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[推荐] 金属切削加工切屑形状参数的量化计算

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发表于 2010-9-20 23:41:08 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 中国江苏南京

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1. 引言  
% x. s9 L9 G0 P3 ?. a4 U' @       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。
8 i7 j" C9 J* A+ f, D0 b3 i$ t  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。3 k9 Y5 Q+ q& \8 [4 r6 ^
  
2 c) K# b4 G. I3 U* o- n, lhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/c451b281-62cc-40a8-a76b-04dd3308d091.gif' I/ K7 v2 b/ B6 r; Y4 x
; w5 S5 X' d$ t* y  ?- z
  图1 螺旋切屑形状参数
  2. 切屑形成及形状参数+ d4 b  |$ d) _3 w8 a" E
  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 A9 A6 i( g1 z9 [6 g& C  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
, s3 ?, q3 H: a/ E1 y  7 e8 {4 m' s- ]" p1 C9 z% L
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, H; q9 a6 U- \2 E; Y' o  (1)5 A4 j9 k" ~& Q$ R
  * g, c) e- [6 g* t! d% V, X, R( P
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  (2)
' n" r% o$ H: `0 ?8 v' B( S  ! _7 k' d* v/ ^+ P1 y& h
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  (3)
7 u! V7 J1 [# x$ z1 ~2 v  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。$ |" p( J* |  B& X# H2 }! c+ s2 c
  
2 N# G# |' n6 M. j# P, Xhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/974f91e5-ca4b-42bf-8ec2-6cf2ef7d5650.gif
; u, E& s8 D- h0 @; I1 U* T
  图2 切屑轴截面参数
  3. 切屑轴截面参数计算' z! Y0 s' v: ?* j7 t0 p5 }
  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)
$ c- m7 }) `, b; I( ]  bch= ap
2 S7 |$ d6 z* ^7 P0 V  sinkr5 i- O) Q& P/ W7 N: f$ v  y4 k
  (5)  V- k' }& h" B) G* C; E+ u
  kch=arctan(Ahtankr) (6)( E7 ?7 X& j3 ?! t& i0 O) D
  其中变形系数Ah= cos(f-co)2 Q. _# X0 g# o' [7 ^9 Z; ~( P) y
  sinf, G' G* R+ Z7 H9 |
  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。7 k6 l5 E+ u' p/ X; p9 Q" L& G
  4. 切屑上卷曲率计算: P0 o& S' M, X8 B/ O( H9 j* C4 Q! Q! b
  
4 ^! A# e# m( i8 ~: Bhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/9a904bd4-359f-4c43-947e-37ef0c51b3e3.gif
+ l5 v. S" e/ k' ?7 B+ b2 j
  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)
% I) G, f( G9 d4 J  其中刀屑接触长度lf=kmhDsin(f+b-g0)8 c% o; z) t- J0 D, I- B
  sinfcosb5 D. R5 |) m  ~" N! L
  切削厚度hD=f·sinkr
" z! k$ b/ G, C. E, j4 M$ w1 T  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& D' W4 O! ]/ u" [( o& q3 |
  rx R0 (w-lf)coss/2
' S8 q0 v! u6 x2 z6 g( y; Y  (7). x* s' Z4 D9 h# }# H2 {
  5. 切屑横卷曲率计算5 M. k) u1 F& o& _; P) \
  , @& P" }# h* h) P+ m4 [7 u
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  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 s6 d' e% _% p5 E# S- {: J
1 =rz1 bD(D+kw1bD)
* \1 }- G% I/ d/ R# q- K  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 =kw2xhDawrz25 ^4 _" N+ R8 h. G0 u0 Y' h! b
  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
) m; Q% z' W8 \# g  
: T. ]* w6 g2 {$ V2 A( chttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/1d10745a-5c42-4260-ba4f-bd64f723d1f2.gif  i+ J: Q9 {  s! h1 V# j, n! z- R, A: r
  (8)- B3 Y; G- E$ k  Y1 q" P2 p& ]/ E
  6. 切屑流屑角计算  H/ Q- g' y5 d- a
  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:
6 m1 b2 k8 D6 h9 A% [6 M4 z0 a  l=0.21ap-0.74f0.424(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn+cls0 C: {6 H2 L' C9 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
7 r& n+ g1 y, G/ k  s$ |) O  Cl1=0.21(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn,Cl2=cls( G0 `  T. v& I& M% l
  则计算流屑角公式可简化为
/ l0 |2 M! ]! t7 L) b* M% o  
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  (9)
+ s# p8 z3 E, I, p" R# x, W3 G6 L7 @3 m  7. 结论
2 G5 F: C- ^% m% T* V! p  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。
发表于 2010-9-20 23:55:31 | 显示全部楼层 来自: 中国内蒙古乌海
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