História do desenvolvimento de ranhuras para quebra-cavacos
Com o desenvolvimento da tecnologia de ferramentas de corte intercambiáveis e da tecnologia de metalurgia do pó, as ranhuras para quebra-cavacos tornaram-se cada vez mais complexas e diversificadas em seus formatos e funções. Além das tradicionais ranhuras de borda retas, diagonais e curvas, surgiram vários formatos de saliências, depressões e ranhuras curvas.
A história do desenvolvimento da ranhura do quebra-cavacos pode ser resumida em quatro estágios: o estágio da ranhura do quebra-cavacos em forma de crescente, o estágio do quebra-cavacos do tipo obstáculo, o estágio de pesquisa da direção da quebra de cavacos e o estágio da ranhura do quebra-cavacos 3D, conforme mostrado no figura abaixo.
Na década de 1950, o aparecimento de uma depressão em forma de lua crescente na face da ferramenta durante o corte facilitou a quebra de cavacos. Inspirados por isso, as pessoas pré-retificariam uma ranhura semelhante a uma depressão em forma de meia-lua na face da ferramenta para facilitar a quebra de cavacos, ou adicionariam um dispositivo quebra-cavacos adicional na face da ferramenta, que geralmente são chamados de ranhuras quebra-cavacos tradicionais e obstáculos. tipo quebra-cavacos, respectivamente.
Naquela época, a teoria da quebra de cavacos ainda não estava totalmente desenvolvida e as pessoas geralmente usavam o “método de tentativa e erro” para projetar formatos de ranhuras, o que era muito ineficiente.
Na década de 1960, o projeto de formato de ranhura se concentrou na análise, comparação e otimização de ranhuras para quebra-cavacos tradicionais e quebra-cavacos do tipo obstáculo. A influência dos formatos das ranhuras do quebra-cavacos no formato e tamanho dos cavacos foi estudada extensivamente, permitindo que a quebra dos cavacos ocorresse em uma ampla gama de condições de corte.
Na década de 1970, com a maturidade da tecnologia de moldagem, a usinagem de ranhuras mudou seu método tradicional de rebolo e o design do formato da ranhura tornou-se mais complexo e versátil. Nessa época, o projeto de ranhuras considerava principalmente a redução da perda de energia do fluxo de cavacos e do processo de usinagem, e surgiram estruturas típicas de ranhuras, como ranhuras inclinadas e designs de ângulo de faceta.
No final da década de 1980, o rápido desenvolvimento de ranhuras complexas para quebra-cavacos 3D aumentou muito a vida útil e a confiabilidade da ferramenta em comparação com as tradicionais ranhuras para quebra-cavacos 2D, reduziu as vibrações da máquina e da peça, reduziu as temperaturas de usinagem e melhorou a qualidade da usinagem da peça.
A ranhura do quebra-cavacos 3D tem uma rica variedade de formas, incluindo principalmente ranhuras de dois estágios e bordas onduladas. Graças ao desenvolvimento de ranhuras para quebra-cavacos 3D, a aplicação da usinagem de contorno CNC também tem sido continuamente aprimorada. Por exemplo, ao tornear uma peça esférica, uma ferramenta de ranhura quebra-cavacos 3D pode garantir alta precisão de usinagem durante todo o processo.
Classificação dos formatos de ranhura do quebra-cavacos
As ranhuras tradicionais para quebra-cavacos podem ser classificadas em três tipos: em linha reta, em forma de arco e em forma de arco em linha reta, conforme mostrado no diagrama esquemático das estruturas de ranhura abaixo.
O efeito de quebra de cavacos pode ser medido até certo ponto pelo raio de curvatura do cavaco. Além disso, quanto menor for a curvatura do formato da ranhura do quebra-cavacos, menor será o raio de curvatura do cavaco, maior será a deformação do cavaco e maior será a probabilidade de ele quebrar.
A ranhura do quebra-cavacos em forma de arco em linha reta é composta por uma seção reta e uma seção de arco. A seção reta é usada para guiar o cavaco para fora, e a seção do arco na extremidade faz o cavaco enrolar, o que leva à deformação e quebra.
Quanto menor o diâmetro da seção do arco, mais fácil será a quebra do cavaco.
A ranhura do quebra-cavacos em linha reta é formada pela interseção de duas linhas retas, e o ângulo inferior da ranhura é o ângulo complementar do ângulo da cunha do cavaco.
