新型圆弧角回转断屑器设计与切屑折断实用预报公式的建立
新型圆弧角回转断屑器设计与切屑折断实用预报公式的建立
唐伟 顾立志
华侨大学机电及自动化学院 泉州 福建 362021
摘要：依据断屑原理，研究和设计一种新型圆弧角回转断屑器。该断屑器在整体上呈圆台状，在锥面上均匀设置了圆弧角。结合压板，断屑器实现断屑可靠、断屑范围宽、操作简便、使用寿命长等功效。同时推导出在该装置下的切屑过销钉的回转轴线与切屑流速方向所形成的剖面内的折断和切屑沿回转断屑器回转折断两种极限情况的切屑折断实用预报公式；进行了两种极限情况的断屑试验，试验研究结果验证了该断屑器的有效性。
关键词：新型断屑器，设计，切屑，预报公式，折断
中图分类号：TG5
Design of New Arc Angle Rotary Chip Breaker and
Establishment of Practical Predicting Formula of Chip Fracture
Tang Wei Gulizhi
College of Mechanical Engineering and Automation, Huaqiao University, Quanzhou Fujian, 362021
Abstract: Based on the chip breaking theory, researched and designed a new arc-angle rotary chip breaker. The chip-breaker on the whole was in the shape of Taiwan-round with arc angles uniformly distributed on the tapered surface. Together with the heel, the new chip breaker worked well with high reliability, wider breaking range, easy operation, and long endurance. Derived the practically predicting formula of the chip breakage on the two extreme situations, the chip broken in the plane composed of the pin axis and the direction of chip movement, and the chip broken when it went off the tool round the breaker. Accordingly the chip breakage investigation was done for the two situations, and experiment results showed that the chip breaker performed effectively.
Key words: Chip beaker of the new type, Design, Chip, Predicting Formula, Breakage
0 前言
切屑控制是金属切削加工生产中亟需研究解决的重要问题。不良的断屑影响已加工零件的表面质量，损坏机床和刀具，增加辅助工时和影响生产率，使自动化生产线不能正常运转，甚至影响操作者的安全。随着虚拟制造系统(VM)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)和集成制造系统(CIMS)的发展，切屑控制问题变得更加重要。下面探索和研究一种新型圆弧角断屑装置，它将有助于解决这迫在眉睫的问题。
