道岔高錳鋼鉆削切屑卷曲半徑的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究*

楊 亮 戴江鵬 施志輝 許 立

(大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

切屑的控制是現(xiàn)代化加工的主要問(wèn)題之一［1］。切削變形的實(shí)質(zhì)是工件材料在刀具擠壓作用下的剪切變形。鉆削加工由于它的半封閉性，切屑的流動(dòng)往往難以控制，在研究流屑的問(wèn)題過(guò)程中，切削參數(shù)是必須要考慮的影響因素，然而，切屑的流動(dòng)性特別是鉆削加工中的流屑研究更應(yīng)該考慮到刀具本身參數(shù)的影響。切削流動(dòng)以及切削卷曲的數(shù)學(xué)表達(dá)常常使用的量有切屑的初始卷曲半徑R0，流屑角η 等［2］?；谝陨蠀?shù)的理論表達(dá)方法，不同的學(xué)者給出了不同研究結(jié)果［3-5］。本文試圖通過(guò)對(duì)流動(dòng)過(guò)程中的一段“微小切屑”進(jìn)行簡(jiǎn)單的受力分析，給出切屑的初始卷曲半徑為R0的理論表達(dá)，并進(jìn)行斷屑槽尺寸對(duì)R0影響的實(shí)驗(yàn)分析研究。

1 卷曲半徑R0的理論分析

鉆頭鉆入工件產(chǎn)生的切屑從前刀面流過(guò)并發(fā)生初始卷曲，切屑的初始卷曲半徑為R0，厚度為αc。當(dāng)假設(shè)鉆頭使用的是直線圓弧型的斷屑槽，切屑在剛脫離斷屑槽時(shí)的卷曲半徑R0可表示為［6］:

式中:W 為斷屑槽寬度;η 為流屑角;τ 為斷屑槽的傾斜角;lf為切屑與斷屑槽直線部分接觸的長(zhǎng)度;H 為斷屑槽的深度;αc為切屑的厚度。

由式(1)可以看出，如果以流屑角為研究對(duì)象，其余的參數(shù)均為與斷屑槽的幾何尺寸有關(guān)的參數(shù)，而流屑角是機(jī)械加工中切屑流動(dòng)的方向，它是指切屑的運(yùn)動(dòng)方向在刀具前刀面上的投影與刀具主切削刃在前刀面上的法線的夾角。因此要進(jìn)一步分析流屑角，建立如圖1 所示的基于鉆尖的坐標(biāo)系。

假設(shè)鉆頭的切削刃為直線刃，選取切屑的一個(gè)“微小單元”作為研究對(duì)象建立切屑的流屑角模型，其中，平面MON 為刀具的前刀面，OM 為刀具主切削刃所在的直線，ON 為主切削刃在前刀面內(nèi)的法線所在的直線。設(shè)“微小單元”切屑在刀具前刀面上的流動(dòng)速度為Vc，與之對(duì)應(yīng)的流屑角為η，如圖2 所示。

分析中，將切屑的流動(dòng)速度分別在X、Y、Z 三個(gè)方向，即在刀具前刀面法線、前刀面內(nèi)沿鉆頭軸線和徑向方向進(jìn)行分解，由于切屑在前刀面法線方向的流動(dòng)速度在前刀面內(nèi)的投影是一個(gè)點(diǎn)，根據(jù)流屑角的定義，可以忽略其對(duì)流屑角的影響。因此，只對(duì)屑在前刀面內(nèi)的流屑角模型進(jìn)行分析，如圖3 所示。

在MON 平面內(nèi)切屑的流動(dòng)vc就是切屑的側(cè)向卷曲運(yùn)動(dòng)，將其分解為vcy和vcz，對(duì)應(yīng)的流屑角為η。其中vcy是切屑沿切削刀具徑向上流動(dòng)導(dǎo)致的，而vcz是由進(jìn)給運(yùn)動(dòng)造成的。

根據(jù)圖3 所示的幾何關(guān)系可得:

即流屑角為

式中:θ 為vcz與主切削刃在前刀面內(nèi)的法線的夾角。由圖3 可以看出θ=π/2-φ，其中2φ 為刀具的鋒角。

由于vcz是由進(jìn)給運(yùn)動(dòng)引起的，可以近似認(rèn)為切屑的vcz即是刀具的進(jìn)給速度，vcz=nf。而對(duì)于vcy，取質(zhì)量為m 的“微小單元”的切屑進(jìn)行分析，可知在排屑過(guò)程中，前刀面內(nèi)的刀具與切屑間的摩擦力Fμ是其產(chǎn)生滑動(dòng)的主要?jiǎng)恿Γ缎奸g的正壓力FN則主要是使切屑發(fā)生擠壓變形，所以研究中忽略FN的影響。因此，

式中:r 為被分析的切屑單元距離鉆尖軸線的距離。

由文獻(xiàn)［7］可知，刀具前刀面的摩擦力為切削合力F 與切削中的平均摩擦角βα的函數(shù)，即Fμ=Fsinβα。根據(jù)金屬切削基本理論可知，切削合力是關(guān)于基本切削要素的函數(shù)，可以表示為F=G(ap，f，v)。將以上各表達(dá)式代入式(1)，可得卷曲半徑R0:

根據(jù)式(5)可知，當(dāng)切削條件一定的情況下，即f、v、ap等條件確定，切屑的初始卷曲半徑主要與斷屑槽的形狀尺寸有關(guān)，因此為鉆削刀片選擇合理的斷屑槽，進(jìn)而獲得理想的卷曲半徑。更進(jìn)一步，如果選取斷屑槽的寬度W 作為研究對(duì)象，令:

由式(5)可得:

可以看出R0是關(guān)于W 的一元二次方程，由于

說(shuō)明方程(6)的二次曲線開(kāi)口向上，所以，方程(6)一定存在某個(gè)W 值使得R0最小。這說(shuō)明卷曲半徑并不是隨著斷屑槽的寬度而單調(diào)變化的，而是滿足二次曲線的規(guī)律，即存在最優(yōu)的斷屑槽寬度值，而使切屑的卷曲半徑達(dá)到最小。

2 實(shí)驗(yàn)用刀片設(shè)計(jì)與仿真分析

為了進(jìn)行斷屑槽尺寸對(duì)切屑卷曲半徑影響的研究，選取斷屑槽寬作為研究變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)中采用機(jī)械夾持式的刀具作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)不同尺寸的斷屑槽刀具。如圖4 所示為其中一種設(shè)計(jì)刀片的結(jié)構(gòu)圖。

利用三維有限元軟件進(jìn)行不同刀片的受力分析仿真，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 為不同結(jié)構(gòu)刀片的等效應(yīng)力分布情況及相應(yīng)的應(yīng)力值，通過(guò)觀察應(yīng)力值大小可得:普通結(jié)構(gòu)刀片、斷屑槽刀片、斷屑槽及分屑槽刀片應(yīng)力值依次減小，說(shuō)明了斷屑槽及分屑槽結(jié)構(gòu)有利于減小鉆削過(guò)程中的軸向力和扭矩。通過(guò)不同結(jié)構(gòu)刀片的應(yīng)力分布情況發(fā)現(xiàn)外傾斜式斷屑槽在傾斜角頂點(diǎn)處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力大小約為5.3 GPa，而一般硬質(zhì)合金的屈服許用應(yīng)力為0.8～3.0 GPa，這樣的集中應(yīng)力必然會(huì)造成刀具的提前破損。

3 不同斷屑槽刀片的實(shí)驗(yàn)研究

利用上述仿真的結(jié)論，分別設(shè)計(jì)不同尺寸斷屑槽的刀片，并進(jìn)行鉆削高錳鋼試件的實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

(1)鉆削方式及條件:在室溫20 ℃的條件下進(jìn)行通孔鉆削，并使用T100B 全合成型切削液。

(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備:哈斯VF-5/50 立式加工中心，如圖6 所示。

(3)切削用量:n=340 r/min，f=0.07 mm/r。

(4)實(shí)驗(yàn)刀具:斷屑槽尺寸W 分別為2.8 mm、3.0 mm、3.2 mm、3.4 mm 的HB2 硬質(zhì)合金刀片，依次定義為刀片A、刀片B、刀片C、刀片D，刀片實(shí)物如圖7 所示。

實(shí)驗(yàn)材料:尺寸為300 mm×100 mm×10 mm 的ZGMn13 板料，進(jìn)行水韌處理和表面處理，表面處理過(guò)程中防止加工硬化。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

利用上述帶有不同尺寸斷屑槽的新型機(jī)夾式刀具進(jìn)行ZGMn13 鉆削實(shí)驗(yàn)，并采集鉆削過(guò)程的軸向力、扭矩以及產(chǎn)生的切屑。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

刀片A、刀片B、刀片C、刀片D 得到的切屑形態(tài)分別如圖8 中的a、b、c、d 所示，軸向力和扭矩如表1所示。

表1 不同刀片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察，可以看出隨著斷屑槽寬度的增加，所獲得的切屑的卷曲半徑確實(shí)不是單調(diào)變化的，而是在刀片B 和C 的取值范圍內(nèi)有最小的卷曲半徑，這一點(diǎn)與理論分析的結(jié)果相一致。

同時(shí)通過(guò)切削力和扭矩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得在所選用的幾種刀片中，刀片B 的切屑形態(tài)最理想、軸向力和扭矩最小，因此刀片B 最適合ZGMn13 的鉆削加工。分析其原因:刀片A 的斷屑槽寬度較小，切屑斷屑效果不明顯而且較小的排屑空間導(dǎo)致切屑仍然有擠壓現(xiàn)象增大了軸向力和扭矩，切屑形態(tài)不理想，刀片D 由于斷屑槽寬度太大導(dǎo)致斷屑效果不如刀片B 理想。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)所建立的切屑卷曲半徑的數(shù)學(xué)模型以及實(shí)驗(yàn)研究，本文得出了如下主要結(jié)論:

(1)通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)研究，切屑卷曲半徑主要與斷屑槽的形狀尺寸有關(guān)。特別是卷曲半徑與斷屑槽寬度之間滿足二次曲線的關(guān)系，存在確定的槽寬值使得卷曲半徑最小。

(2)通過(guò)所建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分別進(jìn)行4 種不同斷屑槽尺寸的刀片進(jìn)行鉆削試驗(yàn)研究，可知在此實(shí)驗(yàn)條件下，斷屑槽寬為3.0 mm 的刀片最適合ZGMn13的鉆削加工，獲得的切屑形態(tài)最理想，軸向力和扭矩最小。

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