切削木屑卷曲形態(tài)控制的物理探究

張媛媛,王 強*,童 遜,王韜宇

(1.揚州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 揚州 225009;2.揚州中學(xué),江蘇 揚州 225009)

在木材加工過程中經(jīng)常要用到切削工藝,切屑卷曲往往會形成各種各樣形態(tài)各異的有趣狀態(tài),如發(fā)條狀切屑、板狀切屑和螺旋狀切屑。這既與切削材料有關(guān),也與切削工藝有關(guān),其中蘊含著豐富、深刻的物理內(nèi)容[1-3]。在切削的過程中,木塊的切削層受到刀片的擠壓會發(fā)生彈性形變,而脫離木塊表面時又會發(fā)生塑性形變,所形成的切屑沿著刀具前刀面排出[4]。在此過程中所施加的切削力往往并非完全連續(xù),而是時有間斷,呈現(xiàn)脈沖狀態(tài)[5]。切削時如果木屑能夠有足夠的時間恢復(fù)原狀,就會發(fā)生彈性形變;一般情況下,外力足夠大且切削足夠快速,使得形變不能完全恢復(fù)到原來的狀態(tài),就會出現(xiàn)塑性形變。一方面,所施加的切削力使得木板表面微觀分子排布出現(xiàn)了變化,分子不再處于原來的平衡狀態(tài)而導(dǎo)致分子力的產(chǎn)生,從而在宏觀上產(chǎn)生彈性形變,并產(chǎn)生了力圖恢復(fù)原狀的應(yīng)力;另一方面,木屑脫離刀面和木板束縛后,由于木屑內(nèi)部的應(yīng)力作用而發(fā)生塑性形變,并保持卷曲樣態(tài)[6]。但是為什么切屑卷曲會呈現(xiàn)出形態(tài)各異的多種形態(tài)呢?其中的具體物理機制值得深入探究。

1 梁彎曲模型:發(fā)條形切屑的形成機理

1.1 發(fā)條形切屑

當(dāng)切削木屑刀片的水平前進方向垂直于刀刃走向,即直角切削時,會形成發(fā)條形切屑。需要注意的是,實驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)木屑的厚度在一定范圍時,才會出現(xiàn)這狀態(tài),如圖1(a)所示;如果木屑過薄就極易斷裂;而過厚則會出現(xiàn)不彎曲的板條形木屑,如圖1(b)所示。另外在切削過程中發(fā)現(xiàn),新切的木屑很容易發(fā)生持續(xù)形變,要及時測量完所有參數(shù)。究其原因,新切的木屑暴露在空氣中很容易失去水分從而改變楊氏模量Y,并導(dǎo)致曲率的變化。

圖1 (a)發(fā)條形切屑(b)板條形木屑

1.2 梁彎曲模型

圖2 發(fā)條形切屑形成機制:梁彎曲模型

(1)

可見,在切削外力T恒定條件下,木屑的彎曲半徑與木屑厚度的二次方和木屑的寬度成正比;當(dāng)木屑越厚、寬度越寬時,木屑越不容易彎曲。

1.3 實驗驗證

在刀片傾角為30°的條件下進行直角切削,獲得卷曲圈數(shù)較多的發(fā)條形木屑,如圖3(a)所示?？梢园l(fā)現(xiàn),越靠近外層木屑曲率半徑越大,彎曲程度也越小。如圖3(b)所示,在俯視示意圖的螺旋線中,按照由外向內(nèi)的螺旋次序找出7個標志點,對這7層木屑的厚度、寬度進行測量,測量時用到游標卡尺。測量數(shù)據(jù)在表1中給出。

圖3 (a)發(fā)條形切屑實驗驗證(b)測量點的確定

表1 木屑測量點的實驗數(shù)據(jù)

