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1. 引言 3 m& z L5 Z9 w' Y& ^& O2 n
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。' P5 S0 s7 T! f4 z0 y2 m8 v
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。
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P% ^+ K2 `& z2 P9 d4 C" |# G: ? I) n 图1 螺旋切屑形状参数 2. 切屑形成及形状参数
1 Y6 C: k8 d: _$ E1 N; T 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
0 Q, E0 M8 o' U7 N5 P: k 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) r: U1 w+ Z3 g. s8 a- W m
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(3)
0 X& u, V; y9 l 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。
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图2 切屑轴截面参数 3. 切屑轴截面参数计算/ Y3 B1 k/ P. ^+ f [8 R7 {: ?
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)) U5 b) c/ P: c% ^. h3 |: e# B8 f
bch= ap
+ G- s$ n {% u sinkr
! y" E- ]+ t2 p- K- y3 ?: w (5)
( a( a/ d; p5 f' ~; \5 V- Z kch=arctan(Ahtankr) (6)
7 D0 u" e( h9 u: p8 n# Q 其中变形系数Ah= cos(f-co)
- J' w8 b$ f( Z5 q* a/ a. t sinf+ m9 {( H9 |0 N: s a
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。: O7 N% `8 s! L Q
4. 切屑上卷曲率计算
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( g: R% d$ `: x0 G; K' d) w 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)
+ x6 q y! r7 [ 其中刀屑接触长度lf=kmhDsin(f+b-g0)
4 e9 N8 o8 M0 e; Y4 @- ?# o sinfcosb0 v6 q: P `1 _" g7 a* t; b: l$ h
切削厚度hD=f·sinkr2 x0 ^3 `1 q' \4 l3 O1 g! j
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" K0 l- {3 ]% v' t
rx R0 (w-lf)coss/2 ~. s7 ^) g! |$ f: \% R
(7) |9 Z' P1 }7 w d8 y1 n9 J2 {
5. 切屑横卷曲率计算
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9 c! T$ e, ^8 Y; P" w9 `http://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/4281b349-aa79-402e-ae20-98ced566d6e0.gif" W2 ]6 t% c0 Z0 P$ d" \) @# }
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 3 j' D% n9 w" u' ~, \$ \; H
1 =rz1 bD(D+kw1bD)5 Q) a! { j) s. ^
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# v- S! X$ p/ n5 l
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" k; y& a% x% Y& J% Z
! _) y# b2 Q6 Zhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/1d10745a-5c42-4260-ba4f-bd64f723d1f2.gif
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6. 切屑流屑角计算6 W/ W* ?, ~$ p! N% \4 x+ t
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：
* J t# A$ k' ]5 X+ p l=0.21ap-0.74f0.424(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn+cls9 J- E$ D2 Y' @ c% t
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
, |; c0 @! ^$ ? Cl1=0.21(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn，Cl2=cls
0 b, E0 n- W8 f/ C7 [; d/ U 则计算流屑角公式可简化为
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(9): z4 J& s( N, Z9 S+ U0 L O
7. 结论
7 o( M: Y3 z: A+ a 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