金属切削加工切屑形状参数的量化计算

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。

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)
 

 (2) 

 (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。

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

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

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
 (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
 (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。