基金项目：国家自然科学基金资助项目（50075027）广州市重点攻关项目资助（99Z020 01）机理与技术研究。
一种用于加工金属纤维的新型刀具的研究陈泽飞曾志新汤勇李勇（华南理工大学机电工程系，广东广州510640）倾角多齿状刃，可以同时切出多条纤维，既大大提高了生产效率又改善了金属纤维质量。
本研究将促进金属纤维切削加工法技术的发展和应用。
金属纤维是20世纪70年代后期出现于国外工业发达国家的高附加值产品。它具有高弹性、耐磨性、导电性以及好的烧结性，是一种用于制造复合材料，具有多种用途的新型工程材料。目前金属纤维的加工方法主要有金属熔化高温喷射法、集束拉伸塑性变形法、切削加工法三种，其中切削加工法（尤其是大刃倾角切削法）因成本低廉，设备简单而备受关注。大刃倾角切削法加工出的纤维变形小，强度高，且可生成粗糙的异型结构界面。但由于目前应用的金属纤维的当量直径较细，用该方法切削加工时切削厚度h与进给量f都受到限制，严重影响了生产效率。为此，作者研究一种新型刀具，将大刃倾角刀具的刃型由直线刃改为多齿刃，称之为大刃倾角多齿状刃刀具（以下简称新型刀具），如该刀具的主切削刃由多个小刀齿组成，每个小刀齿由直线主刃及两边圆弧侧刃构成，其齿距m和齿深h根据具体的加工要求而定，一般要求齿深h大于实际切削厚度，以便形成多条纤维切出。纤维要求越细，齿距m也越小。该刀具经试验使用，证明效果良好，可以实现单刀多纤切出，切削轻快，排纤畅顺。本文就该刀具的切削机理及几何参数进行试验研究。
1研究试验条件试验切削条件为：车床CM6140 ，工件材料为紫进给量f =0 .05 mm/r ，刀具材料为高速钢=35°，法向后角α倾角λ=50°。实验中采用计算机辅助实验系统作为测试手段，其中测力仪为瑞士KISTERA公司生产的压晶体式1441型，测力仪电荷放大器为该公司的5006型。测试系统的构成如图2所示。
华南理工大学学报（自然科学版）2采用新型刀具切削的纤维当量直径纤维的当量直径是纤维加工的重要参数之一。
由于新型刀具刀齿的分纤作用，整个切削层金属被分成多条纤维切出（本实验为8条）。结果见图3 .
从图3可以看出，用两种刀具加工纤维时，纤维当量直径的大小受切削厚度变化的影响情况，新型刀具所切出的纤维当量直径的大小受切削厚度的影响较小。这是因为新型刀具的多齿刃将切削层分切成多块，形成多条纤维切出，刀齿齿距m对纤维的粗细起关键作用，而直线刃刀具所切纤维的当量直径完全受切削厚度的影响。如果刀齿齿距m和齿深h选择得当的话，与常规直线刃刀具切削加工相比，可采用较大的进给量和切削厚度切出当量直径较细的纤维，实现一刀多纤加工，大大提高了金属纤维的生产效率。由图3可知，加工同样的当量直径的纤维，新型刀具的可切削厚度比直线刃刀具大几倍到十几倍，生产效率也相应提高几倍到十几倍。另外从图3可见，在同等的切削加工条件下，使用新型刀具加工的纤维的当量直径比直线刃刀具加工的要细小得多。
3采用新型刀具切削的切削变形系数和切削力由于新型刀具刀齿的分纤作用，数条纤维分别独立切出，削弱了被切削金属层的整体牵制作用，排纤畅顺，切削变形小，因而切削力也减小。图4和图5分别为两种刀具的切削变形系数与切削厚度）关系曲线图以及切削力与切削厚度（F ）关系曲线图（切削条件同上）。在本文切削条件下，不同的切削厚度时，采用新型刀具切削的切削变形系数均有所减小（与直线刃刀具相比），这有利于提高纤维质量（见后面分析）采用新型刀具切削的切削力的情况与切削变形系数相似，切削力均有所下降，因此切削热和切削功率也相应减小，有利于整个工艺系统的加工状况的改善。
华南理工大学学报（自然科学版）4对纤维卷曲程度和抗拉强度影响的实验和分析纤维卷曲程度和抗拉强度是纤维产品质量的重要指标。纤维曲率ρ大，则切削变形大，内部易造成应力集中的缺陷，纤维易拉断，其抗拉强度降低。一般而言，被切削层金属经过刀面的挤压和摩擦作用后，发生强烈的弹塑性变形和加工硬化，其强度较母体材料有所上升。但是如果切屑的变形过大，切屑的卷曲将十分严重，其卷曲处产生很大的内应力和内部缺陷，其抗拉强度反而会降低。就金属纤维的切削加工而言，纤维的变形是比较大的，应适当减小其变形以提高抗拉强度。图6和图7分别是小变形（Λ=1 .2）和大变形（Λ=2）的紫铜纤维外观图。样品在前面的切削条件下取得，相片由扫描电镜拍摄，放大倍数为200倍。
