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1. 引言 : i; i' F6 r* W7 m( u0 F; [
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。! ^! y+ Z; z, N
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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7 n* n. q2 F# P8 E$ v3 hhttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/c451b281-62cc-40a8-a76b-04dd3308d091.gif8 i/ }0 t3 ]( A# G7 ~
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图1 螺旋切屑形状参数 2. 切屑形成及形状参数
% k! `1 h4 R0 `& E% t 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
9 ]6 u L* U) ]8 _/ x 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 N. ?( j# N: g; w" khttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/7bff53aa-8783-4802-b8ac-76238287b0ff.gif' a2 X# Q8 m# r# C# f; F3 T% s" g
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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。
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, ?% \: k) r% ]: k; L6 m2 ahttp://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/974f91e5-ca4b-42bf-8ec2-6cf2ef7d5650.gif5 K" B* X4 e+ K$ Z6 O& @
图2 切屑轴截面参数 3. 切屑轴截面参数计算
. Z7 P; D) _0 x% w 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)1 q' t. a: A* e2 f. F
bch= ap* Y3 `5 g/ G. `* ]6 n! D
sinkr
3 A( f t; h$ |" r% y- J2 y (5)+ ]4 w- s+ J+ u
kch=arctan(Ahtankr) (6)
/ N6 H6 ?- B) _; }: T: p 其中变形系数Ah= cos(f-co)
- {( I, d' u# @+ M s& _ L- Y sinf
! _2 z8 |2 ]) p$ g0 g 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。, Y( T( @9 J5 e3 ~) Y) e o0 c
4. 切屑上卷曲率计算: l0 \! r" }3 V4 L0 t% f+ M
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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)
: ]& g3 W0 y) k$ @% ` 其中刀屑接触长度lf=kmhDsin(f+b-g0)/ ~. ^2 H/ A3 M9 f
sinfcosb0 F5 j2 J. _# u
切削厚度hD=f·sinkr3 }1 e0 X1 E. P4 k/ _
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 = Cx8 V! ? o8 L- h! |: E/ S6 S9 T, V
rx R0 (w-lf)coss/2% i" M2 y* _& F8 c$ H8 G# i
(7)' s5 S% y0 y }) ^8 V
5. 切屑横卷曲率计算
- B$ w# A6 G; i+ v ( }: v6 j6 O! F; O' K; e7 W" K
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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
9 @) F9 o& k( g Z1 =rz1 bD(D+kw1bD)
& g9 f$ ^/ V% o; M# [ 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: r6 N- F6 M! G! ~) J
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
2 G7 q; C: \0 N; O( m, B# F3 ~0 c+ ^
|1 B6 U2 o: \, h5 {7 ^http://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-20/1d10745a-5c42-4260-ba4f-bd64f723d1f2.gif4 [- X2 T" U0 W' C# [' h4 f
(8)
* W H: u- D% N$ F. F 6. 切屑流屑角计算
: }! r# u7 F# u& ^ 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：
& ~7 Z* z6 ]. T! ~3 L l=0.21ap-0.74f0.424(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn+cls
0 v6 F j$ V- n2 e( x+ D& B5 h! v 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5 }6 w0 }3 h, d( F! T! j9 p1 x7 ^
Cl1=0.21(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn，Cl2=cls4 U( G: U ?$ v+ i& Z9 |0 ]; ?
则计算流屑角公式可简化为
9 z- ^" b; H& I/ M; K; ] + O+ |/ t, |6 P$ H
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(9)
8 Z2 D& F& S4 X3 j D3 w! w9 k 7. 结论
. X2 h4 d. H; y, ~ k9 W 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