同时,实用切屑折断预报公式的推出，有利于加工
_________________
国务院侨务办公室自然科学基金资助项目，06QZR06
过程中及时调整切削用量，特别是调整进给量，可以有效地保证加工质量，节约加工时间，提高加工效率，这对机械加工至关重要。
1新型断屑器断屑原理及功能
1.1断屑原理
刀具切入工件时，切削层经车刀作用在剪切面发生弹塑性滑移变形成为切屑。切屑折断会出现两种情况，自然卷断和在外部强制措施如卷屑槽、断屑器等的作用下卷断。但自然卷断经常不能达到理想的效果，有必要 附加断屑装置。
下面探索和研究一种新型圆弧角 回转断屑装置（如图1），图1新型圆弧角回转断屑装置剖面图，在刀杆1内的销钉2上装有切削刀片4和支承刀片3，以及在销钉安装上带圆弧角的回转断屑器5 。断屑器是一个带倾斜工作表面的45Mn硬质合金圆盘，在其工作表面上加工出圆弧角凹槽6，刀片的夹紧部件包括压板7、弹簧9和螺钉8，压板压紧在销钉的端上[1]。
图1新型圆弧角回转断屑装置
刀杆 2-销钉 3-支撑刀片 4-切削刀片 5-断屑器 6-圆弧角凹槽7-压板 8-螺钉 9-弹簧
下面对其工作过程和原理进行分析。随着切屑沿着车刀的前刀面的不断流出，切屑将碰到新型圆弧角回转断屑器，此时将会出现多种运动情况和多种折断情况，但主要可以分为两种情况：第一种情况是类似于常见的倾斜断屑台情况，属于比较常见的类型，切屑流屑角较大时, 继续流出的切屑使其卷曲半径加大, 最终折断形成C 形切屑或弧片形切屑，随后与断屑器发生作用，在断屑器上引起的切向力迫使其回转，同时圆弧角凹槽可以起到了引导断屑和使切屑再次变形的作用；第二种情况是切屑经过断屑器和压板所形成的环路的情况，切屑沿着前刀面不断流出，切屑先与回转断屑器发生相切，随后进入断屑器和压板形成的引导区，最后切屑与压板发生相互作用卷曲且以回转断屑器的轴线为中心卷曲流出，并在流出后发生折断。此时圆弧角可以起到使切屑顺畅通过的作用，防止通路堵塞。此外还可以根据机械生产加工的实际情况，调节断屑器尺寸。同时采用这种新型圆弧角回转断屑器，切削刀片由于压板、弹簧、螺钉的夹紧作用受到的冲击或振动小，销钉上部的磨损不大，断屑效果好。
1.2新型圆弧角回转断屑器的功能
切屑呈带状流出，速度快而且温度高，影响操作者的安全，需及时加以解决。新型圆弧角断屑器（如图2）正好起到了及时断屑的功能。它不仅保证了操作者的安全，而且保证了加工质量，使得后续工艺得以顺利进行。
图2新型圆弧角断屑器
该断屑器主要起到了两种典型的断屑方式和功能：一种是类似于常见的倾斜断屑台情况，属于比较常见的类型，切屑在断屑器上引起的切向力迫使其回转，同时圆弧角凹槽起到了引导断屑和使切屑发生二次变形的作用。另一种是切屑沿前刀面不断流出，先与回转断屑器发生相切，随后进入断屑器和压板形成的引导区，最后切屑与压板发生相互作用卷曲且以回转断屑器的轴线为中心卷曲流出，并在流出后发生折断。断屑器的其它断屑方式将处于两者之间。新型回转断屑器起到了一石数鸟的功效，可以适应多种切屑的种类和形状，有效地提高断屑效率和加工质量，在机械加工过程中特别是在半精加工和精加工过程中具有举足轻重的地位。此外，由于该断屑器的回转结构，当断屑器磨损后，只需绕断屑器中心线转过一定角度即可继续使用。
2新型圆弧角断屑器的设计
2.1新型圆弧角断屑器结构的确定
断屑槽容易降低切削刀片的强度，在切削时引起刀片较大振动，从而加速车刀的磨损，降低加工质量。此外，若切削用量和断屑槽的形状选择不当，则在刀片上会出现积屑瘤，从而降低刀片的切削效果，急剧降低断屑的稳定性。基于上述原因，本文采用附加断屑器断屑。
