金屬切削加工切屑形狀參數(shù)的量化計(jì)算
2008/3/27/09:36

1. 引言

在金屬切削加工過(guò)程中，切屑形狀千變?nèi)f化，要實(shí)現(xiàn)切屑形成過(guò)程仿真，必須將切屑形狀參數(shù)化，并根據(jù)加工條件計(jì)算這些參數(shù)值。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)切屑形狀及其形成進(jìn)行了大量深入研究，建立起十幾種切屑形成模型，在切屑流動(dòng)方向、切屑卷曲機(jī)理及切屑折斷方式等方面取得了重要成果。但由于切屑問(wèn)題極為復(fù)雜，許多研究尚屬定性分析，特別是對(duì)切屑橫向卷曲還沒(méi)有量化計(jì)算的方法。

本文根據(jù)切屑的形成機(jī)理及變形規(guī)律，分析影響切屑形狀各因素的主次程度，建立數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)切屑形狀參數(shù)量化計(jì)算，為切屑造型提供數(shù)據(jù)。

圖1 螺旋切屑形狀參數(shù)

2. 切屑形成及形狀參數(shù)

刀具切入工件時(shí)，被切金屬層經(jīng)剪切面發(fā)生塑性滑移變形成為切屑，再經(jīng)刀具卷屑槽卷曲變形，形成一個(gè)等螺距螺旋形切屑，其形狀可由螺旋外徑2r、螺距p、螺旋面與軸的夾角q確定(如圖1)。切屑流出后受工件、刀具及機(jī)床等阻礙引起再度變形或折斷，從而產(chǎn)生各種類型的切屑，因此，其它類型切屑均可視為螺旋切屑的演變和組合。

由切削機(jī)理知，對(duì)螺旋形切屑產(chǎn)生影響的參數(shù)
有：切屑上卷曲率1/r_x，橫卷曲率1/r_z，流屑角h。則螺旋切屑的形狀參數(shù)可表示為

	(1)
	(2)
	(3)

切削加工過(guò)程中，影響1/r_x、1/r_z及q的因素很多，諸如被加工材料的性質(zhì)、切削用量、刀具幾何參數(shù)、冷卻液及加工方式等。通過(guò)對(duì)主要影響因素的分析計(jì)算和對(duì)其它因素進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)切屑形狀參數(shù)的量化計(jì)算。

圖2 切屑軸截面參數(shù)

3. 切屑軸截面參數(shù)計(jì)算

確定螺旋形切屑軸截面形狀的參數(shù)有：切屑厚度h_ch，切屑寬度b_ch，切屑偏角k_ch(如圖2)。

由切削原理可得到切屑軸截面參數(shù)計(jì)算公式

h_ch=A_hf sink_r

(4)

b_ch=	a_p

	sink_r

(5)

k_ch=arctan(A_htank_r)

(6)

其中變形系數(shù)A_h=	cos(f-c_o)

	sinf

式中進(jìn)給量f、切深ap、刀具主偏角k_r及前角c_o為已知參數(shù)，剪切角f可用實(shí)驗(yàn)公式求出。

4. 切屑上卷曲率計(jì)算

圖3 切屑上向卷曲

切屑上卷半徑R₀主要與卷屑槽和積屑瘤有關(guān)，由于目前常用的硬質(zhì)合金刀具切削速度較高，一般不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤，因此不考慮積屑瘤對(duì)切屑形成的影響。當(dāng)前刀面有卷屑槽時(shí)，切屑流出受槽型后壁的作用使切屑抬起，切屑根部受彎矩作用，在自由面一側(cè)形成壓應(yīng)力，在前刀面一側(cè)形成拉應(yīng)力，使切屑產(chǎn)生上向卷曲(見圖3)。由此可得

R₀=(w-l_f)cos(s/2)

