金属切削加工切屑形状参数的量化计算

zpc64

1. 引言　　
) m) h, o) R) s$ e2 T# u6 \4 m       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。
　　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。
　　
http://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/c451b281-62cc-40a8-a76b-04dd3308d091.gif
+ M4 O: Q. C3 _9 G1 [( X9 z6 C
5 X  U$ j3 d: B1 p* a9 u- W

　　图1 螺旋切屑形状参数

　　2. 切屑形成及形状参数
- o' h9 Y; f4 L- ?* _2 ]　　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
　　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
  i' Z1 H! i8 ^3 l3 Y; t　　
+ r+ R+ E5 E& V  ^0 Z* ?0 z; ohttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/7bff53aa-8783-4802-b8ac-76238287b0ff.gif
　　(1)
　　
http://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/13fb1a4c-529b-4511-bf2a-c91c790cc4b3.gif
　　(2)
. N- m% }$ r+ D　　
http://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/e724acbd-ca0b-4b76-abb5-219cf6f54c45.gif
　　(3)
　　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。
) c: _  J- K6 L! z　　
' D4 @, t/ x& |  H( v! a" g; jhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/974f91e5-ca4b-42bf-8ec2-6cf2ef7d5650.gif

　　图2 切屑轴截面参数

　　3. 切屑轴截面参数计算
, w2 c5 B! ^: S- P7 [: M/ G　　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)
* G- o% _* a$ i% w2 `% n7 R4 b9 W5 L3 |" P　　bch= ap
, d/ ~3 A& ?% U　　sinkr
　　(5)
$ B/ Z8 C" X5 w4 o9 x% |3 O　　kch=arctan(Ahtankr) (6)
! R, ]" G: f. H) f* [* r4 _　　其中变形系数Ah= cos(f-co)
2 d) n: m# U- h" P9 y　　sinf
1 \% o) z& ~5 R7 {  k# A- v# U　　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。
  O8 l) w8 w, g/ F; _# o( ~3 w　　4. 切屑上卷曲率计算
　　
http://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/9a904bd4-359f-4c43-947e-37ef0c51b3e3.gif
' {( e. b8 h5 V( 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)
1 z8 m5 J, Z0 \  J$ t& g: Y　　其中刀屑接触长度lf=kmhDsin(f+b-g0)
' y- @8 g! a  @　　sinfcosb
" \1 c# ~  i2 B4 V: q3 \& I8 J　　切削厚度hD=f·sinkr
6 U& W: K' q5 E, u9 f　　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
& N. o! D/ e2 `3 t　　rx R0 (w-lf)coss/2
+ Q- {/ A, b& Q9 h9 _# H" a　　(7)
; l! D2 o: Y: O" a" W0 @) l　　5. 切屑横卷曲率计算
　　
$ p0 L, M7 w: khttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/4281b349-aa79-402e-ae20-98ced566d6e0.gif
$ F; E7 j' c6 B! k) g: B

　　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
1 =rz1 bD(D+kw1bD)
) V! a. ?# j3 L- E0 p* j　　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
( K( B2 R# u* S: u2 ]" I/ F　　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
　　
http://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/1d10745a-5c42-4260-ba4f-bd64f723d1f2.gif
7 Z+ J# T$ b: n" b/ o1 T　　(8)
: i9 o6 R9 W1 I3 {, c　　6. 切屑流屑角计算
　　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：
. i0 D& L& [; J- R　　l=0.21ap-0.74f0.424(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn+cls
　　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
　　Cl1=0.21(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn，Cl2=cls
　　则计算流屑角公式可简化为
　　
http://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/c8b112a7-97d5-4b2a-94db-af243794be7d.gif
1 v$ b2 ]6 F5 a% l5 F7 k　　(9)
　　7. 结论
　　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。

zhjr560

这种形式特别好，能够直接看到，学习，又节约时间