常见的附加断屑器通常有斜面断屑台、凸曲面断屑台、凹曲面断屑台，以及三者之间的组合。但上述断屑台大都只能实现一种方式断屑，适应的范围受到较大的限制。基于上述原因，本文构想并设计一种新型圆弧角回转断屑器，它既可以实现上述断屑台的断屑，还可以使切屑绕回转断屑器的轴线回转变形而断屑。考虑到制造的工艺性，断屑器采用带斜面的锥圆台，同时在锥圆台的上部外缘加工出圆弧角凹槽，圆弧角凹槽的设计既可以使引导切屑的回转方向，又可以使切屑发生二次变形，进一步有利于切屑的折断。此外，配上带圆弧的压板，还可以实现切屑绕回转断屑器的轴线回转变形折断，从而获得两种典型的断屑方式。由于断屑器的轴对称结构，在断屑器磨损后，只需要将其转过一定角度即可进行下一次断屑。而回转断屑器的对称结构，又使其具有很好的加工工艺性，且使用寿命长。
2.2新型圆弧角断屑器尺寸的确定
为确定新型圆弧角断屑器的尺寸，下面先探讨和研究切屑的断屑形式和受力分析。
2.2.1切屑断屑形式和受力分析
先考察切屑的断屑过程，可分为两种典型情况，而其他断屑情况介于两者之间。第一种是切屑从断屑槽内流出时, 切屑末端抵着刀具后刀面或受阻于工件,而使卷屑半径不断增大,因而在环的内侧出现张应力, 切屑在张应力最大处折断，如图3和图4中虚线所示[2]。第二种是切屑沿前刀面连续流出，首先与断屑器发生相切，随后进入断屑器和压板的引导区，在压板的作用下绕回转断屑器的轴线进行回转，随着卷屑半径的不断增大，在环的内侧出现张力，切屑在张应力最大处折断，如图5。
图3切屑碰在工件上折断
图4 切屑碰在后刀面折断
图5切屑绕断屑器轴线回转折断
受力分析。切削时切削层及其加工表面产生弹性和朔性变形，工件、切屑与刀具及断屑器之间存在变形抗力和相对运动引起的摩擦力。作用在刀具和断屑器上的力由两部分组成部成（如图6）:（1）作用在前、后刀面上的变形抗力、和在断屑器上的变形抗力，（2）作用在前后刀面的摩擦力、和在断屑器上的摩擦力。
图6 作用在刀具和断屑器上的切削合力
下面将理论切削合力计算公式加上一个调整系数，并通过试验加以测定的来计算切削合力[3]：
（1）
其中主车削力， 是背向力， 是进给力。计算出合力后，只要根据图 6 进行分解就可以了。
2.2．2断屑器尺寸的确定
断屑器选用45，并采用调质处理，硬度为。根据多次初步试验和上述受力分析，圆弧角回转断屑器承受的力一般在左右，其回转结构本身方面和材料及调质处理可以其保证强度和刚度。而影响切屑折断效果最重要的因素是断屑器的尺寸，其次是车削时的切削用量。
下面主要考虑断屑器的尺寸的确定。由于断屑的尺寸与可转位刀片的选择有密切的关系。首先研究一下可转位切削刀片，粗车时应选较大尺寸，精、半精车时应选较小尺寸，同时车削中可转位刀片主要有三种典型的种类:三角形可转位刀片，菱形可转位刀片，圆形可转位刀片，如图 7 所示。
A三角形可转位刀片
B圆形可转位刀片
C菱形可转位刀片
图7三种典型的可转位刀片
本文选用菱形可转位刀片进行设计，材料为，它适合碳钢和合金钢加工的连续半精车及精车[5]。由于是半精加工和精加工，宜采用刀尖角较小的刀片，刀片厚度在满足强度的条件下尽量取较小值，综合上述因素，选择其型号为CCMW190624，具体尺寸如图 所示如图[4]：
图8 圆形可转位刀片CCMW190624
根据多次初步试验，在断屑器中的尺寸中倾角对切屑的折断效果尤为明显，断屑器的最大直径次之，高度最小。下面对该断屑器倾角的大小加以重点探讨和研究。
图9过切削速度方向和断屑器回转轴线形成的剖面内的断屑
根据图9，卷曲半径随断屑器的值变化之改变，当增加时，卷曲半径值减小，切屑易于折断，当值减小时，值增大，故切屑不易折断，断屑范围减小。但过大，切屑流动不够顺畅，且造成的冲击力大，对断屑质量特别是粗糙度产生不利影响，同时卷曲半径的大小又与切削用量、刀具参数、材料有关。综合考虑各主要因素，下面进行定量分析。