No modelo mostrado na figura (b), o ângulo inferior da ranhura substitui o papel do raio do arco inferior da ranhura R nos modelos mostrados nas figuras (a) e (c). Ou seja, o cavaco atingirá a superfície posterior da ranhura antes da intersecção das duas linhas retas e, em seguida, enrolará e deformará diretamente. Quanto menor o ângulo inferior da ranhura, menor será a curvatura e o raio de curvatura do cavaco e maior será a probabilidade de ele quebrar.
Em comparação com os dois tipos anteriores, a ranhura do quebra-cavacos em forma de arco tem um ângulo frontal relativamente grande. O aumento no ângulo frontal significa que o raio de curvatura do cavaco diminui e a deformação do cavaco aumenta, aumentando a probabilidade de sua quebra. Portanto, é frequentemente usado para cortar materiais altamente dúcteis, como o cobre roxo.
Além disso, devido à sua estrutura de arco completo, a profundidade da ranhura é relativamente pequena e o fluxo de cavacos é mais suave, tornando-o mais prático em aplicações de engenharia.
Análise dos parâmetros da ranhura do quebra-cavacos
A estrutura básica da ranhura do quebra-cavacos é mostrada na figura abaixo.
Este artigo toma a ranhura do quebra-cavacos em forma de arco reto como exemplo para ilustrar a influência dos parâmetros geométricos da ranhura do quebra-cavacos no desempenho dos cavacos.
Na figura, br é a largura negativa do chanfro, Wn é a largura normal da ranhura (referida como largura da ranhura) da ranhura do quebra-cavacos da aresta de corte principal, γ0 é o ângulo frontal da ranhura do quebra-cavacos, γ1 é o ângulo frontal de o chanfro negativo, h é a altura da lâmina e H é a profundidade da ranhura do quebra-cavacos (conhecida como profundidade da ranhura).
Alterações nesses parâmetros afetarão diretamente o tipo de canal e o desempenho dos cavacos da ranhura do quebra-cavacos. Com base na literatura, as seguintes conclusões podem ser tiradas:
1. Definir um chanfro negativo pode aumentar a resistência da aresta de corte. Quanto mais largo for o chanfro negativo, mais cega será a aresta de corte e maior será a força de corte. Se a largura do chanfro negativo for muito pequena, a resistência da aresta de corte será reduzida, afetando a vida útil da ferramenta. Portanto, existe um valor ideal para a largura do chanfro negativo.
2. Quanto maior o ângulo frontal da ranhura do quebra-cavacos, menor será o raio de curvatura do cavaco, maior será a deformação do cavaco e mais fácil será para o cavaco quebrar.
3. A largura e a profundidade do canal são os principais fatores que afetam a quebra de cavacos. Ao projetar a geometria da ranhura do quebra-cavacos, a influência da largura e da profundidade da ranhura na quebra de cavacos está inter-relacionada. Ao selecionar os parâmetros geométricos do tipo de canal, a relação entre a largura e a profundidade do canal é geralmente considerada como um parâmetro.
Geralmente, se a largura da ranhura for muito grande, o cavaco não será fácil de quebrar, enquanto se a largura da ranhura for muito pequena, é fácil causar o bloqueio do cavaco. Portanto, uma largura de canal maior pode ser usada para usinagem de desbaste, enquanto uma largura de canal menor pode ser usada para acabamento. Com a largura da ranhura determinada, um valor menor deve ser selecionado para a profundidade da ranhura.
4. A influência da altura da lâmina no desempenho dos cavacos também é afetada pela profundidade do canal. Com a mesma profundidade de ranhura, reduzir a altura da lâmina aumentará o ângulo frontal, reduzirá a deformação do cavaco, reduzirá a força de corte e diminuirá a probabilidade de quebra do cavaco. No entanto, aumentar a altura da lâmina aumentará a obstrução da ranhura de volta ao cavaco, aumentando a probabilidade de quebra do cavaco e reduzindo a resistência da borda da lâmina.
5. O ângulo de relevo é o ângulo entre a tangente da ranhura traseira e a face frontal da ferramenta. Quanto maior o ângulo de relevo, mais fácil será a quebra do cavaco.
Além do ângulo frontal da ranhura do quebra-cavacos ter um impacto significativo no desempenho dos cavacos, outros parâmetros de ângulo também têm alguma influência, entre os quais o ângulo de folga primário e o ângulo de saída têm a maior influência.
O ângulo de incidência primário afeta principalmente a espessura e a largura do corte. Quando o ângulo de incidência primário aumenta, o cavaco se torna mais estreito e mais espesso e tem maior probabilidade de quebrar.
