張?zhí)煲?，丁艷紅，2，郭文亮，2，宮曉琴

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 引言

304 不銹鋼是一種用途廣泛的不銹鋼，具有優(yōu)秀的可焊接性、耐腐蝕性、高強(qiáng)度和低溫韌性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。但同時(shí)304不銹鋼作為機(jī)加工行業(yè)典型的難切削加工材料，車削時(shí)其切屑難以折斷，易劃傷加工表面，同時(shí)切屑極易飛濺傷人，形成車削加工安全隱患[2，3]。車削時(shí)又易粘刀，熱量傳入工件和切屑的比例小，切削熱集中在前刀面小范圍內(nèi)[4]，影響刀具的耐用度和使用壽命。現(xiàn)有的斷屑方法主要為各式卷屑槽以及各種無動(dòng)力式的斷屑裝置，難以應(yīng)對(duì)切削用量和工件材料頻繁變化場合的斷屑需求。研究針對(duì)304奧氏體不銹鋼的車削斷屑難的加工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有主動(dòng)機(jī)械動(dòng)力的輔助斷屑裝置，在車削過程中打斷冗長切屑。仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，著重研究了主動(dòng)機(jī)械動(dòng)力斷屑器在各參數(shù)下的切屑折斷效果以及對(duì)前刀面最高溫度的改善情況，并尋求優(yōu)化的切削斷屑參數(shù)。

2 斷屑器的設(shè)計(jì)

具有主動(dòng)機(jī)械動(dòng)力的斷屑器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它主要由固定的兩刃外斷屑刀、旋轉(zhuǎn)的兩刃內(nèi)斷屑刀、直流電機(jī)和輔助夾具組成，斷屑器刃口位于前刀面附近，固定斷屑刀的刀槽面向切屑流出方向，在切屑流經(jīng)前刀面進(jìn)入固定斷屑刀的刀槽后通過內(nèi)外斷屑刀的剪切合力使切屑折斷、破碎。

圖1 斷屑器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure Diagram of Chip Breaker

內(nèi)斷屑刀由直流電機(jī)提供動(dòng)力，斷屑器主要參數(shù)為：內(nèi)旋轉(zhuǎn)斷屑刀外徑26mm，壁厚1.5mm，剪切齒數(shù)量2 個(gè)，刀槽尺寸長30mm*高20mm；外固定斷屑刀外徑28mm，壁厚1mm，剪切齒數(shù)量2個(gè)，刀槽尺寸長30mm*高20mm。

3 切屑折斷的理論模型

金屬切削加工可細(xì)分為三個(gè)階段[5-6]：（1）切屑形成階段；（2）切屑流出階段；（3）切屑卷曲階段。文獻(xiàn)[7]開發(fā)了一個(gè)斷屑經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型與刀具的幾何參數(shù)相關(guān)。

根據(jù)Nakayama[8]斷屑模型的研究，切屑折斷極限方程為：

式中：εb—切屑折斷應(yīng)變；

Rul—切屑初始卷曲半徑，mm；

Ruf—切屑折斷時(shí)的卷曲半徑，mm；

Hch—螺旋形切屑軸截面的切削厚度，mm。

切屑在斷屑器作用下卷曲半徑減小、應(yīng)變?cè)龃?、從而折斷[9-10]。研究使用TNMA332車刀，無涂層。車削過程中采用刀具的幾何參數(shù)為γ0=12°，λs=5°，Kr=75°。

4 應(yīng)用斷屑器的仿真和實(shí)驗(yàn)效果

4.1 斷屑器對(duì)切屑形態(tài)和斷屑效果的影響

在相同切削用量、切削時(shí)間下干切削得到的切屑形態(tài)及受力情況，如圖2所示。切屑卷曲成螺旋狀，使用斷屑器輔助切削時(shí)得到的切屑形態(tài)及受力情況，如圖3所示。斷屑器強(qiáng)迫帶動(dòng)切屑運(yùn)動(dòng)，切屑被拉成近似直線形。

