橫向卷曲切屑的形成與折斷

關(guān)于橫向卷曲切屑的形成與折斷切屑的橫向卷曲如圖1所示，切屑在橫向發(fā)生卷曲，在切屑的寬度方向上有速度流出的梯度，就整體來說，具有角速度ωz，它是繞著與切屑表面垂直的z軸旋轉(zhuǎn)的。第2頁,共25頁，2024年2月25日，星期天至今為止，在已明確的范圍內(nèi)，切屑在下述情況下發(fā)生橫向卷曲。（1）因側(cè)流而產(chǎn)生橫向卷曲形成切屑時(shí)的變形通常都是二維的，切削寬度方向的變形往往忽略不計(jì)。但是，如果觀察實(shí)際的切屑，其兩端部分在恒方向上變得相當(dāng)寬而引起三維變形。為了保持體積不變，發(fā)生橫向變寬部分的厚度必須減薄或長度必須縮短。如果長度不縮短，如圖2，就發(fā)生橫向卷曲。如果切屑兩端發(fā)生長度縮短，由于平衡而不發(fā)生橫向卷曲。第3頁,共25頁，2024年2月25日，星期天（2）副切削刃的影響

一般的切削是以主切削刃為主進(jìn)行切削的，刀尖圓弧部分和副切削刃多少也切削一點(diǎn)。各部分在單獨(dú)切削時(shí)，各自具有不同的剪切角（從而有不同的厚度和長度），切削應(yīng)在不同的方向流出，但把切屑看作整體流出時(shí)，必須做螺旋運(yùn)動。因此，各部分相互作用著力和力矩，其結(jié)果，往往發(fā)生橫向卷曲。第4頁,共25頁，2024年2月25日，星期天圖3所示的刨刀的副偏角、余偏角都是15度，過渡刃主偏角為45度，用此刨刀在牛頭刨床上保持一定的進(jìn)給量0.15mm/行程，并改變切削深度a來切削黃銅。如圖4，在切削深度特別小時(shí)，7以切削刃AB的切削為主，切削深度特別大時(shí)，以切削刃BC的切削為主，切屑在與切削刃AB或BC大致垂直的方向流出，橫向卷曲也很少，但當(dāng)切削刃AB與BC的切削大致平衡時(shí)，發(fā)生劇烈的橫向卷曲。第5頁,共25頁，2024年2月25日，星期天(3)沿切削刃使剪切角發(fā)生變化的因素在切屑寬度方向有流出速度的梯度，可以說，沿著一個(gè)切削刃的剪切角發(fā)生變化。因?yàn)?，剪切角Ф、摩擦角β、與前角γ之間的關(guān)系式為：ω=Ф+β-γ=f（被加工材料性質(zhì)）

從式中可知，如沿著切削刃改變γβ，那切屑就應(yīng)該發(fā)生橫向卷曲。第6頁,共25頁，2024年2月25日，星期天切屑的橫向卷曲其他產(chǎn)生原因：切削速度、棱面寬度等變化引起剪切角變化而引起，刃傾角的影響，刀尖圓弧半徑的影響等方面。切屑的折斷：在一般的切削條件下，切屑流出后，卷曲的切屑必然碰到工件、刀具、機(jī)床或后續(xù)的切屑上，從而使切屑的自由延伸受到阻礙。此時(shí)，如果切屑發(fā)生少量的彈、塑性變形，且順利通過阻礙物，則不折斷；如果切屑的塑性變形達(dá)到斷裂應(yīng)變時(shí)，切屑就折斷。第7頁,共25頁，2024年2月25日，星期天橫向卷曲C型屑的形成與折斷C型屑的折斷方式常見的有兩種：工件阻礙型和刀具阻礙型。1、工件阻礙型

由實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)主偏角較小，且形成較大流屑角的橫向卷曲切屑時(shí)，切屑流出卷曲后易受工件未加工表面的阻礙，在B點(diǎn)接觸，如圖1所示，

在切屑與回轉(zhuǎn)的工件未加工表面間產(chǎn)生全約束反力F（所有切向反力與法向反力的合力）。

當(dāng)全約束反力F與接觸面法線間夾角θ小于該處的摩擦角β時(shí)，則可認(rèn)為切屑在瞬間靜止.

第8頁,共25頁，2024年2月25日，星期天此時(shí)，工件未加工表面對切屑產(chǎn)生的作用力，將使切屑發(fā)生彈塑性變形。隨著切屑的不斷流出，切屑的卷曲半徑由

增加為

，變形也隨之增大，而夾角θ也隨之增加為

，接觸點(diǎn)B處的作用力也有所增加。如果在夾角

仍然小于摩擦角β時(shí)，切屑的塑性變形就達(dá)到了斷裂應(yīng)變，切屑將發(fā)生折斷。由于切屑卷曲沒有達(dá)到一圈便折斷，所以產(chǎn)生橫向卷曲C形屑。第9頁,共25頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共25頁，2024年2月25日，星期天刀具阻礙型實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)?shù)毒咧髌禽^大，而形成較小流屑角橫向卷曲切屑時(shí)，切屑流出卷曲后常常會隨其卷曲趨勢，以如下的二種可能方式撞擊到刀具后刀面上。