根据图9和折断判定定理可以推出折断实用预报公式（2），该公式的详细推导过程将在第3部分给出。
（2）
式（2）中 为前刀面和切屑的接触长度， 和为断屑器和前刀面的调整几何参数，为刀具前角， 为系数， 为切削进给量，为主偏角，为切削比，即切削厚度与切屑厚度之比，为切屑内部产生的应变，为切屑的断裂应变。
下面在选择可转位刀片CCMW190624和半精车及精车车削45号钢的条件下确定相关参数，对进行估算。通过查表和初步试验可得：
车削碳素合金钢，取系数为；半精车和精车的切削比，取；主偏角，取；前角减小时，切屑变形加剧，容易折断，但影响切屑的顺畅流出，用硬质合金车刀半精车和精车钢件时，前角一般取,在这取。前刀面和切屑的接触长度一般为，取，半精加工和精加工车削时进給量，由于进给量增大，切屑卷曲半径增大，切屑易折断，取 ；切削刃离断屑器的边缘应有一定的距离，取；碳素合金钢：取[5]。简化式（2）并代入相关数值，可得。
断屑器最大直径的 确定。由于菱形可转位刀片和回转断屑器同轴，易知：
（3）
式（3）中是菱形可转位刀片的棱长，，是切削刃离断屑器的边缘的距离，通常取。将上述参数代入式（3），得。
断屑器高度的确定。由图9，断屑器的高度可以由式（4）近似确定
（4）
将，，，代入式（4），得。
断屑器孔径设计。由于断屑器和圆形可转位刀片都用同一销钉连接，并考虑过渡配合拆装方便，销钉和圆形可转位刀片采用过渡联接；而断屑器需要固定，因此断屑器与销钉采用过盈连接，并采用（基轴制），可以取。
圆弧角凹槽直径的确定。考虑到断屑器的几何形状和尺寸及工艺性，将圆弧角凹槽曲面设计为球面的一部分，球心至断屑器回转轴线的距离是，距断屑器下底面的距离是，球的直径是，并在断屑器的圆周上均匀布置4个圆弧角凹槽。可知：
（5）
根据极限、公差和配合原则，公差等级选择，分别确定各尺寸的公差。断屑器与销钉采用过盈联接，（基轴制）[6]。材料调质处理，硬度为。其工程图如图 10所示。
图10新型圆弧角断屑器工程图
由于压板的圆弧半径与切屑绕断屑器回转轴线折断的效果密切相关。最后简要探讨和研究一下压板的圆弧半径的确定，压板如图11所示。
图11压板
压板采用优质碳素45号钢，由于压板的圆弧和断屑器的圆弧同心，压板圆弧半径可由式（6）估算得到。
（6）
式（6）中是断屑器的最大直径，是压板的圆弧到断屑器底面圆弧的距离。在式（3）已计算出，只要对进行确定就可以了。切屑的背吃刀量一般在，所以可以取，代入式（6），可得。
3切屑折断实用预报公式的推导和试验
3.1实用预报公式的推导
下面运用等效和简化原理,将复杂的三维断屑过程简化为二维断屑过程，分析三维回转断屑器对切屑的约束作用和折断作用。断屑过程中可能出现多种断屑情况，本文着重分析两种典型的极限情况： 第一种是过销钉的回转轴线与切屑流速方向所形成的剖面内的切屑的折断；第二种极限情况是沿前刀面进行剖切，切屑沿回转断屑器回转折断的情况，其余的断屑情况将处于这两者之间。
3.1.1 第一种极限情况的折断实用预报公式的推导
下面具体分析第一种情况，即过销钉的回转轴线与切屑流速方向所形成的剖面内的切屑的折断。在此种情况下，如图9所示，切屑的卷曲半径可以通过几何关系估算出来，可以得到
（7）
式（7）中为切屑的外缘卷曲半径，为前刀面和切屑的接触长度， 和为断屑器和前刀面的调整几何参数，为刀具前角[7]。
根据切屑折断标准，当切屑表面上的应变达到切屑材料的极限应变时，切屑便能被折断。折断的数学表达式[8]：
（8）
式（8）中为切屑的断裂应变，为切屑厚度，为系数，为切屑剖面的中性轴到粗糙面的距离， Rc为切屑的外缘卷曲半径，为切屑材料的极限应变。当时，切屑折断，反之不折断。
而切屑厚度可由下面的式子得出
(9)
