車刀刀尖圓弧半徑對切削變形及實際主偏角的影響

王進(jìn)峰,潘麗娟,商 正,呂鵬瑞,范孝良

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院,河北 保定 071003)

選擇刀具的合理參數(shù)能夠在保證加工質(zhì)量的前提下,延長刀具壽命,提高生產(chǎn)效率,降低加工成本.刀具的幾何參數(shù)主要包括前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角、刀尖圓弧半徑等,這些幾何參數(shù)在切削過程中是相互影響、綜合作用的.車刀刀尖圓弧半徑在切削過程中不僅能夠保護(hù)切削刃,而且直接影響切削層參數(shù)與零件加工表面的質(zhì)量,并且其半徑會隨著切削進(jìn)程而逐漸變大.

龐佳等[1]采用了多種有限元模型對不同刀片刀尖圓弧半徑的直角切削實驗進(jìn)行仿真,為刀片刀尖圓弧半徑的選擇和優(yōu)化設(shè)計提供了一種解決方案.黃濤顯[2]利用多組對比實驗,得出在振動切削加工中顫振與刀尖圓弧半徑的關(guān)系.肖民等[3]分析了在振動切削過程中,刀尖圓弧半徑對難加工材料的影響.杜玉真等[4]針對顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的特點(diǎn),分析了刀尖圓弧半徑對棱邊缺陷的影響.秦浩天[5]研究了刀尖半徑對7050鋁合金薄壁件切削性能的影響.馮薇薇[6]分析了激光輔助微銑削過程中銑削力與刀尖圓弧半徑之間的關(guān)系.李啟航[7]采用單因素試驗法仿真,分析了圓柱銑刀的前角和刀尖圓弧半徑對切削性能的影響.杜家溪等[8]分析了刀尖圓弧半徑在球面零件加工過程中,其大小對加工精度的影響.高曉東[9]分析了在加工圓錐面、圓弧面和非圓曲線表面時,數(shù)控車刀刀尖圓弧半徑對加工精度的影響.周敏[10]分析了刀尖圓弧半徑對車削過程切削力的影響.王守志等[11]從總體上論述了刀尖圓弧半徑對車削質(zhì)量的影響.此外,文獻(xiàn)[12-14]通過分析刀具實際主偏角,獲得了刀尖圓弧半徑對工件表面質(zhì)量、切削力和刀具磨損等宏觀方面的影響.

本研究為了揭示刀尖圓弧半徑對切削過程的影響,從理論上進(jìn)行分析,揭示刀尖圓弧半徑r對切削層面積和刀具計算主偏角的影響.為了便于分析,本文考慮3種切削條件:① 刀尖圓弧半徑r小于切削深度ap,主偏角kr≤ 90°;② 刀尖圓弧半徑r小于切削深度ap,kr> 90°;③ 刀尖圓弧半徑r大于切削深度ap.

1 刀尖圓弧半徑r對主偏角的影響

第①種切削條件,計算主偏角krε如圖1所示.

圖1 刀尖圓弧半徑r小于切削深度,

根據(jù)圖1的幾何關(guān)系,可得出計算主偏角krε為

(1)

式中:f為進(jìn)給量.

當(dāng)主偏角=90°時,其計算主偏角為

(2)

第②種切削條件,其計算主偏角krε如圖2所示.

圖2 刀尖圓弧半徑r小于切削深度ap,

根據(jù)圖2的幾何關(guān)系,可得出計算主偏角krε為

(3)

第③種切削條件,由于此時切削深度還未到達(dá)切削刃末端,因此,計算計算主偏角krε時,不需要考慮初始主偏角的大小,其計算主偏角krε如圖3所示.

圖3 刀尖圓弧半徑r大于切削深度Fig.3 Tool nose radius r is more than cutting depth

根據(jù)圖3的幾何關(guān)系,可得出計算主偏角krε為

(4)

2 刀尖圓弧半徑r對切削變形的影響

與切削用量三要素類似,切削層參數(shù)是衡量切削變形的重要指標(biāo)之一.在切削加工中,刀具相對于工件沿進(jìn)給方向每移動f之后,被切掉的材料層稱為切削層.不考慮刀尖圓弧半徑r時,切削層如圖4所示.

圖4 不考慮刀尖圓弧半徑的切削層Fig.4 Cutting layer without considering the tool

其切削面積為A,計算公式為

(5)

式中：hD為切削厚度，

(6)

bD為切削寬度，

(7)

第①種切削條件,其切削層如圖5所示.

圖5 第①種切削條件的切削層IJHGFig.5 Cutting layer on the ① machining

切削層IJHEFG由兩部分構(gòu)成:第Ⅰ部分為IJHG區(qū)域,其面積為AⅠ;第Ⅱ部分為GHEF,其面積為AⅡ.切削層總面積為

(8)

其中,

第②種切削條件,其切削層如圖6所示.

圖6 第②種切削條件的切削層IJHGFig.6 Cutting layer on the ② machining

切削層IJHEG由兩部分構(gòu)成:第Ⅰ部分為IJHG區(qū)域,其面積為AⅠ;第Ⅱ部分為HEFG,其面積為AⅡ.與第①種工況相似.面積AⅠ的計算可分別依據(jù)式(9)～式(11),面積AⅡ的計算依據(jù)式(12).

第③種切削條件,其切削層如圖7所示.

切削層IJHEG由兩部分構(gòu)成:第Ⅰ部分為IJHG區(qū)域,其面積為AⅠ;第Ⅱ部分為HEG,其面積為AⅡ.切削層區(qū)域Ⅰ的面積AⅠ可由式(9)獲得,角度θ1依然由式(10)獲得,而角度θ2為

(13)

切削層區(qū)域Ⅱ的面積為

(14)

而角度θ3為

圖7 第③種切削條件的切削層IJHGFig.7 Cutting layer on the ③ machining

(15)

3 切削實驗

(16)

圖8 背向力和進(jìn)給力Fig.8 Back force and feeding force

為了驗證刀尖圓弧半徑對主偏角的影響,進(jìn)行了10組切削實驗.具體的實驗方案如表1所示.

通過實驗獲得切削力數(shù)據(jù),估算其實際主偏角如表2所示.

根據(jù)實驗條件,計算出了切削層的面積,結(jié)果如表3所示.

由于刀尖圓弧半徑的影響導(dǎo)致切削時主偏角變小,表2中第2列和第3列的數(shù)據(jù)對比表明,刀尖圓弧半徑確實使得計算主偏角krε小于其理論主偏角kr.而根據(jù)切削力實驗數(shù)據(jù)估算的實驗主偏角也確實驗證了刀尖圓弧半徑的存在導(dǎo)致了主偏角的變化.但是由于切削力的變化除了與主偏角有關(guān)外,是切削溫度、后角、前刀面摩擦綜合作用的結(jié)果,因此,導(dǎo)致實驗主偏角和計算主偏角偏差較大.

表1 切削實驗方案[14]Tab.1 Cutting experimental plan[14]

表2 實驗結(jié)果[14]Tab.2 Experimental result[14]

表3 計算結(jié)果Tab.3 Computed result

對比表3中的第2組和第7組、第3組和第8組、第5組和第10組,可發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削深度大于刀尖圓弧半徑時,主偏角變大,切削層面積變大.根據(jù)實驗所得到的主切削力的數(shù)據(jù)可以看出,主切削力隨主偏角變大而變大,從而驗證了計算結(jié)果.由表3中的第1組和第6組、第4組和第9組可發(fā)現(xiàn),當(dāng)切削深度小于刀尖圓弧半徑時,切削層面積不會隨著主偏角的變化而變化.