金属切削加工切屑形状参数的量化计算

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1. 引言　　
/ c/ j* C2 y7 f  r' n! E       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。
3 K& q0 M. N2 R　　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。
　　
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　　图1 螺旋切屑形状参数

　　2. 切屑形成及形状参数
. v$ u. P( m5 d8 f0 {, |　　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
　　
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　　(1)
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' J2 C4 ?4 z1 o% s2 G1 \　　(3)
% j+ q1 G# n# h: V. E　　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。
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　　图2 切屑轴截面参数

　　3. 切屑轴截面参数计算
: G4 V' X6 U# F0 ^8 \* m: J  \2 I　　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)
　　bch= ap
　　sinkr
! c1 @2 a0 Q  w, @: T$ F2 u　　(5)
　　kch=arctan(Ahtankr) (6)
　　其中变形系数Ah= cos(f-co)
1 J# D4 {5 L# M1 ^, B5 H2 O- X9 E: T$ x4 o　　sinf
8 r/ h1 T) ]+ f) m# R# z　　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。
　　4. 切屑上卷曲率计算
　　
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3 t, h4 Y8 A" L+ {% D% o8 a

　　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)
" q6 k9 p( e, {) ]! o/ C　　其中刀屑接触长度lf=kmhDsin(f+b-g0)
　　sinfcosb
# w1 G8 Q7 E, y9 w' N　　切削厚度hD=f·sinkr
+ z6 ^8 [! O# d　　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
, j0 x4 N! r1 N, Q" D　　rx R0 (w-lf)coss/2
　　(7)
. j* y1 L0 Q* w$ K5 L/ Q　　5. 切屑横卷曲率计算
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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
" G, M3 q: q3 n8 z) x4 j  N1 =rz1 bD(D+kw1bD)
  Z: A7 F0 S/ V　　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
- c6 i( p  c& n( q0 v' ?" M$ o　　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
& Z2 \. [$ B5 ^& _. N; P　　
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　　6. 切屑流屑角计算
5 V+ w& j$ p- t$ T+ U; `　　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：
3 U$ N- f6 x' A& _1 M& C　　l=0.21ap-0.74f0.424(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn+cls
4 J8 {- w8 Q( ?: S- y- u　　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
* V8 ~( U; B+ L3 v, Z　　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
　　
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　　(9)
8 P8 K* a' ?+ M7 |8 f  W; I　　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。

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