摘要：对不可调刀具的静态几何参数作了动态优化研究，在提高刀具结构可调性能的基础上，实现对各相近合理几何参数的灵活调整和对刀片的及时更换、转位，从而提高了刀具的工艺加工性能和操作性能。
关键词：可调式刀具；实用切削模型；工艺改进
80年代中期，可转位结构已应用于各种车削刀具和镗铣类及专用刀具领域中。全世界每年用于切削加工的费用超过2500亿美元，其中切削刀具的费用占2%～3%。
目前，刀具技术领域面临的挑战就是刀具的工艺加工性能。从过去单一的切削区切削功能的提高(如切削效率、精度、刀具寿命等)扩大到整个自动化生产过程效率的提高，包括刀具识别技术、监控技术及管理技术的提高。
作者认为，这首先反映在须对不可调刀具的静态合理几何参数作进一步的动态优化研究，并根据切削过程的基本规律，作出定性、定量的分析，从而能在提高刀具结构可调性能的基础上，实现对各相近合理几何参数的灵活调整和对刀片的及时更换和转位，提高刀具的工艺加工性能和操作性能。
1切削理论知识和实用切削技术
这实际是刀具切除——成型能力、结构形态和操作等活的变革性演化，并需要综合性的实际描述，从而有利于切削技术的创利。
1.1实用切削模型与调整性能
实用切削模型是可调式刀具切削部分在加工系统中延续、变化的抽象化模型，是刀具可调结构系统变换而成的映象，主要反映构成刀具切削部分功能系统的最小单位的可调性能和相互关系〔2〕。对加工系统以及对各项切削技术理解的深入程度和创新能力决定了实用切削模型应用的效能和水平。图1为简化切削模型示意图。
图1简化切削模型示意图
图1表示了切削部分(或刀片)以一定的夹持状态或预紧力装配在刀头中线偏上方刀槽中，并能随刀头绕其中心点o作有极限位置的往返旋转。过切削刃上选定点m、x轴平行刀槽深度、y轴平行刀槽长度、z轴平行刀槽高度，在刀槽底面平行基面的初始状态，m-xyz坐标系和不可调刀具的相应主剖面参考系重合。
所以，在x、y、z轴的极限位置(一个为初始停留状态，一个为极限停留状态)，切削部分处于静止稳固状态能够正常参加切削过程，就如简化切削模型。所不同的是，为了便于重磨和调整主偏的初始功能，切削部分(刀片)适当伸出刀台结合面一部分，并和刀热形成变截面组合，同时配合复合式上压可调机构，实现延续重磨和参数的性能调整，主要有以下几方面：
(1)可通过调整刀片预应力或其夹持状态，使x轴、y轴，也就是沿刀槽深度和长度作有限的延伸，在新的极限状态，达到延续重磨的目的。
(2)还可通过刀槽内侧的平面回转副使切削部分绕切削速度作有限的往返，在新的极限位置，达到随机调整主偏角的目的。
(3)重磨无法延续，直接转位。要注意调整定位、夹紧机构。
(4)x轴和切削部分基面平行，所以使刀头(连同切削部分)共同绕，即刀杆中心作有限的往返旋转，在x、y、z的新的极限位置，达到调整刃口前、后角的目的。切削力超载刀头反向(逆时针)旋转至又一极限位置，起到自我保护刃口的作用。
(5)刀台下底周边曲线为等强度曲线或对数螺旋线，主要是为了减少修磨后刀面时和调整几何参数后切削过程中的几何约束。
(6)切削部分(刀片)位于刀头主剖面中线偏上方，主要是为了较大幅度地调整前角。
实践将证明：只要前角ro、后角do、主偏角nr的初始角度和调整幅度选取得当，后刀面的不重磨〔6〕或适量重磨不仅能提高和扩大刀具的工艺加工性能和效益，而且也能减少因主偏角nr和法后角an不同而不同的可转位刀具的类型和刀片的品种。因而也为可调刀具的开发、应用提供了广阔的前景
1.2重磨法则
实用切削模型所表示的重磨法则和国内外研究维护重磨技术的创新是一致的，与维护刀具重磨的客观要求是一致的。
(1)重磨一般指沿后刀面的修磨和对刃形参数的修整，这是整体式、焊接式刀具改善工艺加工性能和延长使用寿命的唯一手段，却反映了合理几何参数经过修磨和修整，在前角，断屑槽参数变化不大的情况下，有一定的连续切削性能的客观规律。可调刀具沿后刀面的修磨，修磨面积小，优化了修磨工艺，且易于达到质与量的要求。
(2)重磨还指对刃形参数以及修光刃、副刃的必要适量改磨。刃形参数相对较小，对适量改磨成相近的几何参数是方便、灵活的，但须对刀具的各种工艺加工性能有系统的认识和较高的刃磨工艺和应变能力。