O ângulo de saída afeta principalmente a direção do fluxo de cavacos. Quando o ângulo de saída é maior que zero, o cavaco flui em direção à superfície não processada e pode ser usado para acabamento. Quando o ângulo de inclinação é menor que zero, o cavaco flui em direção à superfície processada, afetando a qualidade da superfície. Considerando o tamanho da ferramenta, o ângulo de inclinação é geralmente selecionado entre 5° e 15°.
Projetos clássicos de quebra-cavacos e suas características
Este artigo seleciona ferramentas de corte de liga dura (ângulo traseiro 0°) de 8 empresas com alta participação de mercado no mercado atual (Mitsubishi, Kyocera, Sumitomo, Dege, Sandvik, Kennametal, Tungaloy e Walter). Com base em suas formas geométricas, nove tipos básicos de slots e suas características de design são resumidos e analisados a seguir.
Tipo linear
Ferramenta de corte típica com estrutura reta e fundo plano.
O ângulo de inclinação negativo e a seção reta no meio garantem a resistência da aresta de corte, permitindo um ângulo frontal maior.
Ferramenta de corte típica com ponta reta e pontiaguda e fundo plano.
O ângulo frontal é geralmente menor para garantir a resistência da aresta de corte. A altura da aresta de corte é suficiente para facilitar a quebra de cavacos.
Ferramenta de corte típica com estrutura de ranhura dupla reta.
A estrutura de ranhura dupla é usada para torneamento de contorno.
Tipo de arco circular
Ferramenta de corte típica com estrutura de arco circular único.
A estrutura do arco circular organiza o ângulo frontal de grande para pequeno, garantindo ao mesmo tempo a resistência da aresta de corte.
Ferramenta de corte típica com estrutura de duplo arco circular.
A estrutura do arco circular. A superfície convexa na parte traseira da ranhura proporciona quebra de cavacos elástica, permitindo uma taxa de avanço maior em comparação com a quebra de cavacos rígida.
Tipo de arco linear
Ferramenta de corte típica com estrutura reta-circular-reta.
O ângulo de inclinação negativo aumenta a resistência da aresta de corte, enquanto um ângulo frontal maior garante nitidez, mas pode não levar à quebra de cavacos. Quando o ângulo frontal, a largura da ranhura e a altura da aresta de corte são constantes, uma relação largura/profundidade maior facilita a quebra de cavacos.
Ferramenta de corte típica com estrutura reta-circular.
Ângulo de inclinação negativo, grande ângulo frontal. Quando o ângulo frontal, a largura da ranhura e a altura da aresta de corte são constantes, uma relação largura/profundidade maior facilita a quebra de cavacos.
Ferramenta de corte típica com estrutura circular-reta.
A extremidade frontal da ranhura foi projetada para ser circular, garantindo ao mesmo tempo a resistência da aresta de corte.
Ferramenta de corte típica com estrutura reta-circular (ranhura dupla).
O design traseiro convexo da ranhura proporciona quebra de cavacos elástica, permitindo uma taxa de avanço maior em comparação com a quebra de cavacos rígida. A estrutura de ranhura dupla é usada para usinagem de contorno e é frequentemente usada em usinagem de precisão.
Entre os 9 tipos básicos de slots listados na tabela acima, 4 estruturas de slots foram modificadas em relação aos designs anteriores para melhorar o desempenho de quebra de cavacos. As 4 estruturas típicas de slots são mostradas na figura a seguir, com um exemplo clássico de cada tipo de slot listado:
a) O tipo de ranhura na Figura A é uma estrutura reta circular (ranhura dupla). Comparada com a ranhura circular reta de superfície curva côncava tradicional, esta estrutura ajusta simetricamente a parte do arco circular da ranhura, usando-a como um anel de quebra de cavacos elástico convexo, permitindo uma taxa de avanço maior em comparação com a quebra de cavacos rígida.
Usando este tipo de ranhura, a área de contato entre os cavacos e a ranhura de quebra de cavacos na direção da seção transversal é menor. Além disso, em comparação com a tradicional ranhura de quebra de cavacos de superfície curva côncava, o raio de ondulação dos cavacos é menor, facilitando a quebra dos cavacos.
Além disso, a superfície convexa pode aumentar a curvatura lateral dos cavacos, resultando em maior deformação dos cavacos, tornando-os mais fáceis de quebrar.
b) O tipo de ranhura na Figura B é uma estrutura de arco circular duplo. A característica da estrutura de arco circular duplo é que um pequeno anel de quebra de cavacos elástico convexo é colocado na extremidade traseira da ranhura, e a extremidade frontal do tipo de ranhura da estrutura de arco circular organiza o ângulo frontal de grande para pequeno.