式（9）中为切削进给量，为主偏角，为切削比。通过上述的三个公式，即公式（7）、（8）和（9），推出第一种极限情况的折断实用预报公式（1）。
（10）
下面在车削半精车及精车45号钢的前提下，重点研究与、的关系。通过查表和初步选定：，，，经过对式（10）得简化和变换，可以得到更具体的折断实用预报公式。
令，得到极限进给量和的关系：
（11）
令，得到极限进给量和的关系：
（12）
3.1.2第二种极限情况的折断实用预报公式的推导
第二种极限情况是切屑沿回转断屑器回转折断的情况。图12是在断屑器上切屑绕断屑器回转轴线回转折断沿前刀面的剖视图。
图12切屑绕断屑器回转轴线回转折断
利用Colwell法则[9]，即切屑的流出方向近似地等于主刀刃与待加工表面的交点a和副刀刃与已加工表面交点b的之间连线的法线方向，见图12。该连线可近似地看作是切屑根部的横截面方向。在此种情况下，切屑的卷曲半径可以通过几何关系估算出来。
其计算公式为:
(13)
为切屑的外缘卷曲半径，B是切屑外缘与切削刃的交点和切屑与挡块的接触点之间的水平距离，H是前两点之间的宽度距离。根据折断标准，当切屑表面上的应变达到切屑材料的极限应变时，一经过弯曲切屑便能被折断。折断判定的数学表达式
(14)
将式（9）和（13）代入（14），可得到此种极限情况总的实用预报公式。
（15）
各参数意义同上。
下面在车削半精车及精车45号钢的前提下，重点研究与、的关系。通过查表和初步选定：， ，。经过对式（15）得简化和变换，可以得到更具体的折断实用预报公式。
令，得到极限进给量和的关系：
（16）
令，得到极限进给量和的关系：
(17)
下面简要分析该断屑装置中的其他情况，显然，上述两种情况是切屑折断的两个极值点，其他所有的情况都将处于这两者之间，需要时同样可以建立相应的几何关系，测得相应的数据，根据折断标准，建立相应的切屑折断实用预报公式，对切屑的折断进行有关的预测，同时可以调整刀具和相应的切屑用量及调整断屑器的相关位置，从而实现更快、更好的切削。
3.2新型圆弧角回转断屑器断屑试验研究
3.2.1试验方法及条件
试验对圆棒料进行外圆纵向切削和半精加工及精加工。试验材料：45号钢；试验用刀具：可转位刀片，刀具材料：YT15，型号：CCMW190624；前角 ；刃倾角；试验用机床：CA6140；切削用量：本试验中切削速度为；背吃刀量为，进给量为。参数、、和的调整范围如表1所示，试验过程中同过增加垫片的方法达到所需要的参数值[10]。
表1各参数调整范围
通过调整参数，得出相应的折断点，并将这些点拟合成光滑的曲线，从而得出极限进给量与参数、、和的规律，进一步证明理论分析的正确性，验证了断屑器的有效性，并为切削参数的合理选择和断屑器的进一步优化提供重要的参考依据。
3.2.2第一种极限情况的试验研究
即切屑过销钉的回转轴线与切屑流速方向所形成的剖面内的切屑的折断，如图 9 所示。
首先试验极限进给量与的关系。根据式（11）、表1和试验测定，其理论函数关系和实际试验情况如图13所示：
图 13 极限进给量与的理论函数关系和试验值
通过试验曲线可以看出，极限进给量从整体上来说随着参数的增加而增加。这与理论分析大致吻合，同时也证明了理论分析的正确性。而车削中进给量的增大可使刀屑接触长度增大,同时刀- 屑接触长度的增大还可以使副刀刃参加切削的比例增大,易于产生强烈的卷曲,上述影响都将使切屑易于折断；也就是说在车削中随着的增加，切屑变得难折断。因此，车削中应尽量选用较小的，这样有利于降低极限进给量，可以提高车削效率。
当，极限进给量与理论函数关系和实际试验如图14：
图14 极限进给量与理论函数关系和试验值
极限进给量从整体上来说随着参数的增加而减小，证明了理论分析的正确性。而在车削过程中，进给量的增加有利于切屑的折断；也就是说车削中随着的增加，切屑变得易折断。因此，车削中应尽量选用较大的，可以有利于降低极限进给量，提高车削效率。
