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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
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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
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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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(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
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+ 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) \
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: n( K4 k" t# h0 k7 f# O 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
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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
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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。 |
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发表于 2010-9-20 23:41:08