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金属切削加工切屑形状参数的量化计算
2008/3/27/09:36

1. 引言
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。

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。 1
图1 螺旋切屑形状参数 2. 切屑形成及形状参数刀具切入工件时,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
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
1 (1) 1 (2) 1 (3)
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
图2 切屑轴截面参数 3. 切屑轴截面参数计算
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) bch= ap sinkr (5)
kch=arctan(Ahtankr) (6) 其中变形系数Ah= cos(f-co) sinf
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。 4. 切屑上卷曲率计算 1
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)
其中刀屑接触长度lf=km
hDsin(f+b-g0) sinfcosb 切削厚度hD=f·sinkr
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 rx R0 (w-lf)coss/2 (7) 5. 切屑横卷曲率计算 1
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 1 = D rz1 bD(D+kw1bD)
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 =kw2xhDaw rz2
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 1 (8)
6. 切屑流屑角计算
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: l=0.21ap-0.74f0.424(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn+cls
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 Cl1=0.21(rs+0.45)0.68(kr-16)1.280.99gn,Cl2=cls则计算流屑角公式可简化为 1 (9)
7. 结论
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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