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1. 引言 6 F3 W+ ?) c9 \4 n- q1 r! P% d
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* V$ C" m4 Q- q4 Q 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 u i* B+ v) I% s' `, `
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8 e6 b8 r8 E4 q E. r3 E7 R. q. C
* T) m! \ X6 l% ^% d 图1 螺旋切屑形状参数 2. 切屑形成及形状参数 s1 n' Z) u/ c( R& g
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 i4 o2 [8 ?- k0 @" n 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
- v- g- m2 C$ v: Z4 h& P7 F . h0 o$ l+ S: W
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+ |. q. h9 y+ ?0 l; n0 I 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。1 Y8 x6 \* Y2 u9 s
2 I4 X9 o& i7 O# a/ | J! A
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图2 切屑轴截面参数 3. 切屑轴截面参数计算+ e' @' B$ c& D: }& `
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)
2 g6 @: G8 {: K. P1 n bch= ap+ O2 V( }- V4 l) A- \7 w: p
sinkr
! k9 f$ r1 r! [; A (5), b5 i/ e. W& S2 n2 o% E' ?$ B
kch=arctan(Ahtankr) (6)
; V: ?# d# \( [, \6 Z 其中变形系数Ah= cos(f-co)
- X8 D( z! `0 D sinf
% C0 }" y$ f: N7 W 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。3 n/ e0 U2 _; v7 c
4. 切屑上卷曲率计算
& D3 j: `+ s# b! q3 h0 s8 l' V# A 4 D. X& _: y4 g0 D V
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4 { t" B% K2 ^- V 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)& U4 s3 p7 Q Z M! F4 t. c' }4 E: r
其中刀屑接触长度lf=kmhDsin(f+b-g0). w2 |- A# g2 w2 V2 |2 f6 R9 D
sinfcosb
* w3 X# w, j' V8 _7 |7 e% r1 G; y1 N 切削厚度hD=f·sinkr( E( j' J4 S7 }1 P* z( }6 M% Y
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
4 X: e8 y% H& u2 u6 t- d rx R0 (w-lf)coss/2
1 A1 A1 D4 h; Y B; q. L. |' j; C8 n; ^ (7)
; X# l7 k W: G 5. 切屑横卷曲率计算
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6 j4 l( N" z, p! x: ^+ E0 Ohttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/4281b349-aa79-402e-ae20-98ced566d6e0.gif
: f& _) W& S- ^7 u6 s% H" w- g$ W 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
9 v* @. R. M" {, q% D9 K7 l- j1 =rz1 bD(D+kw1bD)
! y5 X- }' p) 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 =kw2xhDawrz28 z- z1 y7 d* m N
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* g) o/ t* m* U5 a: a5 X- E8 `/ K
; G' ]; S% b5 h2 h) S% Dhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/1d10745a-5c42-4260-ba4f-bd64f723d1f2.gif
3 @# Q7 {- Y9 z' I3 R (8)
/ d! J$ _6 z" `: \$ }6 l" V! | 6. 切屑流屑角计算
) [: m- r6 }% A2 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：) f: F. }5 m5 ?# p; c
l=0.21ap-0.74f0.424(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn+cls8 J& B9 K6 Q! m: W3 S/ J
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
& L _! \: J# [ Cl1=0.21(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn，Cl2=cls
1 N" a m9 [# Y: q8 _ 则计算流屑角公式可简化为5 c6 t4 S: Y( W& o6 D: ?; d7 _
8 a5 o& d6 V1 }/ k0 B# ^% Jhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/c8b112a7-97d5-4b2a-94db-af243794be7d.gif
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! V4 i2 { J5 W( b K" z7 E 7. 结论2 y& Y9 T: i9 w3 n# h% U$ 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