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【创世纪小百科】卷曲与折断:揭秘切削加工中的“屑”艺术

更新时间:2024-05-27      点击次数:120
  切削加工正在向高速化、高精度化和自动化的方向发展。长而不断切屑严重影响切削加工过程的正常进行,如何控制切屑形成,使之有规律地卷曲并折断是提高车削自动化生产系统加工效率的关键。
 
  长而不断的切屑将会缠绕在刀具或工件上,严重影响了自动化加工的进行,降低工件的已加工表面质量,同时也加剧了刀具的磨损程度,进而直接制约了生产效率,并增加了企业的生产成本。
 
  为保证自动化的切削加工正常运作,提升设备的利用率,提高表面加工质量自动化加工阶段的切屑折断与排出成为高效加工研究的重点问题,也是企业快速响应市场的关键。
 
  切屑折断的原理
 
  金属切削过程中,切屑是否容易折断,与切屑的变形有直接联系。
 
  切削过程中所形成的切屑,由于经过了比较大的塑性变形,它的硬度将会有所提高,而塑性和韧性则显著降低,这种现象叫冷作硬化。经过冷作硬化以后,切屑变得硬而脆,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。换言之,断屑的基本原理,就是在“冷作硬化”的基础上,借助“外力”,实现断屑。
 
  常见的切屑类型
 
  根据工件材料、刀具几何参数和切削用量等的具体情况,切屑形状一般有:带状屑、C形屑、崩碎屑、宝塔状卷屑、发条状卷屑、长紧螺卷屑、螺卷屑等,如下图所示:
 

       种类1 带状屑
 
  高速切削塑性金属材料时,如不采取断屑措施,极易形成带状屑,此形屑连绵不断,常会缠绕在工件或刀具上,易划伤工件表面或打坏刀具的切削刃、甚至伤人,因此应尽量避免形成带状屑。
 
