车床类带修光刃的大进给精加工可调式刀具简式工具系统

在用单刃刀具进行车削作业的过程中，表面光洁度取决于进给率和刀尖圆弧半径，因为这两者与已加工表面的理论残留面积高度Ra有直接关系。刀具进给率越大，刀尖圆弧半径所产生的表面就越粗糙。新一代修光刃刀片的引进能产生相应的表面光洁度，改变了单刃刀具上进给率和光洁度之间看似互不兼容的关系。刀具修光刃技术使进给量加大，也使切削时间缩短一半，并产生相同的表面光洁度，因而，现不可调刀具从粗加工到精加工，用修光刃技术车削己经成为一种广为接受的工艺。

一、精切削与修光刃

传统车床类不可调精加工刀具的工艺性能都比较单一，而传统车床类具有修光刃的大进给刀具的先进静态几何参数也为具体运用到不可调的可转位车刀技术上，因而只能局限在车床类不可调刀具的技术范畴内，技艺的经验性较强。

用于车削的第一款修光刃WM刀片是山特维克可乐满于1997年首创的。而把较高的生产效率与更好的表面光洁度融为一体的山特维克可乐满推出的具有WMX槽形的新型Wiper(修光刃)刀片，能够在更高的进给下在车间实现安全切削，已是大多数加工系统应用的首选，其应用范围主要包括ISO P钢以及ISO M不锈钢和ISO K铸铁。更高的进给能力、平稳的切削过程、低噪声以及减少振动的功能，使其具有明显的加工优势与市场竞争力。例如:WMX Wiper(修光刃)还搭配有牌号选择，这为其从低切削速度下粗加工铸铁方面、要求苛刻的间断切削到高切削速度下不锈钢的高表面质量精加工，提供了很宽广的应用选择。

针对我国刀具应用系统工程的具体状况进行分析，该Wiper(修光刃)技术还是脱离不了仅适应大批量、少品种的生产特点，对小批量、多品种的工艺系统适应性不强。因而，加工系统效益的综合提高，需要将各类带修光刃的半精加工、精加工以及粗加工，不可调刀具的相关技术成果，通过相应的接口并联起来，通过优化其几何参数的调整问题，才有可能实现整个修光刃加工系统包括精密加工系统的优化与集约化，为便于操作、“三高一专”技术可靠、车床类精加工可调刀具简式工具系统解决一系列相关问题。其许多机理与一般加工相比有其特殊性。对这些切削机理方面的问题进行深入研究，掌握变化规律，才能完善车床类精加工刀具可调简式工具系统。

二、不可调刀具修光刃的两种类型与参数

1.修光刃的两种类型与刀尖圆弧半径

现不可调刀具的修光刃仅是在刀具副刀刃上靠近刀尖处一条副偏角Кr'等于 (或近于)零的刃带，有直线型与圆弧型两种。直线型修光刃制造、研磨容易。当修光刃的长度bε，大于进给量f时，可减少加工表面的残留高度，达到Ra＜0.02μm的满意结果，但直线度要好，对于不可调刀具则要求严格与走到方向一致，且不能太长，否则会增加径向切削力。由于和工件过多摩擦，也会加大工件表面粗糙度，加速修光刃的磨损。对于大进给切削车刀其长度bε，一般为 (1.2～1.5)f，在大型机床上用大的进给量和大的背吃刀量可选用 (1.5～2)f∪ (0.3～0.5)+f(mm)。主刀刃的几何参数 Кr分别可为 45°、60°、75°、90°，倒角过渡刃偏角 Кrε=1/2Кr、bε=(1/5-1/4)ap。

刀具采用圆弧修光刃时，对刀容易，使用方便，但理想圆弧段的适应性较小。即走刀量小时，圆弧刃留下的残留面积才小，走刀量稍大时，已加工表面会有一定的质量问题，用椭圆弧段替代，就能实现刀尖在最大允许半径公差范围内，调整刀尖圆弧的不同弧段，不能与主刀刃偏角同时调整，且严格与走刀方向平行的修刀刃就能在微调主偏角Кrr的同时，又能微调修光刃偏角Кr'，以达到粗糙度较好的加工表面质量。

2.修光刃刃口圆弧半径

开发一项新的Wiper(修光刃)技术，需要设计其主半径以及一系列互补半径的数量和尺寸。这与精光刀具刃口不绝对平行走刀方向，有微量的偏斜度，才能加大走刀量以获得较好质量的经验工艺传统是一致的。这种修光刃效应，能缩短大约30%的切削时间。但还必须考虑刃口圆弧修正主偏角与刃口半径的调整问题。

