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【創(chuàng)世紀(jì)小百科】卷曲與折斷:揭秘切削加工中的“屑”藝術(shù)

更新時(shí)間:2024-05-27      點(diǎn)擊次數(shù):266
  切削加工正在向高速化、高精度化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。長(zhǎng)而不斷切屑嚴(yán)重影響切削加工過(guò)程的正常進(jìn)行,如何控制切屑形成,使之有規(guī)律地卷曲并折斷是提高車削自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)加工效率的關(guān)鍵。
 
  長(zhǎng)而不斷的切屑將會(huì)纏繞在刀具或工件上,嚴(yán)重影響了自動(dòng)化加工的進(jìn)行,降低工件的已加工表面質(zhì)量,同時(shí)也加劇了刀具的磨損程度,進(jìn)而直接制約了生產(chǎn)效率,并增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。
 
  為保證自動(dòng)化的切削加工正常運(yùn)作,提升設(shè)備的利用率,提高表面加工質(zhì)量自動(dòng)化加工階段的切屑折斷與排出成為高效加工研究的重點(diǎn)問(wèn)題,也是企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)的關(guān)鍵。
 
  切屑折斷的原理
 
  金屬切削過(guò)程中,切屑是否容易折斷,與切屑的變形有直接聯(lián)系。
 
  切削過(guò)程中所形成的切屑,由于經(jīng)過(guò)了比較大的塑性變形,它的硬度將會(huì)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(guò)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。換言之,斷屑的基本原理,就是在“冷作硬化”的基礎(chǔ)上,借助“外力”,實(shí)現(xiàn)斷屑。
 
  常見(jiàn)的切屑類型
 
  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(zhǎng)緊螺卷屑、螺卷屑等,如下圖所示:
 

       種類1 帶狀屑
 
  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(huì)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。
 
  種類2 C形屑
 
  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(méi)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。
 
  切屑高頻率的碰斷和折斷會(huì)影響切削過(guò)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(zhǎng)螺卷屑,使切削過(guò)程比較平穩(wěn)。
 
  種類3 發(fā)條狀卷屑
 
  在重型車床上用大切深、大進(jìn)給量車削鋼件,切屑又寬又厚,若形成C形屑則容易損傷切削刃,甚至?xí)w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)條狀在加工表面上碰撞折斷,并靠其自重墜落。
 
  種類4 長(zhǎng)緊卷屑
 
  長(zhǎng)緊卷屑形成過(guò)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。
 
  種類5 寶塔狀卷屑
 
  數(shù)控加工、機(jī)床或自動(dòng)線加工時(shí),希望得到此形屑,因?yàn)檫@樣的切屑不會(huì)纏繞在刀具和工件上。而且清理也方便。
 
  種類6 崩碎屑
 
  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。
 
  常見(jiàn)的斷屑方法
 
  切屑斷與不斷的根本原因在于切屑形成過(guò)程中的變形和應(yīng)力,當(dāng)切屑處于不穩(wěn)定的變形狀態(tài)或切屑應(yīng)力達(dá)到其強(qiáng)度極限時(shí),就會(huì)斷屑,通常切屑是卷曲后折斷的。
 
  合理選擇刀具幾何角度、切削用量、磨斷屑槽都是常用的斷屑方法。
 
  1、減小前角、增大主偏角
 
  前角和主偏角是對(duì)斷屑影響較大的刀具幾何角度。
 
  減小前角,加劇切屑變形,易于斷屑。由于將前角磨小,會(huì)增大切削力,限制了切削用量的提高,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞刀具,甚至“悶車”,一般不單純采用減小前角來(lái)斷屑。
 
