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1. 引言
?% n. I) l9 x2 |. E; Y0 m, R 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。
, u; W( i$ O8 E/ `! N/ B# e7 [8 l, I 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。
- C4 ~3 E: Q3 y: |* F7 s8 N/ A
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6 V. o; P6 ^ j* B 图1 螺旋切屑形状参数 2. 切屑形成及形状参数$ T9 C0 c% U- u5 A+ ^
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
' G& E$ T5 U9 J- d/ H 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) f7 h1 `8 O# x6 }& X
5 w( Y$ D1 } G8 `, N' Z) o
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(1): _+ [; b$ {, [: Q0 r* D2 I: [
2 u, U; Y4 U0 C% A- }+ a- R* J8 c, A
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(2)
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(3)+ T1 \. A9 w5 x* `4 q5 ]- j- o
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。, x. `! e7 N% d3 a( B
9 D x* f+ k( H) F9 z; p% rhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/974f91e5-ca4b-42bf-8ec2-6cf2ef7d5650.gif7 y; R5 m& {- L4 O% q3 f0 s
图2 切屑轴截面参数 3. 切屑轴截面参数计算
( I( |4 R! M+ l$ c& w# ~8 b/ c' p 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)
; i7 H$ g) g$ j0 n' } bch= ap
" X, \ C$ t& h- D8 k1 g; V4 P sinkr( _4 a4 Q5 ^2 Q& u, e( u6 O( o
(5)
! S/ s" G; F: i) P d& ~ kch=arctan(Ahtankr) (6)
; F9 b* p: @* k* r 其中变形系数Ah= cos(f-co). t/ H% p: a; m( v
sinf2 ~+ Y$ K) i# F$ z8 }4 D
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。% _ \9 \$ |6 d+ c
4. 切屑上卷曲率计算
$ p( r5 u1 ?8 m7 N* @) l* K1 Y 1 d' H- L+ J6 h! C3 r! }
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& C7 s0 c; m) @3 p0 w# K 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)! K3 U6 R7 t! j, V9 L$ ^
其中刀屑接触长度lf=kmhDsin(f+b-g0); ]7 s0 l: H5 s/ n' d; l* R3 D
sinfcosb* a2 @: D1 ?. ~9 W5 i5 J
切削厚度hD=f·sinkr6 ~4 c: V6 e m1 M- 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
% ~$ z, j8 `" D1 N( n* E/ ` rx R0 (w-lf)coss/2
. ]& E' B5 c9 V (7)
2 c A1 z( I% I# { 5. 切屑横卷曲率计算* p) v! f/ J8 o$ l4 {* M; I9 _
$ r( {, r" _* s, j
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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
0 W: m9 J8 k/ b( ^5 S X. R1 =rz1 bD(D+kw1bD)
: b! u; Z0 ]8 ^# x( t: K6 v, O 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 =kw2xhDawrz29 f; h* \1 R% m6 ~1 q$ N, ~4 w- O ?1 T
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3 Q# k! k+ N7 u, ^( P9 D
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0 j0 m0 U- G- \* i5 M* h& G( C0 S (8)& W' E7 |% C2 J* q" U
6. 切屑流屑角计算
/ J+ G P" y0 D 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：9 b9 y1 `& L) l9 o8 L
l=0.21ap-0.74f0.424(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn+cls
0 c8 r& `; m x( C( |7 R 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 H5 @9 O3 c3 {# Z+ q; n8 j
Cl1=0.21(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn，Cl2=cls
) R/ w5 X/ h# n4 g! u6 K# m+ X 则计算流屑角公式可简化为
5 `- H! P9 F3 C , h$ I9 j( E, w/ D' F" b- w
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7. 结论
" k; [$ |: Y `' @+ J2 z 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