圖2 干切削時(shí)切屑形態(tài)及受力分析Fig.2 Chip Form and Force Analysis in Dry Cutting

圖3 斷屑器輔助切削時(shí)切屑形態(tài)及受力分析Fig.3 Chip Form and Force Analysis with Chip Breaker

干切削時(shí)，切屑經(jīng)刀具前刀面摩擦后離開成螺旋卷曲狀，切削過程中切屑還可能和工件表面產(chǎn)生摩擦接觸，瞬時(shí)接觸應(yīng)力可達(dá)800MPa以上，且接觸面積極小，加之切屑表面加工硬化作用，在其高速流出時(shí)會(huì)在工件表面刻劃出痕跡，破壞了工件表面的加工質(zhì)量，造成表面微觀缺陷等。使用斷屑器輔助切削時(shí)，切屑被強(qiáng)迫拉離前刀面，由于斷屑器的剪切作用，在還沒有生成冗長切屑時(shí)就令其折斷，并由刀槽流出掉落在機(jī)床的接屑盤上，避免了冗長的切屑纏繞和劃傷工件問題。

這里研究的實(shí)驗(yàn)和仿真參數(shù)取為四因素三水平，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果數(shù)據(jù)整理為L9（34）正交實(shí)驗(yàn)表，最右側(cè)兩列結(jié)果數(shù)據(jù)中每一列左側(cè)為仿真結(jié)果，右側(cè)為實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)斷屑器齒數(shù)為1時(shí)，工作時(shí)震動(dòng)強(qiáng)烈，斷屑效果不好；齒數(shù)為3時(shí)，斷屑刀刀槽尺寸受限，切屑無法順暢流入斷屑器有效剪切區(qū)域，故研究中斷屑器制作為2齒，斷屑器能夠平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)并得到良好的斷屑效果。304奧氏體不銹鋼在（0～1）s內(nèi)車削時(shí)各切削參數(shù)下干切削和斷屑器輔助切削時(shí)的仿真和實(shí)驗(yàn)斷屑次數(shù)的正交實(shí)驗(yàn)表，如表1所示。

表1 斷屑次數(shù)正交實(shí)驗(yàn)表Tab.1 Orthogonal Test Table of Chip Breaking Times

由正交實(shí)驗(yàn)可以得出：（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果偏差不大，比較吻合；（2）相同切削用量下的車削過程中，使用斷屑器輔助車削時(shí)切屑折斷次數(shù)顯著增加，表明了應(yīng)用斷屑器能夠穩(wěn)定高效地折斷切屑；（3）斷屑器輔助車削斷屑時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)斷屑次數(shù)S主要與斷屑器的轉(zhuǎn)速n相關(guān)，與其他切削參數(shù)無顯著相關(guān)性；（4）干切削時(shí)低頻次切屑折斷原因根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程分析為冗長切屑碰撞、刮擦刀具或工件表面而折斷。

仿真和實(shí)驗(yàn)中單位時(shí)間內(nèi)斷屑次數(shù)S與斷屑器的轉(zhuǎn)速n擬合曲線圖，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較高，表明斷屑次數(shù)S與斷屑器的轉(zhuǎn)速n成近似線性正比關(guān)系。曲線曲率近似表示斷屑器的斷屑效率，在n=6000r/min附近曲率最大，而斷屑器轉(zhuǎn)速n超過7000r/min時(shí)，斷屑次數(shù)隨斷屑器轉(zhuǎn)速的增加并不明顯，分析原因?yàn)閿嘈计鬓D(zhuǎn)速過高時(shí)，處于生長和流動(dòng)過程的切屑沒有能夠在斷屑器旋轉(zhuǎn)一周過程中及時(shí)進(jìn)入斷屑器的有效剪切折斷區(qū)域。故從斷屑效率角度考慮斷屑器轉(zhuǎn)速n為（5000～7000）r/min為宜。