Em comparação com a estrutura reta, considerando que um pequeno ângulo frontal aumentará a deformação dos cavacos e tornará o corte mais fácil de quebrar, a estrutura de arco circular na extremidade frontal do tipo ranhura é mais propícia à quebra de cavacos. Portanto, não é necessário colocar um grande anel elástico convexo para quebrar cavacos na parte traseira da ranhura. Definir uma pequena superfície convexa no final pode obter efeitos semelhantes.
c) O tipo de slot na Figura C é uma estrutura reta com fundo plano. A tradicional estrutura inferior de ponta reta concentra a tensão na parte inferior, o que afeta a resistência da aresta de corte. Mudá-la para uma estrutura de fundo plano pode superar o problema da baixa resistência da aresta de corte.
Além disso, por ser uma estrutura de fundo plano, um ângulo frontal maior pode ser definido, reduzindo assim as forças e temperaturas de corte. Portanto, esta estrutura é mais adequada para o corte de materiais plásticos.
d) O tipo de ranhura na Figura D é uma estrutura de ranhura dupla reta. A estrutura de slot duplo reto possui dois slots e pertence a uma estrutura de slot duplo.
Considerando que na usinagem de desbaste, uma grande taxa de avanço e profundidade de corte são necessárias para garantir a eficiência, enquanto na usinagem de precisão, uma pequena largura de canal e uma profundidade de canal adequada são necessárias para garantir uma boa precisão de usinagem, a estrutura de canal duplo é projetada de tal forma que o os cavacos são quebrados na primeira ranhura profunda na usinagem de precisão e na segunda ranhura na usinagem de desbaste.
A vantagem desta estrutura é sua estrutura composta, que proporciona uma faixa mais ampla de usinagem.
Além dos designs mencionados acima, existem muitos designs de tipo de slot com estruturas especiais. Além disso, mais designs que são mais adequados para situações específicas podem ser adicionados com base em formatos de slots tradicionais para torná-los mais fáceis de fabricar.
Por exemplo, no projeto de um tipo de ranhura para quebra de cavacos tridimensional, a aresta de corte pode ser projetada como uma curva ou uma forma de onda (como a ranhura para quebra de cavacos tipo 37 da Toshiba e a ranhura para quebra de cavacos tipo PF da Sandvik).
Alternativamente, a ranhura de quebra de cavacos de superfície curva côncava tradicional pode ser alterada para uma superfície convexa (como a ranhura de quebra de cavacos tipo GH da Sumitomo e a ranhura de quebra de cavacos tipo MM da Sandvik) para atingir o objetivo de quebra de cavacos elástica e quebra de cavacos reduzida durante grandes taxas de alimentação. Estruturas de redução de atrito também podem ser usadas no projeto.
Este artigo fornece dois tipos típicos de ranhuras para quebra de cavacos com designs especiais, conforme mostrado na figura abaixo.
Avaliação do desempenho de quebra de cavacos
O raio de curvatura dos cavacos é uma medida universal do efeito de quebra de cavacos.
A ondulação de chip pode assumir a forma de ondulação 2D ou 3D, com a ondulação 2D consistindo principalmente em ondulação para cima e ondulação lateral. Atualmente, tem havido uma extensa pesquisa sobre a teoria da ondulação ascendente 2D.
Por exemplo, o raio de curvatura previsto de slots de chip do tipo reto e do tipo arco reto foi examinado. A ondulação da ranhura do tipo reto é ilustrada no diagrama abaixo:
O enrolamento dos cavacos para uma ranhura de superfície convexa é ilustrado no diagrama à esquerda a seguir, e o enrolamento dos cavacos para uma ranhura do tipo arco reto é ilustrado no diagrama à direita.
A fórmula para calcular o raio de curvatura dos cavacos é muito complexa e não será explicada em detalhes aqui.
O slot do chip é baseado na alteração do raio de curvatura do chip para melhorar o desempenho do chip ao usar o raio de curvatura do chip para medir o desempenho do chip.
Depois de comparar com as fórmulas empíricas resumidas por pesquisadores anteriores, o texto original conclui que o raio de ondulação dos cavacos é proporcional à largura da ranhura e inversamente proporcional ao ângulo frontal, ou seja, larguras de ranhura menores e ângulos frontais maiores são vantajosos para a quebra de cavacos.
