切削參數(shù)對(duì)切削能影響實(shí)驗(yàn)研究*

占 剛，何 林，蔣宏婉，鄒中妃

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州師范學(xué)院，貴陽 550018；3.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 凱里 556000)

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切削參數(shù)對(duì)切削能影響實(shí)驗(yàn)研究*

占 剛1,3，何 林2,1，蔣宏婉1，鄒中妃1

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州師范學(xué)院，貴陽 550018；3.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 凱里 556000)

切削能絕大部分會(huì)轉(zhuǎn)化為切削熱，進(jìn)而直接影響切削溫度，因此研究切削參數(shù)對(duì)切削能的影響規(guī)律對(duì)切削溫度的研究有重要意義。文章以新型硬質(zhì)合金微坑車刀切削304不銹鋼為例，通過理論計(jì)算結(jié)合切削實(shí)驗(yàn)，研究新型硬質(zhì)合金微坑車刀在切削過程中切削參數(shù)對(duì)切削能的影響。結(jié)果表明，對(duì)剪切能影響最大的是切削深度，其次是切削速度，最后是進(jìn)給量；對(duì)摩擦能影響最大的是切削速度，其次是進(jìn)給量，最后是切削深度。

切削能；剪切能；摩擦能

0 引言

在金屬切削過程中，刀具和被加工材料之間產(chǎn)生劇烈的擠壓和摩擦，金屬材料在變形及刀具劇烈摩擦過程中產(chǎn)生的能量大多轉(zhuǎn)化成熱能，其中大部分被切屑帶走，少量傳入工件和周圍環(huán)境，其余部分傳入刀具，導(dǎo)致刀具溫度升高，磨損加劇，壽命降低。切削溫度一直都是切削加工領(lǐng)域國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)[1]，而切削能的產(chǎn)生、傳遞與轉(zhuǎn)化對(duì)切削溫度的研究尤為重要。萬珍平[2]等研究了雙刃斜角切削流屑角同切削能的關(guān)系；林琪[3]等用有限元分析軟件仿真分析了涂層厚度及涂層材料對(duì)切削能的影響；劉戰(zhàn)強(qiáng)[4]課題組研究了高速切削7050-T7451鋁合金切削能中剪切能和摩擦能的消耗占比情況；J.Ma等[5]研究了切削速度、刀具前角、刀尖半徑和刃口半徑對(duì)切削AISI4140過程中切削能消耗的變化規(guī)律；Vincent A Balogun等[6]研究了刀具磨損、刃口鈍化半徑和冷卻液對(duì)切削能的影響；Akyildiz等[7]研究了切削過程中對(duì)切削能影響的主要因素；Rajesh Kumar Bhushan[8]通過優(yōu)化切削參數(shù)，達(dá)到減少切削能消耗13.55%。以上成果從不同的角度開展了切削能的研究，但至今未見以304不銹鋼為加工對(duì)象，采用自主設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)來開展切削能研究。本文采用某廠提供的304不銹鋼專用硬質(zhì)合金車刀，經(jīng)過對(duì)前刀面結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，用基礎(chǔ)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法研究該新型微坑車刀切削參數(shù)對(duì)剪切能和摩擦能的影響規(guī)律。

1 新型微坑車刀

某廠切削304不銹鋼專用硬質(zhì)合金原車刀如圖1a所示。在保證刀具制造精度、主切削刃強(qiáng)度和微坑涂層結(jié)合力條件下，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)的可轉(zhuǎn)位新型微坑車刀如圖1b所示，微坑邊緣距主切刃0.34 mm,距副切刃0.28 mm,微坑長為1.17 mm，寬為0.75 mm，最大微坑深度為0.1 mm；圖1c為新型微坑車刀微坑放大圖。

(a)原車刀 (b)新型微坑車刀 (c) 微坑放大圖圖1 原車刀和新型微坑車刀

2 切削能的求解

假設(shè)材料大變形時(shí)不可壓縮[9-10]，切削過程中車刀的受力關(guān)系如圖2a所示，圖2b為切屑受力平衡圖。

(a)車刀受力關(guān)系 (b)切屑受力平衡圖圖2 切削過程切屑的受力圖

ac為切屑厚度，a為切削厚度，aw為切削寬度，ap為切削深度，γ0為刀片前角，ψr為刀片余偏角，f為工件材料剪切角，f為進(jìn)給量，由連續(xù)條件得：

a=f·cosψr

(1)

(2)

(3)

(4)

根據(jù)圖2a所示，可知剪切面上的剪應(yīng)變可表示為：

(5)

