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基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（50075027）廣州市重點攻關(guān)項目資助（99Z020 01）機理與技術(shù)研究。
一種用于加工金屬纖維的新型刀具的研究陳澤飛曾志新湯勇李勇（華南理工大學(xué)機電工程系，廣東廣州510640）傾角多齒狀刃，可以同時切出多條纖維，既大大提高了生產(chǎn)效率又改善了金屬纖維質(zhì)量。
本研究將促進金屬纖維切削加工法技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
金屬纖維是20世紀(jì)70年代后期出現(xiàn)于國外工業(yè)發(fā)達國家的高附加值產(chǎn)品。它具有高彈性、耐磨性、導(dǎo)電性以及好的燒結(jié)性，是一種用于制造復(fù)合材料，具有多種用途的新型工程材料。目前金屬纖維的加工方法主要有金屬熔化高溫噴射法、集束拉伸塑性變形法、切削加工法三種，其中切削加工法（尤其是大刃傾角切削法）因成本低廉，設(shè)備簡單而備受關(guān)注。大刃傾角切削法加工出的纖維變形小，強度高，且可生成粗糙的異型結(jié)構(gòu)界面。但由于目前應(yīng)用的金屬纖維的當(dāng)量直徑較細，用該方法切削加工時切削厚度h與進給量f都受到限制，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。為此，作者研究一種新型刀具，將大刃傾角刀具的刃型由直線刃改為多齒刃，稱之為大刃傾角多齒狀刃刀具（以下簡稱新型刀具），如該刀具的主切削刃由多個小刀齒組成，每個小刀齒由直線主刃及兩邊圓弧側(cè)刃構(gòu)成，其齒距m和齒深h根據(jù)具體的加工要求而定，一般要求齒深h大于實際切削厚度，以便形成多條纖維切出。纖維要求越細，齒距m也越小。該刀具經(jīng)試驗使用，證明效果良好，可以實現(xiàn)單刀多纖切出，切削輕快，排纖暢順。本文就該刀具的切削機理及幾何參數(shù)進行試驗研究。
1研究試驗條件試驗切削條件為：車床CM6140 ，工件材料為紫進給量f =0 .05 mm/r ，刀具材料為高速鋼=35°，法向后角α傾角λ=50°。實驗中采用計算機輔助實驗系統(tǒng)作為測試手段，其中測力儀為瑞士KISTERA公司生產(chǎn)的壓晶體式1441型，測力儀電荷放大器為該公司的5006型。測試系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。
華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2采用新型刀具切削的纖維當(dāng)量直徑纖維的當(dāng)量直徑是纖維加工的重要參數(shù)之一。
由于新型刀具刀齒的分纖作用，整個切削層金屬被分成多條纖維切出（本實驗為8條）。結(jié)果見圖3 .