其中刀屑接觸長(zhǎng)度l_f=k_m	h_Dsin(f+b-g₀)

	sinfcosb

切削厚度h_D=f·sink_r

式中w為卷屑槽寬，s為槽底夾角，實(shí)驗(yàn)系數(shù)k_m≈2，摩擦角b通過(guò)切削分力可求出。

設(shè)C_x為其它影響因素綜合系數(shù)，則切屑上卷曲率計(jì)算公式為

1	=	C_x	=	C_x

r_x		R₀		(w-l_f)coss/2

(7)

5. 切屑橫卷曲率計(jì)算

圖4 切屑橫向卷曲

目前對(duì)切屑橫向卷曲的研究還只是作定性分析，認(rèn)為影響切屑橫向卷曲的因素有兩項(xiàng)較為顯著：切屑在寬度方向形成側(cè)流和副切削刃參加切削。據(jù)此從理論上建立切屑橫向曲率計(jì)算公式，未知因素由實(shí)驗(yàn)系數(shù)調(diào)整。

設(shè)切屑形成時(shí)在寬度方向上的變形量為D，受工件阻礙引起長(zhǎng)度方向上的速度差Dv=v₂-v₁，同時(shí)產(chǎn)生角速度w=v₂/r_z1=v1/(r_z1-b_D)(見圖4)；令Dv=(D/k_w1b_D)v₁，D=b_ch-b_D，系數(shù)k_w1由實(shí)驗(yàn)求出，則切屑側(cè)流引起的曲率為

1	=	D

r_z1		b_D(D+k_w1b_D)

在同樣切削厚度下，主副切削刃承擔(dān)的負(fù)荷相當(dāng)時(shí)，切屑橫向曲率接近最大；而切削厚度越大，副切削刃對(duì)切屑的橫向卷曲影響也越大。令主副切削刃長(zhǎng)度之比為x，k_w2和a_w為實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)，則副切削刃參與切削引起的曲率為

1	=k_w2xh_D^a_w

r_z2

采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，令k_w1、k_w2和a_w分別以步長(zhǎng)1、0.1和0.1在1-5、0-1和0-1的范圍內(nèi)變化，代入各式求出計(jì)算值Cr_z，通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)得到測(cè)量值Lr_z，求出使S(Lr_z-Cr_z)²最小的一組系數(shù)k_w1、k_w2和a_w。

設(shè)C_z為其它影響因素綜合系數(shù)，則切屑橫卷曲率計(jì)算公式為

(8)

6. 切屑流屑角計(jì)算

直角切削時(shí)，切屑沿切削刃垂直方向流出，而三維切削時(shí)切屑流出方向與主切削刃垂直方向成一夾角，此角近似等于流屑角h。分析流屑角的方法有多種：Stabler法則提出h=cl_s，Colwell認(rèn)為切屑流動(dòng)方向近似垂直于切削刃弦，Wang and Mathew指出刀尖圓弧半徑和切削刃傾斜程度是影響切屑流向的主要原因。

能夠對(duì)流屑角定量計(jì)算的方法是流屑角實(shí)驗(yàn)回歸方程：

l=0.21a_p^-0.74f^0.424(r_s+0.45)^0.68(k_r-16)^1.280.99^gn+cl_s

式中c≈0.62-0.67，是與工件材料有關(guān)的系數(shù)。

設(shè)在一道加工工序(或工步)中不需換刀，則刀具參數(shù)為常數(shù)。令

C_l1=0.21(r_s+0.45)^0.68(k_r-16)^1.280.99^gn，Cl2=cl_s

則計(jì)算流屑角公式可簡(jiǎn)化為

(9)

7. 結(jié)論

切屑的一般形態(tài)是等螺距螺旋形切屑，其軸截面參數(shù)h_ch、b_ch及k_ch由式(4)、(5)、(6)計(jì)算，形狀參數(shù)2r、p及q由式(1)、(2)、(3)計(jì)算確定；其中的影響因素1/l_x、l_z及h用式(7)、(8)、(9)近似計(jì)算得到其參數(shù)值。根據(jù)切屑參數(shù)h_ch、b_ch及k_ch及2r、p、q的定量值可對(duì)切屑進(jìn)行特征造型。

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