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1. 引言 4 _3 I" s6 O+ C: W8 s
在金属切削加工过程中，切屑形状千变万化，要实现切屑形成过程仿真，必须将切屑形状参数化，并根据加工条件计算这些参数值。 多年来，国内外学者对切屑形状及其形成进行了大量深入研究，建立起十几种切屑形成模型，在切屑流动方向、切屑卷曲机理及切屑折断方式等方面取得了重要成果。但由于切屑问题极为复杂，许多研究尚属定性分析，特别是对切屑横向卷曲还没有量化计算的方法。' G9 |0 z1 A) J6 M" W: U G
本文根据切屑的形成机理及变形规律，分析影响切屑形状各因素的主次程度，建立数学模型，实现对切屑形状参数量化计算，为切屑造型提供数据。, S( R' K( T' h
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; {7 d4 M1 Q/ p
图1 螺旋切屑形状参数 2. 切屑形成及形状参数
6 {$ E0 n+ Q' O" T5 n' k: e9 _ 刀具切入工件时，被切金属层经剪切面发生塑性滑移变形成为切屑，再经刀具卷屑槽卷曲变形，形成一个等螺距螺旋形切屑，其形状可由螺旋外径2r、螺距p、螺旋面与轴的夹角q确定(如图1)。切屑流出后受工件、刀具及机床等阻碍引起再度变形或折断，从而产生各种类型的切屑，因此，其它类型切屑均可视为螺旋切屑的演变和组合。 由切削机理知，对螺旋形切屑产生影响的参数
+ Q" {/ R1 e6 s. A 有：切屑上卷曲率1/rx，横卷曲率1/rz，流屑角h。则螺旋切屑的形状参数可表示为
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% q! @7 _, D9 n- d& }( e8 Q (1)
1 P- g4 N f* R s5 p; R
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7 {1 M/ K8 v1 N (2)6 u/ ?- X4 b/ K% g; b
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(3)) F0 N' J% f& K8 H
切削加工过程中，影响1/rx、1/rz及q的因素很多，诸如被加工材料的性质、切削用量、刀具几何参数、冷却液及加工方式等。通过对主要影响因素的分析计算和对其它因素进行综合实验，可实现切屑形状参数的量化计算。" K5 I' g2 [- n+ b; G! h
- p7 R# p. M- ]( S0 H. W% C1 mhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/974f91e5-ca4b-42bf-8ec2-6cf2ef7d5650.gif6 ~0 M5 I5 L3 R: S
图2 切屑轴截面参数 3. 切屑轴截面参数计算
$ n$ S- q" K4 d 确定螺旋形切屑轴截面形状的参数有：切屑厚度hch，切屑宽度bch，切屑偏角kch(如图2)。 由切削原理可得到切屑轴截面参数计算公式 hch=Ahf sinkr (4)
6 B* G; f/ f/ y$ f bch= ap0 X0 d3 j) m) n5 ]! C
sinkr7 P/ C6 U$ H, ~1 e" w5 X$ `$ R
(5): g+ ~! i& c% U
kch=arctan(Ahtankr) (6)
3 j1 Q6 _5 `# X2 S 其中变形系数Ah= cos(f-co)
; f5 n! p2 H; ?6 ^( C" f sinf
4 P- u1 S0 O; b" V 式中进给量f、切深ap、刀具主偏角kr及前角co为已知参数，剪切角f可用实验公式求出。
' g+ l2 n1 V4 o 4. 切屑上卷曲率计算
( b& i7 M( i6 @. \. G 5 B; ^. Z/ R+ T/ T2 R k- N
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0 j, B4 J: Q4 M1 q0 t" S( u 图3 切屑上向卷曲 切屑上卷半径R0主要与卷屑槽和积屑瘤有关，由于目前常用的硬质合金刀具切削速度较高，一般不会产生积屑瘤，因此不考虑积屑瘤对切屑形成的影响。当前刀面有卷屑槽时，切屑流出受槽型后壁的作用使切屑抬起，切屑根部受弯矩作用，在自由面一侧形成压应力，在前刀面一侧形成拉应力，使切屑产生上向卷曲(见图3)。由此可得 R0=(w-lf)cos(s/2)% _8 |) `% {6 f( v8 s2 g
其中刀屑接触长度lf=kmhDsin(f+b-g0). g5 ]* e5 m+ ]% k; Y! K" x
sinfcosb