切削過程中切屑同時(shí)受到第一變形區(qū)剪切變形產(chǎn)生的力和前刀面摩擦擠壓力的作用，兩者構(gòu)成平衡，如圖2b所示，刀具對(duì)切屑的作用合力Fry可分解為前刀面上的摩擦力Ff和正壓力Fn，工件對(duì)切屑的作用合力Frs可分解為水平分力Fz和垂直分力Fy，即分別為測(cè)力系統(tǒng)采集的主切削力和切深抗力，也可分解為剪切面上的切向力Fs和法向力Fns，則有：

Ff=Fz·sinγ0+Fy·cosγ0

(6)

Fs=Fz·(cosφ-sinφ·tan(β-γ0))

(7)

車削過程中，不斷通過能量輸入，使切屑發(fā)生變形和斷裂分離，其總能量主要包括剪切面上的剪切能，前刀面的摩擦能，如圖3所示。R1是剪切面產(chǎn)生熱量流入切屑的比率，R2是前刀面因摩擦產(chǎn)生熱量流入切屑的比率。

圖3 切削能量消耗

切除單位體積金屬材料各部分切削能可表示為：

(8)

(9)

3 新型微坑車刀切削實(shí)驗(yàn)

切削實(shí)驗(yàn)刀具采用如圖1b所示新型微坑車刀,刀具幾何角度和工作角度如表1所示。實(shí)驗(yàn)機(jī)床為C6136HK數(shù)控車床，測(cè)力儀為Kistler-9257B，工件為直徑60mm的304不銹鋼棒料，工件材料物理機(jī)械性能如表2所示。切削參數(shù)采用實(shí)際生產(chǎn)推薦參數(shù)，切削速度為150m·min-1,進(jìn)給量f為0.15 mm·r-1,切削深度為2 mm。測(cè)力切削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

表1 刀具的幾何角度

表2 工件材料性能

圖4 切削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)合研究內(nèi)容和切削條件，設(shè)計(jì)如表3所示切削實(shí)驗(yàn)方案。

表3 切削實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)過程中，每一切削實(shí)驗(yàn)各方向的切削力數(shù)據(jù)采集3次，求其算術(shù)平均值作為所切方向的切削力值；同時(shí)，每一實(shí)驗(yàn)均收集切屑，且切削足夠長度，3次測(cè)量切屑厚度，取其算術(shù)平均值為所測(cè)實(shí)驗(yàn)的切屑厚度，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 切削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 切削參數(shù)對(duì)切削能影響分析

根據(jù)式(1)～式(9)，切削參數(shù)對(duì)切削能的影響如圖5所示。

(a)切削速度對(duì)切削能的影響

(b)進(jìn)給量對(duì)切削能的影響

(c)切削深度對(duì)切削能的影響圖5 切削參數(shù)對(duì)切削能的影響

由圖5a所示，在切削速度較低的階段，隨著切削速度的增加，剪切能和摩擦能隨著切削速度的增加呈現(xiàn)波動(dòng)的狀態(tài)，剪切能總體呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)，而摩擦能波動(dòng)上升。在切削速度較高的階段，隨著切削速度的增加，剪切能和摩擦能均下降。由圖5b所示，隨著進(jìn)給量的增加，剪切能總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但在進(jìn)給量較大的階段波動(dòng)上升；摩擦能總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但在進(jìn)給量較大的階段波動(dòng)下降。由圖5c可以看到，隨著切削深度的增加，剪切能急劇上升，隨后呈現(xiàn)輕微的波動(dòng)并略向下。而摩擦能隨著切深的增加在初始階段急劇下降，隨后平穩(wěn)波動(dòng)，并有略微上升。

在金屬切削過程中，由式(1)和式(3)可知，隨著切削速度的增加，剪切區(qū)的變形系數(shù)ξ逐漸減小，即剪切變形程度逐漸降低，剪應(yīng)變也逐漸減小，剪切區(qū)產(chǎn)生熱量降低，剪切能逐漸降低；隨著進(jìn)給量的增大，剪切區(qū)的變形系數(shù)ξ也逐漸減小，剪切變形程度降低，剪切區(qū)產(chǎn)生熱量降低，剪切能也逐漸降低；隨著切削深度的加大，剪切區(qū)的變形系數(shù)ξ逐漸增大，剪切變形程度增大，切削刃參與切削的長度增加，同時(shí)切削刃散熱性能增強(qiáng)，切屑厚度變厚，帶走熱量增多，剪切能逐漸增加，隨著切削深度的進(jìn)一步增加，產(chǎn)生的切削熱進(jìn)一步增加，同時(shí)帶走的熱量也增加，形成相對(duì)平衡的狀態(tài)，剪切能在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

