一文搞定刀具断屑带来的苦恼

 
刀具断屑可靠与否，对正常生产与操作者安全都有着重大影响。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，所以在设计、选用或刃磨刀具时，必须考虑刀具断屑的可靠性。而对于数控机床(加工中心)等，并应满足下列要求：
 
切屑不得缠绕在刀具、工件及其相邻的工具、装备上；
切屑不得飞溅，以保证操作者与观察者的安全；
精加工时，切屑不可划伤工件的已加工表面，影响已加工表面的质量；
保证刀具预定的耐用度，不能过早磨损并竭力防止其破损；
切屑流出时，不妨碍切削液的喷注；
切屑不会划伤机床导轨或其他部件等。
 
在满足上述要求的基础上，不同刀具对切屑长度还有不同要求。例如一般粗车钢料的最大切屑长度为100mm左右；精车则应稍长。要避免过于细碎的切屑，因为它容易嵌入机床导轨和刀具装置的一些重要部位（如基准面），这样不仅需要附加防护装置，还给清除切屑带来一定的困难。
 
对于某些不易断屑的刀具，如成形车刀、切槽车刀和切断车刀等，在数控机床（加工中心）等自动化机床上，应保证其稳定的卷屑。
 
一、切屑形状的分类
 
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。
 
　　（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。但有时也希望得到带状屑，以使切屑能顺利排出。例如在立式镗床上镗盲孔时。
 
　　（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。
 
　　（3）发条状卷屑：在重型车床上用大切深、大进给量车削钢件进，切屑又宽又厚，若形成C形屑则容易损伤切削刃，基至会飞崩伤人。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。
 
　　( 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。
 
　　( 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。
 
　　( 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。
 
二、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，所以研究切屑折断原理必须从研究切屑变形的规律入手。
 
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。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，以降低它的塑性和韧性，便于达到断屑的目的。
 
切屑的变形可以由两部分组成：
 
第一部分是切削过程中所形成的，我们称之为基本变形。用平前刀面车刀自由切削时所测得的切屑变形，比较接近于基本变形的数值。影响基本变形的主要因素有刀具前角、负倒棱、切削速度三项。前角越小，负倒棱越宽、切削速度越低，则切屑的变形越大，越有利于断屑。所以，减小前角、加宽负倒棱，降低切削速度可作为促进断屑的措施。
 
第二部分是切屑在流动和卷曲过程中所受的变形，我们称之为附加变形。因为在大多数情况下，仅有切削过程中的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。
 
三、断屑槽对断（卷）屑的影响
 
断屑槽不仅对切屑起着附加变形的作用，而且对切屑的形状和切屑的折断有着重要的影响。在切削加工中，人们就是利用断屑槽的不同形状、尺寸及断屑槽与主切削刃的倾斜角，来实现控制切屑的卷曲与折断。为了更好地认识和掌握这些规律，我们就具体分析一下断屑槽的形状、尺寸及断屑槽与主切削刃的倾斜角度对切屑形状与切屑折断的影响。
 
（一）断屑槽的形状
 
断屑槽的形状有直线圆弧型，直线型和全圆弧型三种
 
　　1、直线圆弧型断屑槽由一段直线和一段圆弧连接而成。直线部分构成刀具的前刀面，槽底圆弧半径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。在中等切深下(切深ap=2～6mm )，一般可选Rn =( 0.4～0.7 ) B ,B为断屑槽的宽度。
 
　　2、直线型断屑槽由两段直线相交而成，其槽底角为180°-σ（σ称为断屑台楔角），槽底角（180°-σ）代替了圆弧Rn的作用。槽底角小，则切屑的卷曲半径小，切屑变形大；槽底角大，则切屑的卷曲半径大切屑变形小。在中等切深下，断屑台楔角一般选用60°～70°。
 
　　上述两种形状断屑槽适用于加工碳素钢与合金结构钢，一般前角在γ。在5-15°范围内。
 
　　3、全圆弧型断屑槽的主要参数槽宽B、槽底圆弧半径Rn和前角.γ。之间的关系为：
 
　　当切削紫铜、不锈钢等高塑性材料时，常选用全圆弧型断屑槽。因为加工高塑性材料时，刀具前角选得比较大（γ0=25°-30°）同样大的前角，全圆弧断屑槽刀具的切削刃比较坚固，另外槽也较浅，便于流屑，故比较实用
 
（二）断屑槽的宽度
 
断屑槽宽度B与进给量f、切削深度ap有关，当进给量f增大时，切削厚度增大，断屑槽的宽度应相应加宽；切削深度大,槽也应适当加宽。
 
固定不变，断屑槽宽度B 的变化对切屑卷曲和变形的影响。是槽宽与进给量基本适应，切屑经卷曲变形后碰撞折断成C形；是槽不够宽，切屑卷曲半径小，变形大，碰撞后折断成短C形或形成崩碎小片；则是槽太窄了，切屑挤成小卷堵塞在槽中很难流出来，造成憋屑甚至会打坏切削刃；则是槽太宽了，切屑卷曲半径太大，变形不够．不易折断．有时甚至不流经槽底而自由形成带状屑。
 