3.2.3第二种极限情况的试验研究
第二种极限情况是切屑沿回转断屑器回转折断的情况。图12是断屑器上切屑折断的第二种极限情况沿前刀面的剖视图。
首先研究与的关系。根据式（16）、表1和试验测定，其理论函数关系和实际试验情况如图15
图15 极限进给量与理论函数关系和试验值
通过实测曲线可以看出，极限进给量从整体上来说随着参数的增加而增加。这与理论分析大致吻合，同时也证明了理论分析的正确性。而在车削过程中，进给量的增加有利于切屑的折断；也就是说在车削中随着的增加，切屑变得难折断。因此，车削中应尽量选用较小的，这样有利于降低极限进给量，提高车削效率。
当，其理论函数关系和实际试验情况如图16所示：
图16极限进给量与理论函数关系和试验值
极限进给量随着参数的增加而减小，证明了理论分析的正确性。而在车削过程中，进给量的增加有利于切屑的折断；也就是说车削中随着的增加，切屑变得易折断。因此，车削中应尽量选用较大的，有利于降低极限进给量，提高车削效率。
综上所述，可以得到极限进给量与、、和总的关系。随着和的增大，极限进给量逐渐增大；随着和的增大，极限进给量逐渐减小。因此，车削过程中应选用较小的和及较大的和，有利于降低极限进给量，提高车削效率。同理可研究切削速度和背吃刀量与、、和的关系。
4 结论
新型圆弧角断屑器，尺寸适中，工艺性好；其回转式结构实现了两种断屑典型的断屑方式：一种是类似于常见的倾斜断屑台情况，属于比较常见的类型，切屑在断屑器上引起的切向力迫使其回转，圆弧角凹槽起到了引导断屑和使切屑发生二次变形的作用；另一种是切屑先与回转断屑器发生相切，随后进入断屑器和压板形成的引导区，最后切屑与压板发生相互作用卷曲且以回转断屑器的轴线为中心流出，并在流出后发生折断，其它的断屑方式将处于两者之间。
理论推导出的切屑折断实用预报公式与试验结果比较吻合，试验结果表明，随着和的增大，极限进给量逐渐增大；随着和的增大，极限进给量逐渐减小，这与理论相符合。车削过程中宜选用较小的和，较大的和，有利于降低极限进给量，提高车削效率。通过试验表明该断屑器可以适应较广的切削用量，有效地提高断屑效率和加工质量。在小进给量和小背吃刀量的条件下，切屑发生自然卷断，在较大的切削速度、进给量和被吃刀量的条件下切屑沿倾斜面卷曲折断或切屑绕断屑器回转轴线回转折断。此外，由于该断屑器的回转结构，当断屑器磨损后，只需绕中心线转过一定角度即可继续使用。因此，它特别适合半精加工、精加工。
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作者简介：唐伟，男，1981年出生，华侨大学机电及自动化学院在读硕士研究生.主要研究方向为金属切削与先进制造技术，CAD/CAPP/FMS及数字化制造。
顾立志，男，1956年出生，教授，博士生导师，华侨大学研究生处副处长，泉州, 362021, 主要研究方向为金属切削与先进制造技术，CAD/CAPP/FMS及数字化制造。主持黑龙江省自然科学基金“振动切削微观机理研究”获2007年省科技进步三等奖，主持黑龙江省教委课题“金属切削计算机仿真系统的研究与应用”获省科技进步三等奖，主持黑龙江省自然科学基金“复杂曲面线切割仿真技术研究”获省科技进步三等奖，参加国家自然科学基金“干式切削特性及规律的研究”，获国家专利三项。
1.联系人：顾立志 ； 2.通信地址：华侨大学机电及自动化学院（362021）； 3.电子信箱Email：gulizhi888@163.com" gulizhi888@163.com
电话13110705113。
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