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粘接刀具在机械加工中的应用

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1 粘接刀具的发展概况

刀具的结构型式是影响刀具切削性能与加工质量的重要因素之一。目前常用的刀具结构型式主要有整体式、焊接式、机械夹固式、切削力夹固式等。虽然这些刀具结构型式已在长期的生产应用中趋于成熟，但面对日益复杂的加工要求，每种结构型式仍不同程度地存在各自的缺点与不足。随着材料科学的发展，各种高性能、高硬度、难加工材料不断应用于机械零件，对加工这些零件的刀片材料及刀具结构也提出了新的要求。粘接式刀具作为传统刀具结构型式的一种重要补充也得到了发展与应用。
早在20世纪60年代初期，一些发达国家为解决高硬度材料的切削难题，就开始试验及使用粘接式刀具。由于受到当时技术发展水平的限制，用于粘接刀具的粘接剂种类不全(当时主要使用有机粘接剂)，局限性较大，因此粘接式结构只能应用于发热少、冷却条件好的刀具(如拉刀、铰刀、钻头、插齿刀等)。60年代初期，随着陶瓷刀片的问世，国内曾采用磷酸一氧化铜进行过陶瓷刀片粘接试验，但因粘接剂胶质较脆、线膨胀系数小、结构型式不合理而未取得满意效果。但在切削速度与切削温度较低的套式结构钻头、铣刀的粘接接长以及粘接滚刀的应用等方面取得了较好效果。随着聚氨脂和有机硅类粘接剂的出现，粘接剂的耐热温度大大提高(可达500～600℃)，从而使粘接刀具技术得到了迅速发展和广泛应用，目前已可适用于切削速度高、发热量大的车刀等刀具品种。
粘接刀具具有以下特点：①制造工艺简单，制造成本较低；②)粘接工艺固化温度较低(<250℃)，不会降低刀具材料的原有机械性能；③刀具工作寿命可提高1.5～3倍；④可应用于一些焊接性能差的工具材料(如立方氮化硼、金刚石、陶瓷等)；⑤粘接剂的品种和粘接工艺方法直接影响粘接刀具的工作性能。

2 粘接车刀的特性分析与设计要点

车刀是切削刀具中较具代表性的品种，在机械加工中使用量大、通用性强。车刀的加工特点是切削速度高、切削受力大、切削温度高。因此，对粘接车刀的研究与设计对于粘接刀具的开发具有典型意义。下面对影响粘接车刀设计的主要因素及注意要点作一分析。