# r2 ]" ]( u4 d3 ]3 N H2 l 切削厚度hD=f·sinkr8 M( r& Z# O) u& `! r7 W
式中w为卷屑槽宽，s为槽底夹角，实验系数km≈2，摩擦角b通过切削分力可求出。 设Cx为其它影响因素综合系数，则切屑上卷曲率计算公式为 1 = Cx = Cx$ e# A _: H: E7 r
rx R0 (w-lf)coss/28 {" ?3 d' B: D2 D2 t
(7)
) Q2 u% j7 o2 v6 D6 X 5. 切屑横卷曲率计算$ @; h9 m: r8 z0 ~4 K
+ u2 V; p# _, |7 o/ lhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/4281b349-aa79-402e-ae20-98ced566d6e0.gif8 P1 @7 K& S- n. ^% g
图4 切屑横向卷曲 目前对切屑横向卷曲的研究还只是作定性分析，认为影响切屑横向卷曲的因素有两项较为显著：切屑在宽度方向形成侧流和副切削刃参加切削。据此从理论上建立切屑横向曲率计算公式，未知因素由实验系数调整。 设切屑形成时在宽度方向上的变形量为D，受工件阻碍引起长度方向上的速度差Dv=v2-v1，同时产生角速度w=v2/rz1=v1/(rz1-bD)(见图4);令Dv=(D/kw1bD)v1，D=bch-bD，系数kw1由实验求出，则切屑侧流引起的曲率为 9 @) ~: A" t1 |: g( v& o) j% _
1 =rz1 bD(D+kw1bD)
' S4 _: u- h' E1 u5 D 在同样切削厚度下，主副切削刃承担的负荷相当时，切屑横向曲率接近最大;而切削厚度越大，副切削刃对切屑的横向卷曲影响也越大。令主副切削刃长度之比为x，kw2和aw为实验确定的参数，则副切削刃参与切削引起的曲率为 1 =kw2xhDawrz2 W% U: L& W; k' |- k; ?
采用优化设计的方法，令kw1、kw2和aw分别以步长1、0.1和0.1在1-5、0-1和0-1的范围内变化，代入各式求出计算值Crz，通过切削实验得到测量值Lrz，求出使S(Lrz-Crz)2最小的一组系数kw1、kw2和aw。 设Cz为其它影响因素综合系数，则切屑横卷曲率计算公式为 N+ Z) a, I& R* y+ |7 Q6 z
- f: z& l X. o" `# s6 ~9 Thttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/1d10745a-5c42-4260-ba4f-bd64f723d1f2.gif# Z5 D" Y) h- g2 u' U! U* j C! o
(8)
3 k: ?0 ^7 m, \$ C9 g0 m 6. 切屑流屑角计算- u( p$ R* V S" l6 V9 Q+ ]
直角切削时，切屑沿切削刃垂直方向流出，而三维切削时切屑流出方向与主切削刃垂直方向成一夹角，此角近似等于流屑角h。分析流屑角的方法有多种：Stabler法则提出h=cls，Colwell认为切屑流动方向近似垂直于切削刃弦，Wang and Mathew指出刀尖圆弧半径和切削刃倾斜程度是影响切屑流向的主要原因。 能够对流屑角定量计算的方法是流屑角实验回归方程：
: k T9 o5 q7 L+ L6 V! y N l=0.21ap-0.74f0.424(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn+cls) R5 P2 o$ ^" _" c
式中c≈0.62-0.67，是与工件材料有关的系数。 设在一道加工工序(或工步)中不需换刀，则刀具参数为常数。令* o# k: ~. b3 j
Cl1=0.21(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn，Cl2=cls+ B! L3 n) n* _. Y0 G9 z
则计算流屑角公式可简化为' I* ]4 X5 M( c& c
% r" ?8 t$ Q5 w: E
http://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/c8b112a7-97d5-4b2a-94db-af243794be7d.gif2 v" V5 M- H9 s8 U7 ^ h! h( h
(9)
: G$ S) Q! C& F; g1 W* K) B 7. 结论4 a, m1 M" b: P% f' u
切屑的一般形态是等螺距螺旋形切屑，其轴截面参数hch、bch及kch由式(4)、(5)、(6)计算，形状参数2r、p及q由式(1)、(2)、(3)计算确定;其中的影响因素1/lx、lz及h用式(7)、(8)、(9)近似计算得到其参数值。根据切屑参数hch、bch及kch及2r、p、q的定量值可对切屑进行特征造型。 |
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发表于 2010-9-20 23:41:08