(3)可调式刀具调整前角、主偏角的性能使重磨法则得到充分的发挥和应用，并为可转位刀片简化刃形参数提供了技术上的保证。不仅能够提高刀具的工艺加工性能和提高其效益，而且也能够减少因主偏面和法后角不同而不同的可转位刀具的类型和刀片的品种，同时还为可调式刀具的开发和应用提供了前景。
1.3断屑槽技术的创新和操作要求
调整、重磨后的刀具切削部分能否继续使用，很大程度上决定于断屑槽能否保持可靠的断屑、排屑性能。由于后刀面重磨次数的增加，必然导致断屑槽的中心深度与宽度之比失去大致的线性关系，造成其断屑、排屑的性能下降。对此，焊接刀具只有按照断屑槽各项技术参数进行，才能恢复其初始性能，但刀片厚度却不断减小，强度减弱，且操作性也欠佳。可转位刀具通过刀片转位获得良好的断屑性能，效益虽高，但功能相似系数较大，也不是一种优化目标。只有通过调整前角，进而调整断屑槽底部和后壁的沿流屑方向上的斜度，适当修磨其他参数和后臂，这才算抓住了问题的关键。
1.4刀具的可调结构
刀具的可调功能，决定了不可调刀具结构的创新和可调性构造体系，主要有以下几方面：
(1)刀片夹紧机构的优选创新
可转位刀具将刀片夹紧在刀头上的机构形式是多种多样的。依夹紧力的方向来分，有从上下面夹紧和从侧面夹紧的2类。其中，从侧面夹紧的机构，又可分为从外侧面受力和从内侧面即中心孔受力的2种，均符合刀片的快换原则和转位功能的有效发挥，只有同时采用这2种方式刀片的夹紧才更可靠，才能在具备侧面夹紧的优势上，承受较大的切削负荷及冲击，并具备向定位、夹紧基面可调机构发展的有利条件。于是，刀片就不需要和刀台完全吻合，也有可能伸出刀台一部分以供重磨，调整主偏角。
(2)刀片形位的变革
对于可转位刀片，重磨必使其失去中心转位的功能，而可调的夹紧机构却使刀片偏心转位能继续使用，这就提高了可转位刀具的使用寿命。所谓偏心转位，只指刀片中心相对一边或沿某一方向的适量偏移。根据刀片种类的不同，加工条件的不同，中心偏移量大致在1.5mm左右。
(3)前后角调整的同向性和不重磨性
刀头通过尾部，带三角螺纹的圆柱刀杆和方形夹持套以小过盈配合相联结(车床类刀具)，实现刀具前后角的有限调整，在数量上互为增减，在方向上却是相同的，同步的。这也说明前、后角可随材料切削加工性由难到易的状况而逐渐同步增大。实际上，在前、后角参数一定的族、群之内，其变化量是不大的。所以只要优选好初始前、后角参量，通过后角的一定量的调整，即使不重磨前、后刀面，也有相应的切削功能，使简单的转位功能得到提高。
2结语
可调式刀具能够克服切削过程静态优化的局限性，随机转位、调整刀具的相应几何参数将使优化目标达到更高水平，并避免了许多优化约束条件的限制。例如，SWC切削法〔7〕必随可调式刀具的应用而普遍推广。前刀面可调性能(单因素)的输入操作简便，可延长刀具耐用度20%、降低电能消耗15%～20%，是一种先进切削方法。
随着前刀面、主偏角以至重磨、修整功能(双因素到多因素)的输入，刀具切削性能和耐用度有了广义的延伸和提高。可调式刀具的类型及品种少，整体效益将比不可调刀具提高20%～30%。这不仅适应了知识经济时代非标准、同样是高效率的生产方式、工艺方法不断更新的需要，而且刀具的调整使用软件必成为机加工行业的第一要素和效益的关键。生产过程中知识含量的提高和价值的增长势在必然，而生产者的知识化程度和技能没有得到相应提高，必将被生产结构转型淘汰。
国际上工具生产主导厂家都把精力集中在可转位不可调技术的应用与开发上，而可调式刀具的开发和应用却无先例。相对国外工业化国家而言，国内在三大机械加工工艺(切削、磨削、铸锻)中切削工艺的应用比例更高。这反映了工业化水准的差异，也说明了机加工行业刀具技术的相对落后。刀具的转位、重磨、可调、不重磨性能的随机应用和组合，将更合适我国的具体状况和发展战略。
可调式刀具的科技含量较高，涉及硬件、软件的许多方面，但迟早必然出现，这是刀具技术向系统化和模块化发展的趋势。我国应抢占有利时机，以已出现的切削力紧固自保可调式刀具为先导，开发车床类和其他类可调式刀具。
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