而隨著切削速度的增大，切深抗力增大使得切削區(qū)的摩擦力增大，摩擦產(chǎn)生的熱促使切削區(qū)溫度升高，摩擦能增大，隨著切削速度的進(jìn)一步增大，切削區(qū)溫度進(jìn)一步升高，刀屑接觸區(qū)材料軟化，摩擦系數(shù)減小，摩擦力降低，切削溫度降低，摩擦能逐漸降低；隨著進(jìn)給量的增大，切削面積增大使得摩擦力增大，切削溫度升高，摩擦能逐漸增大，進(jìn)給量進(jìn)一步增大，切削區(qū)溫度進(jìn)一步升高，刀屑接觸區(qū)材料軟化，摩擦力降低，切削溫度降低，摩擦能降低；隨著切削深度的加大，切削刃參與切削的長度增加，同時(shí)切削刃散熱性能增強(qiáng)，切屑厚度變厚，帶走熱量逐漸增多，切削區(qū)溫度降低，摩擦能逐漸降低。

剪切能和摩擦能對(duì)金屬切削過程有重要的影響，尤其在研究切削溫度和切削力的過程中，在這里對(duì)剪切能和摩擦能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行方差分析，用于評(píng)估切削參數(shù)對(duì)切削能影響的顯著性?；诜讲罘治龅慕Y(jié)果，切削參數(shù)對(duì)切削能影響的F臨界值均遠(yuǎn)小于F值，可知切削參數(shù)對(duì)剪切能和摩擦能的影響均十分顯著；切削速度對(duì)剪切能的影響的P-value值為8.8386×10-8,進(jìn)給量對(duì)剪切能的影響的P-value值為1.5756×10-5,切削深度對(duì)剪切能的影響的P-value值為1.6728×10-8,可以判斷對(duì)剪切能影響最大的切削深度，其次是切削速度，最后是進(jìn)給量；切削速度對(duì)摩擦能影響的P-value值為1.5736×10-8,進(jìn)給量對(duì)摩擦能影響的P-value值為2.9455×10-7,切削深度對(duì)摩擦能的影響的P-value值為1.2181×10-3,可以判斷對(duì)摩擦能影響最大的是切削速度，其次是進(jìn)給量，最后是切削深度。

5 結(jié)論

本文主要關(guān)注新型硬質(zhì)合金微坑車刀切削過程中切削參數(shù)對(duì)切削能的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

切削速度、進(jìn)給量和切削深度對(duì)剪切能和摩擦能的影響均十分顯著；對(duì)剪切能影響最大是切削深度，其次是切削速度，最后是進(jìn)給量；對(duì)摩擦能影響最大的切削速度，其次是進(jìn)給量，最后是切削深度。

[1] 謝晉，羅敏捷，吳可可，等.CBN車刀前刀面微溝槽結(jié)構(gòu)磨削及其對(duì)于干切削溫度的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2014, 50(11)：192.

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(編輯 李秀敏)

Experimental Study on the Effect of Cutting Parameters on Cutting Energy

ZHAN Gang1,3， HE Lin2,1，JIANG Hong-wan1，ZOU Zhong-fei1

(1.College of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China;2. Guizhou Normal College, Guiyang 550018，China)

Most of the cutting energy is converted into cutting heat, which directly affects the cutting temperature. Therefore, it is important to study the influence of cutting parameters on cutting energy. In this paper, a new type of cemented carbide micro-turning tool cutting 304 stainless steel as an example, through theoretical calculation combined with cutting experiments to study the new carbide micro-pit turning tool in the cutting process cutting parameters on the cutting energy. The results show that the cutting depth has the greatest influence on the shear energy, followed by the cutting speed, and finally the feed rate. The cutting speed has the greatest effect on the friction energy, followed by the feed rate and finally the cutting depth.

cutting energy; shear energy; friction energy

1001-2265(2017)07-0146-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.07.035

2017-01-02；

2017-03-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51265005，51665007)；教育部博士點(diǎn)基金(20125201110001)

占剛(1979—)，男，湖北京山縣人，貴州大學(xué)博士，副教授，研究方向?yàn)榈毒邉?chuàng)新設(shè)計(jì)研究，(E-mail)zhangangbmw@163.com；通訊作者：何林(1965—)，男，四川鹽亭縣人，貴州大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榈毒邉?chuàng)新設(shè)計(jì)、摩擦與表面工程研究，(E-mail)helin6568@163.com。

TH140;TG506

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