從圖3可以看出，用兩種刀具加工纖維時，纖維當(dāng)量直徑的大小受切削厚度變化的影響情況，新型刀具所切出的纖維當(dāng)量直徑的大小受切削厚度的影響較小。這是因為新型刀具的多齒刃將切削層分切成多塊，形成多條纖維切出，刀齒齒距m對纖維的粗細起關(guān)鍵作用，而直線刃刀具所切纖維的當(dāng)量直徑完全受切削厚度的影響。如果刀齒齒距m和齒深h選擇得當(dāng)?shù)脑?，與常規(guī)直線刃刀具切削加工相比，可采用較大的進給量和切削厚度切出當(dāng)量直徑較細的纖維，實現(xiàn)一刀多纖加工，大大提高了金屬纖維的生產(chǎn)效率。由圖3可知，加工同樣的當(dāng)量直徑的纖維，新型刀具的可切削厚度比直線刃刀具大幾倍到十幾倍，生產(chǎn)效率也相應(yīng)提高幾倍到十幾倍。另外從圖3可見，在同等的切削加工條件下，使用新型刀具加工的纖維的當(dāng)量直徑比直線刃刀具加工的要細小得多。
3采用新型刀具切削的切削變形系數(shù)和切削力由于新型刀具刀齒的分纖作用，數(shù)條纖維分別獨立切出，削弱了被切削金屬層的整體牽制作用，排纖暢順，切削變形小，因而切削力也減小。圖4和圖5分別為兩種刀具的切削變形系數(shù)與切削厚度）關(guān)系曲線圖以及切削力與切削厚度（F ）關(guān)系曲線圖（切削條件同上）。在本文切削條件下，不同的切削厚度時，采用新型刀具切削的切削變形系數(shù)均有所減?。ㄅc直線刃刀具相比），這有利于提高纖維質(zhì)量（見后面分析）采用新型刀具切削的切削力的情況與切削變形系數(shù)相似，切削力均有所下降，因此切削熱和切削功率也相應(yīng)減小，有利于整個工藝系統(tǒng)的加工狀況的改善。
華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）4對纖維卷曲程度和抗拉強度影響的實驗和分析纖維卷曲程度和抗拉強度是纖維產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。纖維曲率ρ大，則切削變形大，內(nèi)部易造成應(yīng)力集中的缺陷，纖維易拉斷，其抗拉強度降低。一般而言，被切削層金屬經(jīng)過刀面的擠壓和摩擦作用后，發(fā)生強烈的彈塑性變形和加工硬化，其強度較母體材料有所上升。但是如果切屑的變形過大，切屑的卷曲將十分嚴(yán)重，其卷曲處產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷，其抗拉強度反而會降低。就金屬纖維的切削加工而言，纖維的變形是比較大的，應(yīng)適當(dāng)減小其變形以提高抗拉強度。圖6和圖7分別是小變形（Λ=1 .2）和大變形（Λ=2）的紫銅纖維外觀圖。樣品在前面的切削條件下取得，相片由掃描電鏡拍攝，放大倍數(shù)為200倍。
由圖6、圖7比較可見，大變形纖維出現(xiàn)裂紋缺陷，易造成應(yīng)力集中降低其抗拉強度。
在切削溫度不高的情況下，產(chǎn)生切屑卷曲的原因是切削變形區(qū)的非均勻變形，即在切屑厚度方向，從切屑的底部到頂部存在由大到小的變形梯度如前所述，新型刀具可使切削變形和切削力減小，所以切削變形梯度也應(yīng)會減小，從而降低纖維卷曲和提高纖維抗拉強度。新型刀具與常規(guī)刀具切削加工纖維時的纖維曲率ρ變化的比較實驗結(jié)果如圖8所示（切削條件同上），纖維的抗拉強度比較結(jié)果如新型刀具加工出的纖維的曲率比常規(guī)刀具加工出的稍有下降，抗拉強度均有提高，有利于纖維產(chǎn)品質(zhì)量。
