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切屑的卷曲形式与断屑方法

2011/8/11    作者:未知    来源:ttcad    阅读:952

在金属切削加工中,不利的屑形将严重影响操作安全、加工质量、刀具寿命、机床精度和生产率。因此有必要对切屑的卷曲形式和断屑方法进行深入研究,以便对切屑形态进行有效控制。
1.切屑卷曲形式
  在塑性金属切削加工过程中,由于切屑向上卷曲和横向卷曲的程度不同,所产生的切屑形态也各不相同。为了便于分析切屑卷曲的形式,可将切屑分为向上卷曲型、复合卷曲型和横向卷曲型三大类。在脆性金属切削加工中,容易产生粒状切屑和针状切屑,只有在高速切削、刀具前角较大、切削厚度较小时,此类切屑的卷曲方向才与一般情况下略有差异。
  在切削塑性金属时,如刀具刃倾角为0°,有卷屑槽且切削宽度较大,切屑大多向上卷曲。在其它情况下,切屑大都为横向卷曲。例如,在外圆车削加工中,当进给量与背吃刀量之比较大,且刀具的前角为0°时,切屑容易横向卷曲成垫圈状(见图1)。这是因为切屑两端部分在横向上变宽,而切屑的体积不变,横向变宽部分的厚度必然变薄,若长度不缩短,就必然产生横向卷曲;另外,若在车刀上磨有过渡刃,加上刀尖和副切削刃的作用,使得在切屑宽度方向上剪切角发生变化,也可使切屑产生横向弯曲而呈垫圈状。
  在通常情况下,切屑不可能仅仅向上卷曲或横向卷曲,而是在向上卷曲的同时也产生横向卷曲。长紧卷屑和螺状卷屑的形成就是切屑同时向上和横向卷曲的结果(如图2)。
2.断屑方法
  在塑性金属切削中,直带状切屑和缠绕形切屑是不受欢迎的;而在脆性金属切削中,又希望得到连续型切屑。通常,改变切削用量或刀具几何参数都能控制屑形。在切削用量已定的条件下加工塑性金属时,大都采用设置断屑台和卷屑槽来控制屑形。本文主要讨论卷屑槽基本参数的计算。
图3是直线型、直线圆弧型和圆弧型三种卷屑槽的基本形式。其主要参数如下:
(1)接触长度L
图3中,切屑在前刀面上的接触长度可由下式获得
L=Kmachsin(φ+β-γo)/sinφcosβ            (1)

式中Km——切屑与前刀面接触长度修正系数,一般取1.6左右
   ach——切屑厚度
  (2)卷屑槽半径R2
  由断裂理论可知,塑性金属的断屑条件是

εf≥εfc                 (2)

式中 εf——切屑卷曲应变
   εfc——临界断裂应变

  对于向上卷曲型切屑,其折断条件如图4所示。假设在切屑外表面拉长ΔL后达到断裂极限,由几何关系得

ΔL=(R1+y)dθ-R1dθ              (3)

式中 ΔL——切屑断裂时断裂表面的伸长量
   R1——切屑断裂时的卷曲半径
   y——切屑中性层至断裂表面的法向距离
  因为弯曲应变为

ε=Δl/l

式中 l——中性层上的切屑长度
  所以断裂应变为

εfc=[(R1+y)dθ-R1dθ]/R1dθ=y/R1         (4)

  由塑性力学知

σb=Eεfc                 (5)

  由式(4)和式(5)可得向上卷曲型切屑折断时的卷曲半径为

R1=Ey/σb                (6)
  由于短耳状切屑与弧形切屑类似,故其理论模型可参照弧形切屑(略)。对于长耳状切屑,因其与刀具后刀面碰撞而折断,故其理论模型如图5所示。其应变可由下式求出

εfc=0.5ach(1/R2+1/RL)           (7)

式中 ach——切屑厚度
   R2——卷屑槽半径
   RL——长耳状切屑断裂时的卷曲半径

  由式(5)和式(7)可得卷屑槽半径为

R2=1/(2σb/Each+1/RL)           (8)

  以切削45钢(调质)为例,其弹性模量E=206GPa,强度极限σb=650GPa,测得切屑厚度为0.2mm。
  由式(6)得R1=1.7mm,由式(8)得R2<31.7mm。
  为了保证断屑,根据不同材料,可选取断屑系数为8~12,此时卷屑槽最大卷曲半径为2.64~3.96mm,而由试验统计得到的卷屑槽卷曲半径为3mm左右。通过分析发现,金属经过塑性变形以后,硬度和强度大大提高,而塑性和韧性却显著下降,这是造成理论值远远高于试验值的主要原因。因此,在设计卷屑槽时,断屑系数可选取理论值与试验值之比。卷屑槽半径最后计算公式为

R=R1/n                 (9)
式中 R——卷屑槽卷曲半径
   n——断屑系数,一般取8~12
  (3)在中等切深情况下,一般可选取θ=110°~120°。θ角太小会使切屑堵塞在槽中,造成打刀;θ角太大,则会使切屑卷曲半径太大,切屑因变形小而不折断。
  (4)卷屑槽与主切削刃的倾斜方式分为外斜式、平行式和内斜式。外斜式卷屑槽容易造成切屑翻转到车刀后刀面而得到C形屑(短耳状或长耳状切屑);平行式卷屑槽的切屑大多是碰到工件加工表面折断;内斜式卷屑槽的切屑容易形成连续的长紧卷屑。切削中碳钢时,内斜式和外斜式卷屑槽的斜角常取8°~10°。
 

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