  种类2 C形屑
 
  车削一般的碳钢、合金钢材料时,如采用带有断屑槽的车刀则易形成C形屑。C形屑没有了带状屑的缺点。但C形屑多数是碰撞在车刀后刀面或工件表面而折断的。
 
  切屑高频率的碰断和折断会影响切削过程的平稳性,从而影响已加工表面的粗糙度。所以,精加工时一般不希望得到C形屑,而多希望得到长螺卷屑,使切削过程比较平稳。
 
  种类3 发条状卷屑
 
  在重型车床上用大切深、大进给量车削钢件,切屑又宽又厚,若形成C形屑则容易损伤切削刃,甚至会飞崩伤人。
 
  所以通常将断屑槽的槽底圆弧半径加大,使切屑成发条状在加工表面上碰撞折断,并靠其自重坠落。
 
  种类4 长紧卷屑
 
  长紧卷屑形成过程比较平稳,清理也方便,在普通车床上是一种比较好的屑形。
 
  种类5 宝塔状卷屑
 
  数控加工、机床或自动线加工时,希望得到此形屑,因为这样的切屑不会缠绕在刀具和工件上。而且清理也方便。
 
  种类6 崩碎屑
 
  在车削铸铁、脆黄铜、铸青铜等脆性材料时,极易形成针状或碎片状的崩碎屑,既易飞溅伤人、又易研损机床。若采用卷屑措施,则可使切屑连成短卷状。
 
  总之,切削加工的具体条件不同,希望得到切屑的形状也不同,但不论什么形状的切屑,都要断屑可靠。
 
  常见的断屑方法
 
  切屑断与不断的根本原因在于切屑形成过程中的变形和应力,当切屑处于不稳定的变形状态或切屑应力达到其强度极限时,就会断屑,通常切屑是卷曲后折断的。
 
  合理选择刀具几何角度、切削用量、磨断屑槽都是常用的断屑方法。
 
  1、减小前角、增大主偏角
 
  前角和主偏角是对断屑影响较大的刀具几何角度。
 
  减小前角,加剧切屑变形,易于断屑。由于将前角磨小,会增大切削力,限制了切削用量的提高,严重时会损坏刀具,甚至“闷车”,一般不单纯采用减小前角来断屑。
 
  增大主偏角,可增大切削厚度,易于断屑。例如,同样条件下90°刀就比45°刀容易断屑。另外,增大主偏角,有利于减小加工中的振动。
 
  所以,增大主偏角是一种行之有效的断屑方法。
 
  2、减小切削速度、增大进给量
 
  改变切削用量是断屑的另一措施。
 
  增大切削速度,切屑底层金属变软且切屑变形不充分,不利于断屑;减小切削速度,反而容易断屑。
 
  因此,在车削时,可通过降低主轴转速,减小切削速度来断屑。增大进给量,可增加切削厚度,易于断屑。
 
  这是加工中常采用的一种断屑方法,不过应当注意,随着进给量的增大,工件表面粗糙度值将会明显增大。
 
  光洁度下降,同样圆角的情况下,加大进给光洁度肯定会下降,所以要注意一下工件的光洁度情况。
 
  补充一个计算粗糙度的经验公式:
 

       式中,Ra为粗糙度,f为每齿进给量,r为刀尖圆角半径。
 
  由式中可知,进给量越大,刀尖圆角半径越小,获得的表面粗糙度值越大。
 
  3、开设断屑槽
 
  断屑槽,是指在刀具前刀面上做出的槽。断屑槽的形状、宽度及槽斜角都是影响断屑的因素。
 
  如下图所示,常用的断屑槽有折线形(a)、直线圆弧形(b)、全圆弧形(c)3种槽型。
 

       图中,L为断屑槽宽度,δ为断屑槽角度,r为槽底圆弧半径。
 
  断屑槽宽度,对断屑的影响很大。
 
  一般来讲,槽宽越小,切屑的卷曲半径越小,切屑上的弯曲应力越大,越易折断。所以,采用较小的断屑槽宽对断屑有利。
 
  若断屑槽宽度与进给量基本合适,则可形成C形切屑。如卷屑槽太窄,易产生堵屑现象,而使车刀负荷增加,甚至损坏切削刃。
 
  若卷屑槽太宽,切削卷曲半径太大,则切削变形不够,不易折断,往往不流经槽底而形成不断的带状切屑。
 
  切屑槽的宽度也应与切削深度相适当,否则当槽太窄时,显得切屑宽,不易在槽中卷曲,往往切屑不流经槽底而形成带状切屑。
 
  而当槽太宽时,又显得切屑窄,流动较自由,变形不够充分,也不折断。
 
  为了得到满意的断屑效果,应按具体加工条件,选择合适的断屑槽宽度。对于硬度较低的工件材料,槽应选得窄些,反之,槽应选得宽些。
 
  4、利用断屑器
 
  断屑器有固定式和可调节式两种。
 
  在车刀前刀面上装一个挡屑板,切屑沿刀具的前面流出时,因受挡屑板所阻而弯曲折断。
 
  如下图所示,断屑器的参数Ln和α可按需要设计和调整,以保证在给定的切削条件下,断屑稳定可靠。
 

       5、利用断屑装置
 
  断屑装置类型很多,一般可分为机械式,液压式和电气式等。
 
  断屑装置成本高,但断屑是稳定可靠的,一般只用于自动线上。
 
  车刀上的带有切断器的断屑装置。
 
  车削时,切屑通过导屑通道流出,被不断旋转的盘形切断器强行割断,被割断后的切屑则从排屑道排出。
 
  6、利用工艺手段进行断屑
 
  在工件表面预先开槽的进行断屑:按工件直径大小不同,预先在被加工表面上沿工件轴向开出一条或数条沟槽,其深度略小于切削深度,使切出的切屑形成薄弱截面,从而折断。
 
  这样,既保证了可靠的断屑,又不影响工件已加工表面的粗糙度。即使加工韧性较大的材料时,断屑效果也很好。
 
  但开槽会受工件轮廓形状限制。
 
  7、利用数控机床的数控编程功能
 
  能进行断屑利用数控编程语言、宏程序等完成自动断屑:车削时在连续走刀中停顿或短距离反向走刀,都可起到断屑效果。另外,一些加工中的辅助手段也可促进断屑、排屑。如切削液可以降低切屑的塑性和韧性,也有利于断屑。
 
  提高切削液压力更能促使排屑,深孔加工中,有时就采用这种方法。
 

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