直线型修光刃不能与主刀刃偏角同时调整，但刀尖的几何形状近似于椭圆曲线，其效率的提高必须首先考虑刀尖圆弧的修正主偏角Кrr的初相角，还需要进行具体的刀尖圆角半径设计。所以，设计修光刃槽型前后角的优化初相角，再通过主前角角调整 (最大调整角15°)，能使修光刃有15°刃倾角的调整幅度，从而获得较大的工作前、后角与较小的刀尖圆弧半径，进行实施符合精加工的大刃倾角切削是可能的。也能将低速进给时的良好切屑控制与高速高效进给时的平稳断屑能力融为一体。

3.修光刃的前、后角

现可转位刀片刃口各种槽型，基本只考虑主刀刃的流屑与断屑功能，不管是开式断屑槽的各种型号 (A、Y、K、H、J、Z、C、D共8种)，还是封闭式断屑槽 (Y、M、W、G、P、B、T共7种)，均未顾及修光刃的前后角的优化与调整问题。因而当修光刃大于一定长度，往往容易造成振动。根据分屑大进给切削刀具介绍的刃口参数:前、后角 aoε=3°-8°、roε=8°-10°、λSε=0°只表示了粗加工的状况，因而实际切削力高出5%～10%。

对于车床类不可调刀具来说，修光刃技术的具体运用，其先进性只能在某些具体条件下才能体现与衡量。平修光刃适用于小吃刀深度、低速、大进给量、刚性好的加工系统，也可以进行高速切削;圆弧修光刃比较适合高速加工，吃刀深度也可加大，一般应＜3mm，进给量要小于平修光刃刀具，工件已加工面质量因条件不同会稍差一些。修光刃与加工表面较长的接触长度必须与适当的断屑槽型平衡，才能取得平滑的切削作用，并达到较高进给率所需的强度。继WM修光刃之后是WF修光刃，用于较为精细的领域，适合切削条件约束较多的加工系统。

对于带修光刃的不可调大进给、大切深刀具(f=1～3mm/r，ap=8～10mm，v=60～70m/min)，其特点是使切屑变形、单位切削力、刀具磨损减少，但切削面积大、切削力Fr也就加大，也容易产生机床功率不足、振动与刀具崩刃、工件表面光洁度下降等问题。因而，刀具修光刃的设计，必须根据具体加工条件，具体考虑与选择主刀刃系统几何参数的配合和优选问题。已把不可调刀具精密切削独立几何参数的研究成果，具体运用到修光刃系统几何参数 (刀尖圆弧半径rε及其修正主偏角Кrr和排屑角θ、刃口前、后角、斜角与有效长度)的优化与调整上，其前角与槽型的配合与优化问题必须具体解决。

例如:新型可调刀瘤切削 (SWC)重型车削主前角就在 30°左右、刃倾角 λs=-(3°～6°)，其在κr＜90°的情况下，主、副刀刃几何参数与刃倾角均由前角调整15°左右获得，从而使主刀刃与修光刃的几何参数都得到优化。除主刀刃能进行瘤切削 (SWC)重型车削外，修光刃也能进行正刃倾角25°的斜刃精切削，因而，提高了加工系统的整体效益。

三、主刀刃的切屑变形与断屑槽型

带修光刃的大进给刀具的切屑变形是三维的。因为主刀刃、过渡刃、刀尖圆弧部分和副刀刃在单独切削时，各自有不同的剪切角 (各自有不同的厚度和长度)，切屑应在不同的方向流出，但把切屑看作整体流出时，却是作螺旋运动。其各部分相互作用着力和力矩，其结果切屑往往发生卷曲。根据沿切削刃使剪切角发生变化，是切削发生横向卷曲的一个重要原因。因而，其槽型应选择外斜通槽，但刃口各主前角矢量应沿刀刃逐漸向圆头车刀所具有的纵向直槽过渡，就能保证主刃切屑的变形与流向偏离已加工表面和修光刃的刃口效应。由于其刃倾角调整至正25°左右，能保证一般刀具材料较小的刃口半径进行0.001mm的精密切削。修光刃与加工表面实际接触宽度减少长度需要时也能调整。因而，修光刃刃口主半径的增减能符合加工厂质量的要求，也能通过调整修光刃的刃倾角得到实现，把修光刃刃口的实际长度限制在允许较高进给率所需的长度上。