  1. 刀具受力分析
    刀具的受力状况是合理设计刀具的重要依据。在切削过程中，车刀所受切削力主要来源于被加工材料对弹性变形和塑性变形的抗力、切屑与刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面与加工表面的摩擦力，各力的总和即为车刀所受切削合力F
    r。为便于分析，Fr可分解为相互垂直的进给抗力Fx、切深抗力Fy和主切削力Fz，即Fr=(Fx2+Fy2+Fz2)½。
    对于切削力夹固式刀具，刀片夹固条件为a<Y<d，即当切削合力的作用角Y大于刀具主后角a、小于刀片安放角d时，可实现利用切削力夹紧刀片。据有关资料介绍，通常切削合力作用角Y的变化范围为19°≤Y≤70°。当刀具满足夹固条件时，切削合力始终通过刀具材料的支撑面，使刀片在切削过程中始终受压，从而实现刀片压紧。此外，在初始切削时，工件与刀具相互接触运动产生的进给抗力会使刀片产生移位趋向。
    切削力夹固原理也可作为粘接刀具的理论分析依据。当Y<a时，如粘接刀具的主切削力大于粘接力，刀片将会翻转；当Y<d时，如粘接刀具的主切削力大于粘接力，刀片将会抬起。发生这两种情况都会使刀片失去平衡而无法切削。通过合理选择刀片安放角，有效利用无机类粘接剂抗压强度高的优势，粘接车刀也可实现在大切削力条件下的加工。
  2. 刀具切削运动分析
    刀具的切削运动对粘接刀片能否保持正确加工位置影响很大，因此是设计刀具结构和粘接工艺的重要因素。通常刀具的切削运动由刀具与工件的相对运动和刀具与切屑的相对运动构成。为防止初始切削时由刀具与工件的接触载荷引起刀片移位，粘接剂与刀具之间必须具有足够的结合力，使刀片与刀体牢固连接为一体。随着刀具的切入，刀具与切屑之间发生相对运动，此时使刀片产生移位趋向的主要切削力为切深抗力。切深抗力也是使工件发生切削振动和使切屑产生变形的力，其大小取决于工件材料及切削深度，它直接影响切削温度、切削振动、刀具磨损以及切削力作用角Y的变化。由于粘接刀具的粘接强度远小于焊接刀具的焊接强度，因此必须通过结构及工艺设计弥补其不足。
  3. 切削温度分析
    根据有关研究结果，切削过程中消耗的能量仅有1%～2%用于形成新的加工表面以及以晶格扭曲等形式存储起来，其余98%～99%的能量全部被转换为热量。刀具角度是影响切削温度的重要因素，即切削温度随刀具前角的增大而降低，随刀具主偏角的增大而升高。因此，在设计粘接刀具时，应在满足切削性能的前提下，尽可能通过合理调整刀具角度来降低切削温度，以避免因切削温度过高而使粘接剂熔化或老化。
  4. 刀具角度的合理选择
    在切削过程中，刀具前角g对切屑变形影响较大(切屑变形随刀具前角的增大而减小)，而切屑变形程度直接影响切削力、切削温度、刀具磨损、加工表面粗糙度等。有研究表明，当前角g从10°增大到20°时，主切削力P
    z减小约10%，进给抗力Px和切深抗力Py减小约30%。但随着g的增大，刀具楔角减小，其受载面积随之减小，导致刀具强度降低，刀片磨损加剧，甚至可能出现崩刃现象。因此，在设计粘接刀具时，应综合考虑和兼顾刀具的锐利性和坚韧性，根据刀具的使用性能要求合理选择刀具角度。
  5. 刀片与刀体粘接结构的合理选择
    如前所述，随着切削合力作用角Y的变化，初始切削时刀片可能产生抬起、翻转、移位三种运动方式，影响切削的正常进行。虽然这三种运动的方向不同，但都是切削合力作用的结果。由于粘接刀具的粘接力、抗剥离强度、抗冲击疲劳强度等都远低于焊接刀具的结合力，因此设计粘接车刀时，应根据粘接工艺的特点，扬长避短，采用封闭的U字形结构实现刀片与刀体的粘接，使粘接力与切削力保持平衡。
  6. 粘接剂的合理选用
    粘接剂可分为有机粘接剂和无机粘接剂两大类。有机粘接剂具有良好的粘接强度和抗冲击韧性，但耐热性较差，易老化，当工作温度超过临界温度时会出现碳化现象，一般可用于冷却条件较好的加工场合。无机粘接剂的粘接强度低于有机粘接剂，但抗冲击韧性和耐热性较好。选用刀具粘接剂时，应综合考虑以下因素：①较高的抗压强度；②较好的抗冲击韧性；③较高的耐热温度；④对刀片和刀体具有较好亲合力；⑤较低的成本。

    表  粘接刀具性能粘接剂名称粘接剂类型抗压强度

    kgf/mm
    2冲击强度
    kgf/mm2耐热温度刀具种类冷却液哥俩好有机类755150℃加长铣刀柴油WJ101无机类625.21350℃车刀无
    为验证不同种类粘接剂的工作性能，选用改性丙烯酸酯(有机粘接剂，商标名“哥俩好”)和WJ101(无机粘接剂)分别对加长铣刀和车刀进行了粘接试验。使用结果表明，这两种粘接刀具的使用效果均比较理想，其性能指标见右表。

3 结语

粘接刀具应用的可行性及经济适用性应根据加工条件和加工要求并结合其性能特点作具体分析。对于批量生产的常用刀具，采用市场采购方式成本较低，因此一般较少使用粘接刀具。但对于一些非标准或有特殊要求的刀具及刀片(尤其是车刀、专用铣刀、加长刀具等)，采用粘接刀具既可缩短加工周期，又可降低生产成本，不失为一种较好的选择方式。

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