切屑的捲曲形式與斷屑方法

tags:    時間:2014-03-07 13:04:09
切屑的捲曲形式與斷屑方法簡介
  在金屬切削加工中,不利的屑形將嚴重影響操作安全、加工質量、刀具壽命、機床精度和生產率。因此有必要對切屑的捲曲形式和斷屑方法進行深入研究,以便對切屑形態進行有效控制。 1.切屑捲曲形……
切屑的捲曲形式與斷屑方法正文


在金屬切削加工中,不利的屑形將嚴重影響操作安全、加工質量、刀具壽命、機床精度和生產率。因此有必要對切屑的捲曲形式和斷屑方法進行深入研究,以便對切屑形態進行有效控制。
1.切屑捲曲形式

在塑性金屬切削加工過程中,由於切屑向上捲曲和橫向捲曲的程度不同,所產生的切屑形態也各不相同。為了便於分析切屑捲曲的形式,可將切屑分為向上捲曲型、複合捲曲型和橫向捲曲型三大類。在脆性金屬切削加工中,容易產生粒狀切屑和針狀切屑,只有在高速切削、刀具前角較大、切削厚度較小時,此類切屑的捲曲方向才與一般情況下略有差異。

在切削塑性金屬時,如刀具刃傾角為0°,有卷屑槽且切削寬度較大,切屑大多向上捲曲。在其它情況下,切屑大都為橫向捲曲。例如,在外圓車削加工中,當進給量與背吃刀量之比較大,且刀具的前角為0°時,切屑容易橫向捲曲成墊圈狀(見圖1)。這是因為切屑兩端部分在橫向上變寬,而切屑的體積不變,橫向變寬部分的厚度必然變薄,若長度不縮短,就必然產生橫向捲曲;另外,若在車刀上磨有過渡刃,加上刀尖和副切削刃的作用,使得在切屑寬度方向上剪切角發生變化,也可使切屑產生橫向彎曲而呈墊圈狀。

在通常情況下,切屑不可能僅僅向上捲曲或橫向捲曲,而是在向上捲曲的同時也產生橫向捲曲。長緊卷屑和螺狀卷屑的形成就是切屑同時向上和橫向捲曲的結果(如圖2)。
2.斷屑方法

在塑性金屬切削中,直帶狀切屑和纏繞形切屑是不受歡迎的;而在脆性金屬切削中,又希望得到連續型切屑。通常,改變切削用量或刀具幾何參數都能控制屑形。在切削用量已定的條件下加工塑性金屬時,大都採用設置斷屑台和卷屑槽來控制屑形。本文主要討論卷屑槽基本參數的計算。
圖3是直線型、直線圓弧型和圓弧型三種卷屑槽的基本形式。其主要參數如下:
(1)接觸長度L
圖3中,切屑在前刀面上的接觸長度可由下式獲得
L=Kmachsin(φ+β-γo)/sinφcosβ  (1)

式中Km——切屑與前刀面接觸長度修正係數,一般取1.6左右

 ach——切屑厚度

(2)卷屑槽半徑R2

由斷裂理論可知,塑性金屬的斷屑條件是

εf≥εfc
(2)

式中 εf——切屑捲曲應變

 εfc——臨界斷裂應變


對於向上捲曲型切屑,其折斷條件如圖4所示。假設在切屑外表面拉長ΔL后達到斷裂極限,由幾何關係得

ΔL=(R1+y)dθ-R1dθ   (3)

式中 ΔL——切屑斷裂時斷裂表面的伸長量

 R1——切屑斷裂時的捲曲半徑

 y——切屑中性層至斷裂表面的法向距離

因為彎曲應變為

ε=Δl/l

式中 l——中性層上的切屑長度

所以斷裂應變為

εfc=[(R1+y)dθ-R1dθ]/R1dθ=y/R1  (4)


由塑性力學知

σb=Eεfc
(5)


由式(4)和式(5)可得向上捲曲型切屑折斷時的捲曲半徑為

R1=Ey/σb
(6)

由於短耳狀切屑與弧形切屑類似,故其理論模型可參照弧形切屑(略)。對於長耳狀切屑,因其與刀具后刀面碰撞而折斷,故其理論模型如圖5所示。其應變可由下式求出

εfc=0.5ach(1/R2+1/RL)  (7)

式中 ach——切屑厚度

 R2——卷屑槽半徑

 RL——長耳狀切屑斷裂時的捲曲半徑


由式(5)和式(7)可得卷屑槽半徑為

R2=1/(2σb/Each+1/RL) (8)


以切削45鋼(調質)為例,其彈性模量E=206GPa,強度極限σb=650GPa,測得切屑厚度為0.2mm。

由式(6)得R1=1.7mm,由式(8)得R2<31.7mm。

為了保證斷屑,根據不同材料,可選取斷屑係數為8~12,此時卷屑槽最大捲曲半徑為2.64~3.96mm,而由試驗統計得到的卷屑槽捲曲半徑為3mm左右。通過分析發現,金屬經過塑性變形以後,硬度和強度大大提高,而塑性和韌性卻顯著下降,這是造成理論值遠遠高於試驗值的主要原因。因此,在設計卷屑槽時,斷屑係數可選取理論值與試驗值之比。卷屑槽半徑最後計算公式為

R=R1/n
  (9)
式中 R——卷屑槽捲曲半徑

 n——斷屑係數,一般取8~12

(3)在中等切深情況下,一般可選取θ=110°~120°。θ角太小會使切屑堵塞在槽中,造成打刀;θ角太大,則會使切屑捲曲半徑太大,切屑因變形小而不折斷。

(4)卷屑槽與主切削刃的傾斜方式分為外斜式、平行式和內斜式。外斜式卷屑槽容易造成切屑翻轉到車刀后刀面而得到C形屑(短耳狀或長耳狀切屑);平行式卷屑槽的切屑大多是碰到工件加工表面折斷;內斜式卷屑槽的切屑容易形成連續的長緊卷屑。切削中碳鋼時,內斜式和外斜式卷屑槽的斜角常取8°~10°。

 

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