5采用新型刀具切削的切削過程穩(wěn)定性和纖維外形變化加工紫銅、純鋁、低碳鋼等塑性材料的纖維時，一般選用中低速切削。這些金屬材料的塑性很高，切削變形大，刀―屑接觸長度大，在中低速的切削條件下很容易在前刀面處發(fā)生粘結(jié)和冷焊，阻礙切屑流動，使切屑層積在刀面上，使實際切削厚度增大，切削力會因此增大。當(dāng)切屑層積到一定程度后可能會突然脫落，使切削力發(fā)生較大波動，影響切削過程的穩(wěn)定性。新型刀具有分纖作用，削弱了切削層金屬陳澤飛等：一種用于加工金屬纖維的新型刀具的研究的整體牽制作用，排纖暢順，切削變形小，切削層金屬粘結(jié)和冷焊現(xiàn)象大為減小，其切削機理還有待進一步探索。圖10為直線刃型刀具所切的紫銅纖維，可以看到其實際切屑厚度發(fā)生波動，變形大。圖11為新型刀具所切紫銅纖維，纖維粗細均勻，變形較小。實驗切削厚度h =0 .5 mm ，其余切削條件同上。
6新型刀具的幾何參數(shù)新型刀具的幾何參數(shù)有法向前角γ、法向后角、刃傾角λ以及刀齒齒距m和齒深h .確定刀具角度的主要依據(jù)是它們對纖維變形程度的影響。如前所述，纖維變形減小有利于纖維產(chǎn)品質(zhì)量，所以應(yīng)盡量減小纖維的變形。下面通過實驗說明刀具角度對纖維變形的影響。
實驗條件：CM6140車床，高速鋼刀具W18Cr4V ，工件為紫銅，干切削工件直徑d =30 mm ，切削厚度h角γ=40°，法向后角α對纖維變形系數(shù)Λh影響的實驗曲線圖。
由圖12可見，隨著刃傾角λ的增大，纖維變形系數(shù)Λh逐漸減小，當(dāng)λ=70°時，變形系數(shù)Λh達到*小值。因為刃傾角λ越大，刀具越鋒利，切削變形也就越小。通常加工取刃傾角λ對纖維變形系數(shù)Λh影響的實驗曲線圖。
實驗條件：刃傾角λ=60°，其余切削條件同上。
由圖13可知，刀具法向前角γ越大，纖維變形系數(shù)Λh越小。因為前角增大可使切削變形區(qū)的剪切角增大，從而減小切削變形。通常加工取法向前角γ刀具的法向后角α對纖維的切削變形影響不大，通常取法向后角α刀具的齒距m和齒深h分別由切出纖維的條數(shù)、纖維當(dāng)量直徑以及切削厚度決定。齒距m越小，切出的纖維數(shù)目越多，纖維的當(dāng)量直徑越小。齒深h華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）略大于*大的切削層厚度為宜，通常取經(jīng)驗公式7結(jié)論（1）本文所研究的大刃傾角多齒狀刃刀具適用于連續(xù)型金屬長纖維加工。它實現(xiàn)了一刀多纖加工，生產(chǎn)效率提高5～12倍（在本文切削條件下切削厚度h（2）在切削深度和進給量不變的條件下，新型刀具可以減少纖維的當(dāng)量直徑，有利于小直徑的纖維加工。
（3）由于新型刀具齒狀刃的分纖作用，使切削力下降，切削變形減少，并進而減少了纖維的卷曲曲率，提高了纖維的抗拉強度，有利于纖維產(chǎn)品質(zhì)量的提高。
?。?）新型刀具在加工過程中可減少切削層與刀面的粘結(jié)和冷焊現(xiàn)象，提高切削過程的穩(wěn)定性，使纖維粗細均勻，提高纖維質(zhì)量，其切削機理有待進一步研究。
?。?）通過實驗和分析得出新型刀具的幾何參數(shù)推薦值（見上節(jié)），供實際生產(chǎn)參考。
綜上所述，使用大刃傾角多齒狀刃刀具對于提高金屬纖維生產(chǎn)效率和改善纖維質(zhì)量都有重要的意義，可在實際生產(chǎn)中推廣使用。同時它也促進了連續(xù)型金屬長纖維的切削加工法技術(shù)的發(fā)展，使該方法有良好的應(yīng)用前景。
李加種。金屬纖維復(fù)合材料[ J] .機械工程材料， 1988，明冬蘭，萬珍平，張發(fā)英，等。連續(xù)型金屬長纖維切削明冬蘭。微鋸拉屑復(fù)合切削及在金屬長纖維制造中的應(yīng)用[ D] .廣州：華南理工大學(xué)機電系， 1999 .
劉亞俊。金屬切削加工中切削卷曲機理的的研究[ D] .廣州：華南理工大學(xué)機電系， 1999.
周澤華。金屬切屑原理[ M] .上海：上?？萍汲霭嫔纾悵娠w等：一種用于加工金屬纖維的新型刀具的研究
來源：中國刀具網(wǎng)