圖4 單位時(shí)間內(nèi)斷屑次數(shù)S與斷屑器的轉(zhuǎn)速n擬合曲線圖Fig.4 Fitting Curve of Chip Breaking Number Per Unit Time and Rotation Speed of Chip Breaker

實(shí)驗(yàn)中304奧氏體不銹鋼在各切削參數(shù)下，干切削和使用斷屑器輔助車削時(shí)的切屑形態(tài)及斷屑效果，如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)用斷屑器輔助切削可以改變切屑形態(tài)并使切屑在外力作用下強(qiáng)制折斷，為304不銹鋼車削的斷屑難問題帶來良好的解決方法。切削用量較小時(shí)切屑折斷穩(wěn)定，切屑形態(tài)規(guī)律；切削用量大時(shí)切屑折斷形態(tài)不規(guī)律，但得到了強(qiáng)制折斷切屑的效果，相同切削用量下，單位時(shí)間內(nèi)切屑折斷次數(shù)S與斷屑器的轉(zhuǎn)速n正相關(guān)，可以調(diào)整斷屑器的轉(zhuǎn)速獲得需要的切屑折斷長度。

表2 實(shí)驗(yàn)獲得的切屑形態(tài)對(duì)比Tab.2 Comparison of Turning Chips Obtained from Experiments

4.2 斷屑器對(duì)前刀面溫度的影響

為研究斷屑器對(duì)車削過程前刀面溫度的影響，設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，在車削（0～0.1）s過程溫度變化的仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，最右側(cè)兩列結(jié)果數(shù)據(jù)中每一列左側(cè)為仿真結(jié)果，右側(cè)為實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，如表3所示。其中仿真使用Deform3D軟件獲得仿真數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中采用手持式紅外溫度攝像儀FLIR TG165獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 車削時(shí)前刀面最高溫度正交實(shí)驗(yàn)表Tab.3 Orthogonal Test Table for the Maximum Temperature of the Rake Face in Turning

實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果基本吻合，在低速切削時(shí)（80m-100m/s）前刀面最高溫度誤差在10%內(nèi)，使用斷屑器輔助切削相較干切削時(shí)前刀面溫度平均降低13.2%；高速切削時(shí)（100-137m/s）前刀面最高溫度誤差在6%內(nèi)，使用斷屑器輔助切削相較干切削時(shí)前刀面溫度平均降低22.4%，切削0.1s時(shí)不同切削用量下前刀面最高溫度與斷屑器轉(zhuǎn)速關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5 前刀面最高溫度與斷屑器轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.5 The Relation between Maximum Temperature of Rake Face and Speed of Chip Breaker

切削速度對(duì)前刀面最高溫度影響較大，斷屑器轉(zhuǎn)速對(duì)前刀面最高溫度影響較小，切削用量小時(shí)（如圖5中曲線A所示），前刀面最高溫度受斷屑器轉(zhuǎn)速影響規(guī)律不顯著，一般切削用量下（如圖5中曲線B、C、D所示），前刀面最高溫度隨斷屑器轉(zhuǎn)速的升高略有降低，幅度很小。相同進(jìn)給量f、背吃刀量ɑp和斷屑器轉(zhuǎn)速n下（如圖5中曲線B、C所示），前刀面最高溫度在切削速度提高時(shí)隨之升高，但結(jié)合表3正交實(shí)驗(yàn)說明隨切削速度的上升，使用斷屑器輔助切削相較干切削時(shí)對(duì)前刀面最高溫度的改善效果更為明顯。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用斷屑器輔助切削時(shí)，在各切削參數(shù)下，前刀面最高溫度有約（10～25）%不同程度的降低，尤其在切削用量較大時(shí)應(yīng)用斷屑器輔助切削能夠更大程度降低車削時(shí)前刀面的最高溫度。通過差值方法可以得到其他切削參數(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)值，在切削速度vc=137m/s，進(jìn)給量f=0.3mm/r，背吃刀量ɑp=0.5mm，斷屑器轉(zhuǎn)速n=9000r/min 時(shí)使用斷屑器輔助車削時(shí)相較于干切削對(duì)前刀面最高溫度影響最大，著重對(duì)此參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在上述切削參數(shù)切削時(shí)（0～0.2）s過程中前刀面最高溫度變化曲線，如圖6所示。

