[发明专利]一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑方法及装置

说明书

本发明为一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑方法及装置。主动断屑方法的核心思想是在每一次刀具切削走刀之前，对工件表面的特定位置进行表面改形和改性预处理，当刀具切削至预处理位置时，工件表面的新生切屑的厚度或材料特性存在突变，从而实现断裂。主动断屑装置的原理是运用高能激光束将工件材料气化形成沟槽，同时，激光束的热效应还会改变工件材料的特性，形成一定深度的热影响区。装置具有高能激光模块，高能激光输出端固定在水平导轨之上，延车床x轴方向具有平移功能；所述水平导轨固定在刀架上。上述结构，能够实现激光束聚焦位置能够随着工件直径变化而变化；配合刀架自身z轴方向运动，实现对工件表面的表面改形和改性预处理。相较于刀具断屑槽，本发明方法和装置的断屑效果更稳定可靠；相较于高压水/气射流断屑，本发明方法的能耗和成本更低，也更加环保。

所属技术领域

本发明涉及一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑方法及装置，属于机械制造工艺和金属切削加工领域。

背景技术

金属连续切削加工时常遇到断屑不畅的问题。切屑的缠绕和裹挟，不仅会损伤工件已加工平整表面，还会加剧刀具磨损；严重的，甚至造成机床损坏以及人员受伤。为避免出现切屑过长和缠绕，常需要人工监视切削状态或安装切屑检测装置；然而，上述举措并不能够完全消除不充分断屑带来的隐患。因此，目前在加工铝合金、钛合金等高塑性金属材料过程中，还是需要有人值守或着半人值守。随着机械制造自动化程度的不断提高，对断屑技术的稳定性提出了新的要求。

现有断屑技术和方法有：

1)选择合适的刀具几何角度和切削用量，使得切屑更加卷曲；

2)在车刀(片)前刀面设置断屑槽，使切屑发生强制形变，从而断裂；

3)向切屑高压喷射切削液和气体，降低刀具温度，外力断屑。

上述技术方案，均具有较为明显的增强断屑效果，但也存在成本过高、断屑不彻底以及断屑稳定差等问题。

区别于现有技术方案，本发明的一种面向无人车间的金属切削加工主动断屑方法及装置的核心思想是在每一次刀具切削走刀之前，对工件表面的特定位置进行特定表面改形和改性预处理，当刀具切削至预处理位置时，由于工件表面新生切屑的厚度或材料特性存在突变，切屑断裂。

上述技术方案的应用过程中，还有几项关键技术。一是，改形深度的设置；该深度如果过深，就增加了预处理加工余量；并且，如果深度大于切削深度，就会形成间断切削，刀具受到冲击，产生震动；如果过浅，又不能稳定发挥断屑效果。二是，如何快速的在每一次走刀之前，完成工件表面预加工。三是，切削液和切屑四处飞散，进行预处理的高能束装置需要良好的保护措施，避免被污染和损坏。

本发明正是针对上述技术方案和实际应用问题提出的，适用于解决无人值守产线上，切屑缠绕造成的加工停止、工件损伤、机器损坏等问题，能够保证金属连续切削过程不被刀具断屑性能不佳所困恼，且能够人为控制断屑间距。相较于刀具前刀面断屑槽，本发明方法断屑效果更加稳定可靠；相较于高压水/气射流断屑，本发明方法的能耗和成本更低，也更加环保。

发明内容

本发明解决的技术问题是：高塑性金属连续切削加工过程中，切屑易于缠绕造成的加工停止、工件损伤和机器损坏。

针对上述问题，本发明的技术方案是：每一次刀具切削走刀之前，对工件表面的特定位置进行特定参数下的表面改形和改性预处理，当刀具切削至预处理位置时，工件表面的新生切屑的厚度或材料特性存在突变，从而实现断裂。所述改形预处理是指，加工特定尺寸的沟槽表面形貌，沟槽的深度和走向可控。所述改性预处理是指，工件被加工区域的材料特性发生转变，包括：硬度、晶粒尺寸、表面残余应力，或是形成新的微观裂纹和缺陷。