  增大主偏角,可增大切削厚度,易于斷屑。例如,同樣條件下90°刀就比45°刀容易斷屑。另外,增大主偏角,有利于減小加工中的振動(dòng)。
 
  所以,增大主偏角是一種行之有效的斷屑方法。
 
  2、減小切削速度、增大進(jìn)給量
 
  改變切削用量是斷屑的另一措施。
 
  增大切削速度,切屑底層金屬變軟且切屑變形不充分,不利于斷屑;減小切削速度,反而容易斷屑。
 
  因此,在車削時(shí),可通過(guò)降低主軸轉(zhuǎn)速,減小切削速度來(lái)斷屑。增大進(jìn)給量,可增加切削厚度,易于斷屑。
 
  這是加工中常采用的一種斷屑方法,不過(guò)應(yīng)當(dāng)注意,隨著進(jìn)給量的增大,工件表面粗糙度值將會(huì)明顯增大。
 
  光潔度下降,同樣圓角的情況下,加大進(jìn)給光潔度肯定會(huì)下降,所以要注意一下工件的光潔度情況。
 
  補(bǔ)充一個(gè)計(jì)算粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式:
 

       式中,Ra為粗糙度,f為每齒進(jìn)給量,r為刀尖圓角半徑。
 
  由式中可知,進(jìn)給量越大,刀尖圓角半徑越小,獲得的表面粗糙度值越大。
 
  3、開(kāi)設(shè)斷屑槽
 
  斷屑槽,是指在刀具前刀面上做出的槽。斷屑槽的形狀、寬度及槽斜角都是影響斷屑的因素。
 
  如下圖所示,常用的斷屑槽有折線形(a)、直線圓弧形(b)、全圓弧形(c)3種槽型。
 

       圖中,L為斷屑槽寬度,δ為斷屑槽角度,r為槽底圓弧半徑。
 
  斷屑槽寬度,對(duì)斷屑的影響很大。
 
  一般來(lái)講,槽寬越小,切屑的卷曲半徑越小,切屑上的彎曲應(yīng)力越大,越易折斷。所以,采用較小的斷屑槽寬對(duì)斷屑有利。
 
  若斷屑槽寬度與進(jìn)給量基本合適,則可形成C形切屑。如卷屑槽太窄,易產(chǎn)生堵屑現(xiàn)象,而使車刀負(fù)荷增加,甚至損壞切削刃。
 
  若卷屑槽太寬,切削卷曲半徑太大,則切削變形不夠,不易折斷,往往不流經(jīng)槽底而形成不斷的帶狀切屑。
 
  切屑槽的寬度也應(yīng)與切削深度相適當(dāng),否則當(dāng)槽太窄時(shí),顯得切屑寬,不易在槽中卷曲,往往切屑不流經(jīng)槽底而形成帶狀切屑。
 
  而當(dāng)槽太寬時(shí),又顯得切屑窄,流動(dòng)較自由,變形不夠充分,也不折斷。
 
  為了得到滿意的斷屑效果,應(yīng)按具體加工條件,選擇合適的斷屑槽寬度。對(duì)于硬度較低的工件材料,槽應(yīng)選得窄些,反之,槽應(yīng)選得寬些。
 
  4、利用斷屑器
 
  斷屑器有固定式和可調(diào)節(jié)式兩種。
 
  在車刀前刀面上裝一個(gè)擋屑板,切屑沿刀具的前面流出時(shí),因受擋屑板所阻而彎曲折斷。
 
  如下圖所示,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。
 

       5、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(dòng)線上。
 
  車刀上的帶有切斷器的斷屑裝置。
 
  車削時(shí),切屑通過(guò)導(dǎo)屑通道流出,被不斷旋轉(zhuǎn)的盤形切斷器強(qiáng)行割斷,被割斷后的切屑則從排屑道排出。
 
  6、利用工藝手段進(jìn)行斷屑
 
  在工件表面預(yù)先開(kāi)槽的進(jìn)行斷屑: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(kāi)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。
 
  但開(kāi)槽會(huì)受工件輪廓形狀限制。
 
  7、利用數(shù)控機(jī)床的數(shù)控編程功能
 
  能進(jìn)行斷屑利用數(shù)控編程語(yǔ)言、宏程序等完成自動(dòng)斷屑:車削時(shí)在連續(xù)走刀中停頓或短距離反向走刀,都可起到斷屑效果。另外,一些加工中的輔助手段也可促進(jìn)斷屑、排屑。如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排屑,深孔加工中,有時(shí)就采用這種方法。
 

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