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| 限制接触刀具切削力与刀—屑接触长度关系的研究 |
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| 2008年04月25日 |
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摘要：通过切削试验，研究了限制接触刀具前刀面的刀—屑接触长度逐渐减小时切削力的变化规律。试验结果表明：当刀具前刀面刀—屑接触长度减小时，前刀面上的法向力Fn和切向力Ff呈非线性减小，且Ff-l曲线存在两个拐点，根据这两个拐点可间接测量前刀面的刀—屑接触长度L和紧密型接触长度lf1。 |
1 引言
在金属切削过程中，刀—屑接触长度直接影响切削的摩擦状况，从而影响切削力、切削温度、切屑形成、刀具磨损和已加工表面质量。此外，刀—屑接触长度与刀片槽型设计也有密切关系。因此，对刀—屑接触长度的研究十分重要。限制接触刀具与自然接触刀具有着不同的切削机理(如Merchant 和Lee-Shaffer 理论中的剪切角公式不适用于限制接触刀具，用该公式计算出的剪切角f远小于试验结果)，已有不少学者对限制接触刀具的独特性能进行了研究。本文研究了限制接触刀具前刀面上的正压力Fn和摩擦力Ff与刀—屑接触长度的关系，探讨了其变化规律，认为根据这一变化规律可间接测量前刀面的刀—屑接触长度L和紧密型接触长度lf1。
图1 限制接触刀具示意图 |
图2 限制接触刀具前刀面切削力示图 |
2 切削试验
采用限制接触刀具在车床上对钢管端面进行自由车削(直角自由切削)试验，并测量切削力的变化。试验条件如下：
- 刀具：试验所用限制接触刀具如图1所示。图中l为前刀面限制接触长度(试验中可逐次缩短)。刀具前角g0=5°，后角a0=10°，主偏角kr=90°，刃倾角ls=0°。刀具材料为W18Cr4V。应注意：前刀面台阶高度h的大小应适当(推荐值为h=1.0～1.5mm)，如h过大，将降低刀尖处的强度和刚度；如h过小，则当前刀面宽度小于刀—屑接触长度后，切屑仍可能与刀具前表面接触(即刀—屑二次接触)，从而影响试验结果的准确性。
- 试件：10 号无缝钢管(退火处理，HB100～130)。
- 试验设备：CM6140 精密车床；KISTLER测力仪及电荷放大器。
- 切削参数：切削宽度aw=2mm，切削速度v=55.3m/min，切削厚度ac=0.15，0.2mm。
3 试验结果与分析在切削试验中，限制接触刀具前刀面的切削力如图2 所示。
由图2可得
| Fn=Fzcosg0-Fxsing0 |
(1) |
| Ff=Fzsing0+Fxcosg0 |
(2) |
根据式(1)、(2)，可将测得的切削力垂直分力Fz和轴向分力Fx换算成刀具前刀面上的正压力Fn和摩擦力Ff。
根据试验数据，得到采用不同切削厚度ac时切削力轴向分力Fx(可换算为摩擦力Ff)和垂直分力Fz(可换算为正压力Ff)随前刀面限制接触长度l的变化趋势，如图3、图4所示。
由图3、图4 可知，Fn与Fz、Ff与Fx具有相同的变化趋势。Ff、Fn均随l的减小而按非线性规律减小。Ff随l减小的变化趋势为：Ff开始缓慢减小，然后急剧减小，当l减小到一定程度后，Ff减小的趋势再次变缓。当Ff开始缓慢减小时，Fn几乎无变化；当Ff急剧减小时，Fn才开始减小，当l减小到一定程度后，Fn减小的趋势也变缓。
图3 Ff随l的变化趋势 |
图4 Fn随l的变化趋势 |
试验结果表明，刀—屑接触长度L 对切削力有明显影响。当l>L时，随着l的减小，切削力Ff、Fn的数值不变；当l<L时，切削力则开始随l的减小而减小。由此可推知，切削力开始减小的点(称为第一个拐点)所对应的l即为刀—屑接触总长度L。由图3可知，当ac=0.15mm 时，L=1.66mm；当ac=0.2mm 时，L=1.86mm。
根据金属切削理论，切屑与前刀面的接触可分为紧密型接触和峰点型接触，且接近85%的接触载荷作用于紧密型接触区。因此当l接近紧密型接触长度时，切削力急剧减小。由此可推知，Ff-l曲线上Ff开始急剧减小的点(称为第二个拐点)所对应的l即为刀—屑紧密型接触长度lf1。由图3 可知，当ac=0.15mm时，lf1=0.8mm；当ac=0.2mm 时，lf1=0.88mm。
Ff、Fn随l的减小规律呈非线性是刀具前刀面上应力分布变化造成的。前刀面上的应力分布随l的变化规律如图5 所示(以ac=0.15mm 为例)。
图5 前刀面上应力分布随l的变化规律 |
图5反映了刀具前刀面上剪应力和正应力的平均分布情况。由图5可知，随着l的减小，正应力s和剪应力ts均增大，这正是导致Ff、Fn随l的减少而呈非线性减少的原因。进一步分析ts-l曲线可知，当l较小时，曲线存在一个峰和谷。峰所对应的l正是Ff-l曲线上的第二个拐点。此后剪应力减小，对应于Ff-l曲线中的Ff急剧减小阶段。当l减小到一定程度后，剪应力重新增大，对应于Ff-l曲线中Ff减小趋势变缓的阶段。由图4可知，当l接近刀—屑紧密型接触长度时，Fn开始明显减小。因此，当l接近刀—屑紧密型接触长度时，Ff、Fn均急剧减小。根据以上分析，利用限制接触刀具的Ff随l的变化规律，可间接测量刀—屑接触长度，即在Ff-l曲线上，第一个拐点对应的l值即为刀—屑接触总长度L，第二个拐点对应的l值即为刀—屑紧密型接触长度lf1。采用这种测量方法时，测量精度与取点间隔有关，取点间隔越小，测量精度越高。采用该方法可克服用传统的磨痕法测量刀—屑接触长度时易受测量者主观因素影响的缺点。
4 结论
- 用限制接触刀具进行直角自由车削时，刀具前刀面上的摩擦力Ff和法向力Fn均随前刀面限制接触长度l的减小而呈非线性减小：开始时Ff变化缓慢，Fn则几乎不变；当l接近lf1时，切削力急剧减小；当l减小到一定程度后，切削力减小的趋势再次变缓。
- 切削时，刀具前刀面上的正应力s 和剪应力ts均随l的减小而呈非线性增大，其中ts-l曲线存在一个峰和谷。
- 用限制接触刀具进行直角自由车削时，随着前刀面接触长度的缩短，Ff的变化存在两个拐点，这两个拐点分别对应的前刀面宽度l即为刀—屑接触长度L 和紧密型接触长度lf1，因此可用限制接触刀具切削时Ff随l的变化规律来间接测量刀—屑接触长度。
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