從實驗數(shù)據(jù)中不難發(fā)現(xiàn),越接近外層木屑的厚度越大,曲率半徑也越大。在切削過程中,我們基本保證木屑的寬度不發(fā)生明顯變化;因此,在切削力相同的情況下,切削的木屑厚度越大,木屑的彎曲程度越小,正好符合厚度與曲率半徑的關(guān)系式。

根據(jù)發(fā)條型切屑的曲率半徑公式,能夠進一步猜想:厚度越大,就越能形成形變量很小的切屑,即板狀切屑;實驗結(jié)果的確證實了這一猜想。但是,在實際操作過程中,刀片傾角較小(如20°)的直角切削很難切出厚度較大的木塊,除非施加很大的力;增大刀片傾角到50°左右時,便能輕易切出一小塊板狀切屑。在切削研究中,這一切屑過程叫壓縮型切屑[2]。實驗表明,發(fā)條狀切屑和壓縮型切屑大約在45°傾角處出現(xiàn)分界。

2 切應(yīng)力模型:螺旋狀切屑的形成機理

2.1 螺旋狀切屑

直角切削始終產(chǎn)生的是二維發(fā)條狀切屑,使得木屑受到橫向的力與縱向的力疊加,或斜角切削時,才能形成螺旋狀切屑。如圖4所示,通過調(diào)節(jié)切削參數(shù),可以控制所形成螺旋狀切屑的半徑和螺距。

圖4 螺旋狀切屑

2.2 切應(yīng)力模型

下面深入分析螺旋狀切屑的形成機理。如圖5(a)所示,圖中展示了切削初始階段切削方向(刨刀的前進方向)與刀刃法向互成角度θ的情形。這種斜向切削運動可以看成由沿著刀刃方向的側(cè)移運動和沿著前進方向的縱向運動相疊加所形成的合運動。將沿著切削方向的切削力T分解為垂直與刀片方向分力T1=Tcosθ和平行于刀片方向分力T2=Tsinθ,其中分力T1垂直于刀片方向,其切削運動形態(tài)與發(fā)條狀情況類似,我們重點研究平行于刀片的分力T2對木屑形態(tài)的影響。

(a)

(b)

如圖5(b)所示,當(dāng)下層木屑發(fā)生微小側(cè)移時,側(cè)移前和側(cè)移后的厚度可以視為相等,均取為h;此時厚度方向的偏轉(zhuǎn)角記作dφ,有dz=hdφ,可以理解為單位厚度情況下的偏轉(zhuǎn)位移。所以有公式:

(2)

從式(2)可以得出結(jié)論:如果用偏移角φ來表征側(cè)移程度,它應(yīng)該與寬度和厚度的乘積成反比,與施力大小T成正比,與sinθ也成正比。以上結(jié)論同樣適用于螺距的分析。

2.3 實驗驗證

表2 螺旋狀切屑形成機理的實驗驗證

h·sinθ

h·sinθ

3 結(jié) 論

結(jié)合實驗結(jié)果討論了木材發(fā)條狀切屑和螺旋狀切屑的形成原因,此分析過程同樣適用于鋼材等其他切削材料。切屑卷曲狀態(tài)研究是以生產(chǎn)生活中的實際問題為載體,可以為物理專業(yè)大學(xué)生科創(chuàng)訓(xùn)練提供有價值的參考案例。如何使物理專業(yè)大學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中突破思維定式的影響,提高理論推導(dǎo)和實驗研究的能力,并提高學(xué)生解決綜合、復(fù)雜、真實物理問題的能力,是在其科創(chuàng)訓(xùn)練工作中迫切需要解決的問題[8]。大學(xué)與中學(xué)相比物理學(xué)習(xí)最顯著的差異,其實并不全在于知識內(nèi)容的拓展加深,還在于學(xué)習(xí)過程需要具有研究性,需要從生產(chǎn)生活的觀察中自主地提出問題,在科學(xué)探究中解決問題;通過提高物理實驗的趣味性、應(yīng)用性和挑戰(zhàn)度,可以促進其實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)[9]。