。
切削过程中存在三个速度，分别为切削速度v、切屑速度vc和剪切速度vs，切削速度就是第一铣刀的线速度，根据连续条件，这三个速度首尾相连形成了一个封闭的三角形，切屑速度方程以及剪切速度方程：
剪切能Es表示为剪切力和剪切速度的函数：
Es＝Fsvs (16)
剪切面AB与剪切面合力R的夹角θ称为切削角：
θ＝φ+β-γ0 (17)
由材料力学可知，
剪切区的切削合力R可表示为：
根据剪切面上的力平衡原理，可以推导得出切削速度方向上的切削力(Fc)和切削厚度方向上的切削力(Ft)与切削合力之间的关系。
在第ⅠⅠ变形区中，切削层金属变形形成切屑沿前刀面以速度Vc流出，靠近前刀面的切屑底层的流出速度比切屑其它部位缓慢得多，这种现象称滞留现象，该层切屑称作滞留层。切屑的滞留层在前刀面上很薄的区域发生剧烈的塑性变形，也称二次塑性变形。在高温和高压条件下切屑底面与前刀面发生粘结现象，切屑底面在刀具上的粘结部分与上层金属产生内摩擦。该变形区的切屑厚度ach、刀具和切屑接触长度lf和这个变形区内剪切速度剪切应变率分别为：
式中，δ为刀屑接触面第二变形区厚度与切屑厚度ach的比值，取δ＝0.05。
刀具与切屑之间的摩擦力Ff为：
式中，KHG为第二变形区的剪切流动应力，
因此，刀具/切屑接触区消耗的能量为：
切屑的平均温升为：
切屑的最大温升ΔTM为：
因此切屑的平均温度Tint为：
Tint＝Tw+ΔTsz+0.7ΔTM (27)
图22是铣削加工空气流场示意图。
根据图22进行说明，铣刀周围的空气本来是静止的，但高速旋转的铣刀会导致其产生流动，并且越靠近切削刃部位的空气的流动速度越高，从而在铣刀周围形成了一个封闭的“环形”区域，这些存在对切削液的进入产生了阻碍作用，切削液无法进入铣刀/工件界面，造成加工烧伤。因此，采用合适的切削液注入方法，即最佳的喷嘴IV-9位置，可以增加切削液进入加工区的比例，对于提高冷却润滑效果，改善工件表面质量具有非常重要的作用。图中可以看出铣削区周围各个气流分布：最外面一层为气障，阻碍切削液进入切削区，因此喷嘴IV-9的位置要避免在气障之外；进入流是气流方向指向铣刀表面的气流，有利于切削液进入，切削液跟随进入气流到达铣刀周围以及铣刀槽处，达到输运切削液的作用；进一步，切削液经过径向流输运到达切削区，径向流是气流方向为轴向方向的气流，一部分切削液会在工件表面附着，形成一层致密的润滑油膜，起到减摩抗磨的作用，冷却润滑刀具/工件界面；一部分切削液会随“返回流”流出，“返回流”是气流方向背向铣刀表面的气流，“返回流”的存在会使部分切削液流出切削区，同时对切削液进入切削区起到阻碍作用，因此切削液的注入应避免与“返回流”接触。根据测量，当喷嘴IV-9轴线与工件表面呈一定角度(40°-50°)和一定距离(20-30mm)时，气流场会对切削液起到输运的作用，同时“返回流”对切削液的阻碍最小，切削液更容易进入切削区，起到的润滑冷却作用最大。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种辅助断屑的铣刀装置，其特征在于，包括：
对工件进行切削加工的切削机构，切削机构设于工件的上方；
刀库机构，包括第一旋转机构和与第一旋转机构连接的若干刀具；
换刀机构，包括第二旋转机构和与第二旋转机构连接的机械手，换刀机构设于刀库机构与切削机构之间，机械手可移动以从刀库机构选取刀具并夹持，来对切削机构切削工件产生切屑进行切断。
2.根据权利要求1所述的一种辅助断屑的铣刀装置，其特征在于，所述第二旋转机构与移动机构连接，移动机构带动第二旋转机构从而带动所述机械手朝向所述刀库机构进行往复运动；
或者，所述第二旋转机构设于电机箱内，电机箱设于支架，且电机箱相对于支架可往复运动，从而带动所述机械手朝向所述刀库机构进行往复运动。
3.根据权利要求1所述的一种辅助断屑的铣刀装置，其特征在于，所述刀库机构包括刀盘，刀盘的圆周方向设有多个第一开口环，所述的刀具通过第一开口环支撑于所述的刀盘，多个第一开口环内设置的刀具结构相同和/或相异；
刀具为具有断屑刃的第一铣刀，断屑刃后刀面与所述切削机构第二铣刀主切削刃所成的角度与第二铣刀的前角成正比关系；
第一铣刀断屑刃卷屑面的半径与工件材料的脆性呈反比关系；
进一步地，工件剪切面与切削速度方向的夹角剪切角φ可通过下式确定：
其中，ξ为材料变形系数，γ0为第二铣刀前角。
4.根据权利要求3所述的一种辅助断屑的铣刀装置，其特征在于，所述机械手包括反向设置的两个，两个机械手水平设置；
机械手设置第二开口环以与所述的刀具配合。
5.根据权利要求2所述的一种辅助断屑的铣刀装置，其特征在于，所述刀库机构与所述的切削机构均通过所述的支架支撑；
所述的切削机构相对于支架能实现上下运动。
6.一种不同润滑条件下辅助断屑的铣刀系统，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的一种辅助断屑的铣刀装置；
工作台，用于固定工件，设于所述切削机构的下方；
喷嘴，设于切削机构第二铣刀的侧部；
润滑机构，与喷嘴连接以提供润滑油液。
7.根据权利要求6所述的一种不同润滑条件下辅助断屑的铣刀系统，其特征在于，所述润滑机构包括润滑泵，润滑泵与油杯连接，且润滑泵通过电磁阀与气源处理器连接，气源处理器设置进气接口；
在电磁阀与润滑泵之间设置频率发生器以控制从进气接口输入的气体频率。
8.根据权利要求6所述的一种不同润滑条件下辅助断屑的铣刀系统，其特征在于，所述喷嘴与喷嘴管路连接，喷嘴管路通过喷嘴接口与润滑油管道连接，固定盖通过吸盘设于所述切削机构的一侧；
所述喷嘴轴线与工作台表面呈40-50°，喷嘴距离安装后的工件表面有20-30mm；
切削机构包括电机箱，电机箱内设置第三旋转机构以带动所述的第二铣刀旋转，吸盘设于电机箱的侧部。
9.根据权利要求6所述的一种不同润滑条件下辅助断屑的铣刀系统，其特征在于，所述工作台表面设置工件夹具，工件夹具开口用于设置工件的卡槽，工件夹具的侧部设置夹具螺钉以对工件进行限位；
工件夹具卡槽的侧部设置压板，压板相对于工件夹具能实现旋转；
在卡槽内活动设置定位块，定位块能设于工件的一侧。
10.根据权利要求9所述的一种不同润滑条件下辅助断屑的铣刀系统，其特征在于，所述工件夹具的下方设置测力仪，测力仪设于工件夹具与所述工作台之间，测力仪与控制器连接；
控制器与温度传感器连接，工件设置盲孔以使温度传感器能安装于工件。
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