圖6 相同切削用量斷屑器輔助切削和干切削對(duì)前刀面溫度升高過程對(duì)比Fig.6 Contrast of Temperature Rise on Rake Face between Chip Breaker Assisted Cutting and Dry Cutting under Same Cutting Parameters

考慮到斷屑器轉(zhuǎn)速從6000r/min升至9000r/min對(duì)前刀面溫度改善作用比較微弱，綜合考慮取得良好斷屑效果和節(jié)省能源，得出優(yōu)化的切削參數(shù)，即切削速度vc=137m/s，進(jìn)給量f=0.3mm/r，背吃刀量ɑp=0.5mm，斷屑器轉(zhuǎn)速n=6000r/min。此切削參數(shù)下，使用斷屑器輔助切削對(duì)前刀面最高溫度的改善相作用相較于干切削可達(dá)（16.98～24.05）%，可在相同的切削用量條件下有效地提高刀具耐用度，減少了更換刀具的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本。

5 結(jié)論

（1）應(yīng)用主動(dòng)機(jī)械動(dòng)力斷屑器可以穩(wěn)定可靠地折斷304奧氏體不銹鋼的切屑，避免了切屑劃傷加工表面、切屑飛濺傷人以及切屑纏繞造成車床停車的問題，提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)加工環(huán)境的安全性。同時(shí)應(yīng)用主動(dòng)機(jī)械動(dòng)力斷屑器輔助切削有效地降低了刀具前刀面切削時(shí)切削區(qū)域的最高溫度，從而使刀具在和干切削同等切削參數(shù)下的壽命得以提升。

（2）應(yīng)用主動(dòng)機(jī)械動(dòng)力斷屑器輔助切削相較于干切削，車削過程中斷屑效果顯著，相同切削用量下，單位時(shí)間內(nèi)切屑折斷次數(shù)S與斷屑器的轉(zhuǎn)速n正相關(guān)，考慮到斷屑效率和節(jié)省能源，切屑折斷為適合長度即可，故斷屑器的轉(zhuǎn)速n應(yīng)與車削速度vc相匹配，如車削速度vc=80m-100/s 時(shí)，斷屑器的轉(zhuǎn)速n?。?000～6000）r/min 為宜；車削速度vc=（100～137）m/s 時(shí)，斷屑器的轉(zhuǎn)速n?。?000～7000）r/min為宜。

（3）應(yīng)用主動(dòng)機(jī)械動(dòng)力斷屑器輔助切削相較于干切削，在車削速度vc=137m/s，進(jìn)給量f=0.3mm/r，背吃刀量ɑp=0.5mm 時(shí)對(duì)前刀面最高溫度降低得最明顯，配合斷屑效果較優(yōu)時(shí)斷屑器轉(zhuǎn)速n=6000r/min，使用斷屑器輔助切削后能夠在與干切削設(shè)定相同刀具耐用度條件下，提高車削速度vc，從而提高生產(chǎn)效率和降低工件已加工表面粗糙度，或者在相同的切削用量下，使用斷屑器輔助車削相較干切削能夠提升刀具的耐用度。

（4）為提高斷屑效率，主動(dòng)機(jī)械動(dòng)力斷屑器在滿足斷屑強(qiáng)度的要求下，應(yīng)增大斷屑器的刀槽寬度，使相同時(shí)間內(nèi)流動(dòng)生長的切屑更易進(jìn)入斷屑器的有效剪切折斷區(qū)域內(nèi)。