如果用进给量初选断屑槽的宽度，粗略地说，对于切削中碳钢，宽度B与进给量f的关系约为B=10f；而切削合金钢时，为增大切屑变形，可取B＝7f。断屑槽的宽度B也应与切削深度ap 相适应。一般也可以粗略地依据ap来选择槽宽B ，当ap大时，B也应当大些；而ap小，则B应适当减小。因为当切深大而槽太窄时，切屑宽，不易在槽中卷曲，这样，切屑往往不流入槽底而自行形成带状屑；当切深小而槽太宽时，切屑窄，流动比较自由，变形不够充分，也不易折断。
 
（三）断屑槽与主切削刃的倾斜角
 
断屑槽与主切削刃的倾斜方式常用的有外斜式、平行式、和内斜式三种
 
　　1 、外斜式见图
 
外斜式的断屑槽，前宽后窄，前深后浅。外斜式断屑槽的切屑卷曲变形大，如图11所示，在靠近工件外圆表面A 处的切削速度最高而槽窄，切屑最先受阻而卷曲，且卷曲半径小，变形大；而在刀尖B 处，切削速度低而槽宽，切屑最后以较大卷曲半径卷曲，这就会产生一个力，使切屑翻转到后刀面或待加工表面上，经碰撞后折断而形成C形屑。
 
这种形式的断屑槽。在中等切深时断屑范围较宽，断屑效果稳定可靠，生产中应用较为广泛。倾斜角τ的数值主要按工件材料确定，一般切削中碳钢时，取τ=8°-10°切削合金钢时，为增大切屑变形，取τ=10°-15°. 但在大切深时，由于靠近工件外圆表面A处断屑槽宽度太小，切屑容易阻塞，甚至切屑打坏切削刃，所以一般多改用平行式。
 
　　2、平行式
 
　　平行式断屑槽的切屑变形不如外斜式大，切屑大多是碰在工件加工表面上折断。切屑中碳钢时，平行式断屑槽的断屑效果与外斜式基本相仿，但进给量应略加大一些，以增大切屑的附加卷曲变形。
 
　　3、内斜式
 
内斜式断屑槽在工件外圆表面A 处最宽．而在刀尖B处最窄。所以切屑常常是在B处先卷曲成小卷，而在A处则卷成大卷。当主切削刃的刃倾角取成3°-5°时，切屑容易形成连续的长紧卷屑。内斜式断屑槽与主切削刃的倾斜角一般取τ=8°-10°，内斜式断屑槽形成长紧卷屑的切削用量范围相当窄，所以它在生产中应用不如外斜式和平行式普遍，主要是应用于精车或半精车。
 
四、几种常用的断屑方法
 
（一）利用断屑槽：
 
如前所述，断屑槽不仅对切屑起附加变形的作用．而且还能实现控制切屑的卷曲与折断。只要断屑槽的形状、尺寸及断屑槽与主切削刃的倾斜角合适，断屑则是可靠的。不论是焊接式刀具还是机夹式刀具，是重磨式刀具还是不重磨式刀具都可采用。
 
为了适用不同的切削用量范围。硬质合金可转位刀片上压制有多种形状及不同尺寸的断屑槽，便于选用，这样既经济又简便。这种方法是切削加工中应首选的方法，也是应用最广泛的方法。
 
不足之处是刀具合理几何参数的确定，受到断屑要求的牵制
 
（二）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1，切屑沿刀具的前面流出时，因受挡屑板1所阻而弯曲折断。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。松开螺钉3, 在弹簧4的作用下，可使挡屑板1和压板2一起抬起，便于挡屑板调整和刀片的快速转位与更换。这种断屑器常用于大、中型机床的刀具上。
 
（三）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。车削时，切屑通过导屑通道2流出，被不断旋转的盘形切断器3强行割断，被割断后的切屑则从排屑道6排出。切断器是由传动轴4带动的。为车刀。
 
 （四）利用在工件表面上的预先开槽的方法：
 
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。例如在精镗韧性较大的工件材料(如40Cr等)时，在用其他方法很难断屑时，则可在被加工表面上拉削出纵向沟槽，再进行镗削。采用这种方法能显出其独特的优点。
 
（五）改变刀具几何参数和调整切削用量
 
由前面所述的切屑折断原理可知，减小刀具前角；增大主偏角；在主切削刃上磨出负倒棱；降低切削速度；加大进给量以及改变主切削刃形状等都能促使切屑折断。但是，采取这些方法断屑，常会带来一些不良后果，如生产率下降，工件表面质量恶化、切削力增大等，这种方法，在自动线上很少采用，有时只作为断屑的辅助手段。
 
此外，采用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切屑折断，孔加工中，有时就采用这种方法。