由图6、图7比较可见，大变形纤维出现裂纹缺陷，易造成应力集中降低其抗拉强度。
在切削温度不高的情况下，产生切屑卷曲的原因是切削变形区的非均匀变形，即在切屑厚度方向，从切屑的底部到顶部存在由大到小的变形梯度如前所述，新型刀具可使切削变形和切削力减小，所以切削变形梯度也应会减小，从而降低纤维卷曲和提高纤维抗拉强度。新型刀具与常规刀具切削加工纤维时的纤维曲率ρ变化的比较实验结果如图8所示（切削条件同上），纤维的抗拉强度比较结果如新型刀具加工出的纤维的曲率比常规刀具加工出的稍有下降，抗拉强度均有提高，有利于纤维产品质量。
5采用新型刀具切削的切削过程稳定性和纤维外形变化加工紫铜、纯铝、低碳钢等塑性材料的纤维时，一般选用中低速切削。这些金属材料的塑性很高，切削变形大，刀―屑接触长度大，在中低速的切削条件下很容易在前刀面处发生粘结和冷焊，阻碍切屑流动，使切屑层积在刀面上，使实际切削厚度增大，切削力会因此增大。当切屑层积到一定程度后可能会突然脱落，使切削力发生较大波动，影响切削过程的稳定性。新型刀具有分纤作用，削弱了切削层金属陈泽飞等：一种用于加工金属纤维的新型刀具的研究的整体牵制作用，排纤畅顺，切削变形小，切削层金属粘结和冷焊现象大为减小，其切削机理还有待进一步探索。图10为直线刃型刀具所切的紫铜纤维，可以看到其实际切屑厚度发生波动，变形大。图11为新型刀具所切紫铜纤维，纤维粗细均匀，变形较小。实验切削厚度h =0 .5 mm ，其余切削条件同上。
6新型刀具的几何参数新型刀具的几何参数有法向前角γ、法向后角、刃倾角λ以及刀齿齿距m和齿深h .确定刀具角度的主要依据是它们对纤维变形程度的影响。如前所述，纤维变形减小有利于纤维产品质量，所以应尽量减小纤维的变形。下面通过实验说明刀具角度对纤维变形的影响。
实验条件：CM6140车床，高速钢刀具W18Cr4V ，工件为紫铜，干切削工件直径d =30 mm ，切削厚度h角γ=40°，法向后角α对纤维变形系数Λh影响的实验曲线图。
由图12可见，随着刃倾角λ的增大，纤维变形系数Λh逐渐减小，当λ=70°时，变形系数Λh达到*小值。因为刃倾角λ越大，刀具越锋利，切削变形也就越小。通常加工取刃倾角λ对纤维变形系数Λh影响的实验曲线图。
实验条件：刃倾角λ=60°，其余切削条件同上。
由图13可知，刀具法向前角γ越大，纤维变形系数Λh越小。因为前角增大可使切削变形区的剪切角增大，从而减小切削变形。通常加工取法向前角γ刀具的法向后角α对纤维的切削变形影响不大，通常取法向后角α刀具的齿距m和齿深h分别由切出纤维的条数、纤维当量直径以及切削厚度决定。齿距m越小，切出的纤维数目越多，纤维的当量直径越小。齿深h华南理工大学学报（自然科学版）略大于*大的切削层厚度为宜，通常取经验公式7结论（1）本文所研究的大刃倾角多齿状刃刀具适用于连续型金属长纤维加工。它实现了一刀多纤加工，生产效率提高5～12倍（在本文切削条件下切削厚度h（2）在切削深度和进给量不变的条件下，新型刀具可以减少纤维的当量直径，有利于小直径的纤维加工。
（3）由于新型刀具齿状刃的分纤作用，使切削力下降，切削变形减少，并进而减少了纤维的卷曲曲率，提高了纤维的抗拉强度，有利于纤维产品质量的提高。
（4）新型刀具在加工过程中可减少切削层与刀面的粘结和冷焊现象，提高切削过程的稳定性，使纤维粗细均匀，提高纤维质量，其切削机理有待进一步研究。
（5）通过实验和分析得出新型刀具的几何参数推荐值（见上节），供实际生产参考。
综上所述，使用大刃倾角多齿状刃刀具对于提高金属纤维生产效率和改善纤维质量都有重要的意义，可在实际生产中推广使用。同时它也促进了连续型金属长纤维的切削加工法技术的发展，使该方法有良好的应用前景。
李加种。金属纤维复合材料[ J] .机械工程材料， 1988，明冬兰，万珍平，张发英，等。连续型金属长纤维切削明冬兰。微锯拉屑复合切削及在金属长纤维制造中的应用[ D] .广州：华南理工大学机电系， 1999 .
刘亚俊。金属切削加工中切削卷曲机理的的研究[ D] .广州：华南理工大学机电系， 1999.
周泽华。金属切屑原理[ M] .上海：上海科技出版社，陈泽飞等：一种用于加工金属纤维的新型刀具的研究
来源：中国刀具网
