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1. 引言
; F% S+ B1 n, {; Z 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。
. l( h: T: p% k3 A7 V; B; u; z 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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, X( z$ {/ D1 g8 ~ 图1 螺旋切屑形状参数 2. 切屑形成及形状参数
* f9 n l- s( O 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 V- `* j2 b1 j6 R) R' M( i5 U8 r 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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0 c% n& d; j4 ]8 r# N' F% g% Hhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/e724acbd-ca0b-4b76-abb5-219cf6f54c45.gif
: z( B4 q6 i* A- I (3)
- f* A2 S6 F4 t8 `9 N, i7 P 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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, g, H# z" q. [' W7 s+ L" K/ T 图2 切屑轴截面参数 3. 切屑轴截面参数计算, i: r( ~% B- V' G7 K$ t* F
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)! M' B, @9 L) h5 x& \; u
bch= ap
; S( a, j8 p0 F sinkr+ u/ ^/ p6 w$ z( S
(5)
$ w) w" Y2 G# J- s% ^3 \( s+ B kch=arctan(Ahtankr) (6)1 f% M8 p/ ` p4 ^6 u
其中变形系数Ah= cos(f-co)1 X" v8 ]( d& ] }4 x8 T& s
sinf6 e6 s& u7 ^. _4 h
式中进给量f、切深ap、刀具主偏角kr及前角co为已知参数，剪切角f可用实验公式求出。. E8 B" ^4 l2 `, _
4. 切屑上卷曲率计算5 i* S$ ^1 y- {
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图3 切屑上向卷曲 切屑上卷半径R0主要与卷屑槽和积屑瘤有关，由于目前常用的硬质合金刀具切削速度较高，一般不会产生积屑瘤，因此不考虑积屑瘤对切屑形成的影响。当前刀面有卷屑槽时，切屑流出受槽型后壁的作用使切屑抬起，切屑根部受弯矩作用，在自由面一侧形成压应力，在前刀面一侧形成拉应力，使切屑产生上向卷曲(见图3)。由此可得 R0=(w-lf)cos(s/2)3 s$ ]7 k$ ^+ c3 H E0 d& @
其中刀屑接触长度lf=kmhDsin(f+b-g0)
( J3 C8 X( ?- ]# g sinfcosb
5 F* e0 Y7 K3 s: ^0 H5 } 切削厚度hD=f·sinkr
# }) @7 z3 C1 |9 F6 b 式中w为卷屑槽宽，s为槽底夹角，实验系数km≈2，摩擦角b通过切削分力可求出。 设Cx为其它影响因素综合系数，则切屑上卷曲率计算公式为 1 = Cx = Cx
: p2 O* W ~" e1 s* q rx R0 (w-lf)coss/2
2 h. X/ b9 \) j! O" [5 d0 u8 P6 D (7)( h/ }+ ]: n6 o9 M# E( ]
5. 切屑横卷曲率计算
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1 v+ d/ t( u6 Q9 w. 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 $ B' R L- p4 C1 G
1 =rz1 bD(D+kw1bD)
, D- ~ F$ v9 B5 u5 X 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* m1 T( Z' g# S8 B5 @( O8 M* I
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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(8)" w0 U5 ?7 r" _. }* g; M, {
6. 切屑流屑角计算0 p1 ]" [$ s0 ^& t3 x, ~, |
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：& t! e; } e( R5 a1 M
l=0.21ap-0.74f0.424(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn+cls
1 l' O7 i+ x* ]6 z) x 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
) r' l, V+ ]6 B# {: S1 } Cl1=0.21(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn，Cl2=cls5 B1 R: Z) W: |8 I
则计算流屑角公式可简化为& |# E# b0 p& P: u: _( L) E
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(9)
$ p/ j* D% p: o8 r6 r$ S# B 7. 结论
+ V' T, r3 [& q7 G0 B4 }8 z. M, J* } 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