基金項目：國家自然科學基金資助項目（50075027）廣州市重點攻關項目資助（99Z020 01）機理與技術研究。
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，既大大提高了生產效率又改善了金屬纖維質量。
本研究將促進金屬纖維切削加工法技術的發展和應用。
金屬纖維是20世紀70年代后期出現于國外工業發達國家的高附加值產品。它具有高彈性、耐磨性、導電性以及好的燒結性，是一種用于制造復合材料，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，設備簡單而備受關注。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構界面。但由于目前應用的金屬纖維的當量直徑較細，用該方法切削加工時切削厚度h與進給量f都受到限制，嚴重影響了生產效率。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刃構成，其齒距m和齒深h根據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。該刀具經試驗使用，證明效果良好，可以實現單刀多纖切出，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作為測試手段，其中測力儀為瑞士KISTERA公司生產的壓晶體式1441型，測力儀電荷放大器為該公司的5006型。測試系統的構成如圖2所示。
華南理工大學學報（自然科學版）2采用新型刀具切削的纖維當量直徑纖維的當量直徑是纖維加工的重要參數之一。
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）。結果見圖3 .
從圖3可以看出，用兩種刀具加工纖維時，纖維當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對纖維的粗細起關鍵作用，而直線刃刀具所切纖維的當量直徑完全受切削厚度的影響。如果刀齒齒距m和齒深h選擇得當的話，與常規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量直徑較細的纖維，實現一刀多纖加工，大大提高了金屬纖維的生產效率。由圖3可知，加工同樣的當量直徑的纖維，新型刀具的可切削厚度比直線刃刀具大幾倍到十幾倍，生產效率也相應提高幾倍到十幾倍。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和切削力由于新型刀具刀齒的分纖作用，數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與切削厚度）關系曲線圖以及切削力與切削厚度（F ）關系曲線圖（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均有所減?。ㄅc直線刃刀具相比），這有利于提高纖維質量（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相似，切削力均有所下降，因此切削熱和切削功率也相應減小，有利于整個工藝系統的加工狀況的改善。
華南理工大學學報（自然科學版）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品質量的重要指標。纖維曲率ρ大，則切削變形大，內部易造成應力集中的缺陷，纖維易拉斷，其抗拉強度降低。一般而言，被切削層金屬經過刀面的擠壓和摩擦作用后，發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重，其卷曲處產生很大的內應力和內部缺陷，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，應適當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，放大倍數為200倍。
由圖6、圖7比較可見，大變形纖維出現裂紋缺陷，易造成應力集中降低其抗拉強度。
在切削溫度不高的情況下，產生切屑卷曲的原因是切削變形區的非均勻變形，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。新型刀具與常規刀具切削加工纖維時的纖維曲率ρ變化的比較實驗結果如圖8所示（切削條件同上），纖維的抗拉強度比較結果如新型刀具加工出的纖維的曲率比常規刀具加工出的稍有下降，抗拉強度均有提高，有利于纖維產品質量。
5采用新型刀具切削的切削過程穩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生粘結和冷焊，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。當切屑層積到一定程度后可能會突然脫落，使切削力發生較大波動，影響切削過程的穩定性。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，切削層金屬粘結和冷焊現象大為減小，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新型刀具的幾何參數有法向前角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品質量，所以應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Λh逐漸減小，當λ=70°時，變形系數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Λh越小。因為前角增大可使切削變形區的剪切角增大，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、纖維當量直徑以及切削厚度決定。齒距m越小，切出的纖維數目越多，纖維的當量直徑越小。齒深h華南理工大學學報（自然科學版）略大于*大的切削層厚度為宜，通常取經驗公式7結論（1）本文所研究的大刃傾角多齒狀刃刀具適用于連續型金屬長纖維加工。它實現了一刀多纖加工，生產效率提高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量直徑，有利于小直徑的纖維加工。
?。?）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，有利于纖維產品質量的提高。
（4）新型刀具在加工過程中可減少切削層與刀面的粘結和冷焊現象，提高切削過程的穩定性，使纖維粗細均勻，提高纖維質量，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推薦值（見上節），供實際生產參考。
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效率和改善纖維質量都有重要的意義，可在實際生產中推廣使用。同時它也促進了連續型金屬長纖維的切削加工法技術的發展，使該方法有良好的應用前景。
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來源：中國刀具網