如何运用较少种类的刀具，满足较多类型精加工技术要求，就必须突破传统精加工刀具几何参数不可调的局限，满足较多粗加工与半精加工、半精加工与精加工的工艺合成以及超精密加工的工艺集成需要，就必须考虑有关机床动力与刀具调整方面的一系列集约化问题。

例如:把较高的生产效率与更好的表面光洁度融为一体的山特维克可乐满推出的具有WMX槽形的新型Wiper(修光刃)刀片，就能够在更高的进给下在车间实现安全切削。其车削性能源自Wiper(修光刃)刀片上新的刀尖圆角半径设计，并成为负前角刀片车削的首选。Wiper(修光刃)刀片为提高车削时的生产效率提供了最有利的捷径。刀尖圆角半径上的变化使得进给率翻倍，并且丝毫不会影响到良好的表面质量。如其技术运用到车床类带修光刃的大进给可调式刀具简式工具系统的技术上，将能更适应我国的工具应用系统工程的实际状况与能力的提高。

四、车床类带修光刃的大进给可调式刀具简式工具系统

车床类带修光刃的大进给可调式精密刀具简式工具系统的结构功能基本超越了国家发明专利车床类可调式刀具简式工具系统(专利号:200810017571.0)所阐述的指数范围。该简式工具系统不仅要求刀具结构能使主刀刃的几何参数在最小范围内适应加工系统中相关调整、调换与变化的需求，也要与修光刃的系统几何参数满足精加工的要求相适应，且各构件的配合精度要符合刀具结构的动静刚度要求。因而，刀槽与刀片修光刃不同类型的初相角，应确保刀头切削部分不仅能做平面直线有限往返与圆弧的有限往返运动，而且又能及时调整相应刀片定位销与刀片可调压板以及圆弧球面可调压板。因而，刀杆构件配合精度与连接强度要高，并具有良好的动平衡性能，刚性优异，不致发生异常振动，也能在承受较大切削力时消振、预警。刀杆材料可用用45钢或4OCrMo锻造或车削成型，热处理硬度为45～48HRC，弹性变形量应满足刀具的结构性能的动、静刚度要求，从而作为机床功能的补充，满足加工系统的高效需要。实践证明采用可调式精密刀具简式工具系统，具有很强的适应能力，初步实现了集约化与绿色化切削，有效提高了刀具工艺措施的经济性，从一般车床到最现代化的CNC车床都可适用，换刀时间只有一般车床刀具的1/20～1/10，且重复定位精度高，又有很好的加工尺寸稳定性，是车床类带修光刃的大进给焊接刀具技术与Wiper(修光刃)的有效结合与拓展。

修光刀具刃口几何参数的变化应具有以下特点:前角 γo=15°～30°、后角 αo=5°～8°、主偏角κr=45°～75°、刃倾角 λs=-3°～ -6°、过渡刃主偏角 κrε=15°～30°、副偏角 κ'r=15°～30°、修光刃偏角κr1=0°、修光刃刃倾角λs1=0～10°、主切削刃负倒棱宽度必须小于切削厚度ap(=f·sinκr)、bγ1=(3/4 ～1/2)f，刀尖圆角半径 rε=0.3～1.0mm，修光刃长度为背吃刀量的1.5～2倍，刃倾角为+25°，起到刮削作用，刃口棱面负前角约为-30°由倒棱获得，效率将有所提高。刀槽初相角参数 κcγ=60°∪45°、αco=(25°∪20°∪15°)、λcs=-6°、副偏角 κco=-30°。刀片角度为 γpo=15°∪20°∪25°αpr=20°∪15°、刃倾角 λps=0°。在 κr＜90°的情况下，主、副刃倾角均由前角调整15°左右获得。这样结合刀片的调换性能，能使刃口刀具几何参数与切削用量参数进行优化。

五、结束语

研制新一代车床类带修光刃的大进给精加工可调式刀具简式工具系统技术，主要是为了在较高的进给率下，提高刀片所能产生的表面光洁度水平。按其技术功能大致可分为两类:一类是用于半精加工以提高生产加工效率为目的;另一类是用于精加工以减少表面粗糙度值为目的。车床类带修光刃的大进给可调式刀具简式工具系统使先进的Wiper(修光刃)技术在我国的刀具应用工程中得到进一步的发挥，适应我国多品种、小批量的刀具应用工程系统的具体状况，其实用价值是巨大的，应得到具体的推广与应用。