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1. 引言
: o, e% Y+ }9 J" g 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。% ]) D/ j" R+ b4 k% p% `8 g, |5 w& }
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 ^. d/ y& x8 b$ S6 G. {# k
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3 _# e3 T; ^/ S
图1 螺旋切屑形状参数 2. 切屑形成及形状参数, f2 e1 W- K# F
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
1 X. a, M+ Y: @/ D0 W: V 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9 V) V6 o+ @+ v( I
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5 Z9 {2 U5 o+ H, b, l5 j: n& B (1)
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(3): }1 i" j* S% N: f; 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。# }$ {4 |. p& O$ t- F
+ `" d) s( b3 C. u; @9 H# N
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图2 切屑轴截面参数 3. 切屑轴截面参数计算6 b! {3 M# F& @! d% e3 a8 l
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)
0 @/ w8 F- r( L: m, J bch= ap" X; o# X! h, ^: ^: p% ^
sinkr1 |3 b5 K8 ? o G. ?! _" Z, ]
(5)+ H4 N* {2 h$ P' |/ \* {
kch=arctan(Ahtankr) (6)( N, g0 q2 U4 `0 G7 R
其中变形系数Ah= cos(f-co)
' v# U; l" }5 V/ |* E! Z sinf
1 S7 J/ a2 U( q; k. z( r' c: 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。
" U0 e' W8 n- z* ? N$ F5 b& d 4. 切屑上卷曲率计算
! k% b1 n' f6 v6 O) O6 U( ?' P ' G0 T a/ H$ l. ?
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' Z% d0 |5 k$ z/ E8 ^" p( }) 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)6 Q# m7 x7 ~9 `4 n( I/ O B b
其中刀屑接触长度lf=kmhDsin(f+b-g0)7 }2 s/ G- z. g, O
sinfcosb. e8 \# x7 Z1 g# L/ _# b1 z
切削厚度hD=f·sinkr# a$ Y. Y' J, c, u0 |
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
" v- Z% r+ i/ }0 P6 e+ m rx R0 (w-lf)coss/28 x, k# c) P2 r5 Y
(7)
, W% {8 y& R) q/ q' w+ r: v2 U 5. 切屑横卷曲率计算4 R1 N" Z; a9 M2 a( O p+ ~5 M3 A8 n9 U5 V' t
6 [; i& n; i: Nhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/4281b349-aa79-402e-ae20-98ced566d6e0.gif0 K4 k @; s9 x6 | l
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 / I: J& i/ ~& G3 M, X7 y
1 =rz1 bD(D+kw1bD)0 @$ |% `% z' e3 M8 @ f/ V7 M- T
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 =kw2xhDawrz26 }, e6 s' p% n) w
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
/ ]+ z) W& l3 W3 j
9 j4 s. p4 g: k$ b% h8 f- W3 Mhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/1d10745a-5c42-4260-ba4f-bd64f723d1f2.gif
; k0 s- G# g- D# @/ L. g (8)
# s u% P* x2 r5 E: y w 6. 切屑流屑角计算% I1 D1 h' e+ n; d6 ~% `
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：$ H* j( U5 m! B2 V
l=0.21ap-0.74f0.424(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn+cls
) F# C2 @" @* r4 u3 N0 O 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
+ s, S, ?! d, P( z+ H( X \; e Cl1=0.21(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn，Cl2=cls. p+ l$ r) W9 i
则计算流屑角公式可简化为+ M* g1 m% e" J* ]2 }4 H, ^
. R( a$ l @ `8 m: x/ s6 c+ R
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2 M; a0 x V0 P3 _9 I' z7 N4 h (9)
" g/ K# `3 f0 v, J9 p* f% ?. s 7. 结论
/ }2 b, ]7 [. w1 `9 g8 r; B 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