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1. 引言 9 S1 I( d3 j0 P2 s2 t: z; 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。. }$ o$ N9 e ?/ X* S+ ?2 n+ 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。4 r6 f5 S$ b d
# Q% V) X# w6 O/ ~$ Phttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/c451b281-62cc-40a8-a76b-04dd3308d091.gif) u( r( F x8 M& x. U* ~) v3 i6 F
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图1 螺旋切屑形状参数 2. 切屑形成及形状参数
9 A: b2 [7 y. B/ E& I9 ~5 C( } 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! V# o2 s o+ d. t6 |
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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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。
# q; s8 r4 v# a# _1 D" |
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图2 切屑轴截面参数 3. 切屑轴截面参数计算% I$ ^0 N+ u, S( z( f/ x1 b
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): D3 G, a! F6 ?4 D5 a
bch= ap x) H/ D: c0 {
sinkr: E x* a8 G/ z6 B% L; G
(5)* U) I& I) H/ ^- \
kch=arctan(Ahtankr) (6)
4 t5 U$ I. t2 D L 其中变形系数Ah= cos(f-co)8 q2 x6 u7 Y. D$ f
sinf
8 \+ R/ _; B3 \ 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。1 B6 r! {5 a; ~/ c! ], l: e
4. 切屑上卷曲率计算' \ D# o$ F) u- i) T
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# m( ~1 P# f1 q, S2 j( E& L 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)
& t j# d7 K2 ~ 其中刀屑接触长度lf=kmhDsin(f+b-g0)
: p! {7 ]+ j: T* @" l) ~, w4 s sinfcosb
/ ~8 {% d5 s: b: {# t. t 切削厚度hD=f·sinkr* M6 @; T7 l* a/ ]* `. S# ~7 a6 |4 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
: m: u' \# ?/ [& S rx R0 (w-lf)coss/27 G4 O( P2 Y! }: @! Q* z, E
(7)
, O$ t5 K3 {/ b( ~ 5. 切屑横卷曲率计算
1 t6 O. v- u1 m+ |! Q9 ^$ f
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# P$ I+ J9 d0 N& T0 H/ D 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 % \! m! L; b1 z. _- c
1 =rz1 bD(D+kw1bD)
$ a: k4 M: _& ]- J- 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 =kw2xhDawrz2/ g7 V+ v. Q! z e. R
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0 I! P1 ~ x* a
- t) Y; M$ b4 d; Ahttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/1d10745a-5c42-4260-ba4f-bd64f723d1f2.gif0 G6 o% q1 u8 A& T. C
(8)# X* v2 ]) V3 {' h0 z5 f
6. 切屑流屑角计算- K/ M) @" M t& o
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：4 w* u ~8 O% \
l=0.21ap-0.74f0.424(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn+cls \5 h8 }' k" G( X/ S0 x& w8 A
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/ Y# {5 e- Z3 Q0 m0 ^# z- d& \
Cl1=0.21(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn，Cl2=cls/ ~3 a/ f" h r+ p% W0 m% }4 x f
则计算流屑角公式可简化为
. p7 C, l$ K2 K- T 5 w$ l% |$ l# U. @) P7 v
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, \) O5 S5 ?8 L! J x% L! D (9)
1 a$ A' \; o, L4 `( ~ 7. 结论
" }: i% g! g. z5 _* O8 M, 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