其一是流出卷曲的切屑受工件未加工表面阻礙，但由于全約束反力F與工件未加工表面間夾角θ大于該處的摩擦角β則切屑將隨其卷曲趨勢通過B點(diǎn)滑向刀具后刀面，如圖2所示；第11頁,共25頁，2024年2月25日，星期天其次是若切屑的卷曲半徑較小，則有可能在不接觸工件未加工表面的情況下直接撞上刀具后刀面。根據(jù)觀察，一般情況下，撞上后刀面的切屑若不滑出該面，則隨后續(xù)切屑的不斷流出，卷曲半徑的增大，最終也會以圖2所示的形式與工件未加工表面接觸。因此，以下僅對第一種情況進(jìn)行詳細(xì)討論。第12頁,共25頁，2024年2月25日，星期天由圖2可見，切屑在

點(diǎn)與工件未加工表面接觸產(chǎn)生全約束反力F,并在C點(diǎn)與刀具后刀面接觸產(chǎn)生全約束反力,則當(dāng)全約束反力

與刀具后刀面法線間夾角小于該處的摩擦角

時(shí)，則認(rèn)為切屑在瞬間與后刀面無相對滑動。此時(shí)，切屑受到來自

點(diǎn)及C點(diǎn)二個(gè)作用力的共同作用。隨著切屑的不斷流出，切屑在F和

作用下發(fā)生彎曲變形。當(dāng)這種變形超過了切屑的斷裂應(yīng)變，則切屑發(fā)生折斷。第13頁,共25頁，2024年2月25日，星期天圖2和圖3第14頁,共25頁，2024年2月25日，星期天圖3是根據(jù)外圓車削時(shí)拍攝的高速攝影照片繪出的一個(gè)折斷周期內(nèi)，切屑折斷過程的模擬圖。圖中清晰地反映了，切屑撞擊到后刀面上折斷而形成刀具阻礙型橫向卷曲“C”形屑的過程.第15頁,共25頁，2024年2月25日，星期天刀具阻礙型折斷過程折斷過程可以分為三個(gè)階段：1.在前一個(gè)折斷過程結(jié)束后，隨著切削運(yùn)動的繼續(xù)，形成了橫向卷曲流出圓半徑為R0

、厚度為hch

的切屑。由于夾角θ大于摩擦角β，則切屑自由端沿工件未加工表面滑向刀具后刀面，并因夾角0”小于摩擦角

而使切屑自由端在刀具后刀面產(chǎn)生瞬間靜止。此時(shí)，工件為加工表面及刀具后刀面分別對切屑產(chǎn)生反作用力。從而使切屑產(chǎn)生變形。如圖3-a,b,c.第16頁,共25頁，2024年2月25日，星期天2.隨著后續(xù)切削的不斷流出及工件未加工表面和后刀面的約束作用，使切屑因縱彎曲而失穩(wěn)，出現(xiàn)了向上翹曲，其光滑表面承受壓應(yīng)力，粗糙表面承受拉應(yīng)力，如圖3-d,e.3.切屑在其翹曲部分的變形最大，且易產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)切屑翹曲部分所受應(yīng)變值達(dá)到切屑的斷裂應(yīng)變時(shí)，切屑就會因縱彎曲失穩(wěn)而折斷。如圖3-f。第17頁,共25頁，2024年2月25日，星期天橫向卷曲短螺卷切屑的形成第18頁,共25頁，2024年2月25日，星期天隨著切屑的不斷流出，螺卷切屑的長度逐漸增加，在切屑長度打到一定值后，由于運(yùn)動的不穩(wěn)定性，切屑發(fā)生旋擺，在工件和刀具的約束下，切屑旋擺的軸線不在鉛錘位置上，而是與工件軸線、刀桿軸線以及切削速度方向成一定角度的斜線方向上。第19頁,共25頁，2024年2月25日，星期天隨著切屑長度的增加，旋擺的角度越來越大，在切屑大致擺動到水平位置時(shí)與工件未加工表面或刀桿的側(cè)面發(fā)生一次或幾次碰撞，隨著碰撞力的增強(qiáng)，在切屑根部附近的受力也增加，當(dāng)碰撞和其他形式的作用使切屑達(dá)到其斷裂應(yīng)變時(shí)，導(dǎo)致切屑在靠近主切削刃處折斷，形成近似等長的橫向卷曲螺卷切屑，切屑飛出，同時(shí)，新的切屑生成。短螺卷屑的折斷第20頁,共25頁，2024年2月25日，星期天切屑橫向卷曲半徑的預(yù)測一、切屑橫向卷曲產(chǎn)生機(jī)理

產(chǎn)生橫向卷曲的主要原因是經(jīng)過變形區(qū)的切屑在其寬度上存在流出速度梯度，如圖所示。由圖可得：其中，V1為切屑內(nèi)側(cè)流出速度，V2為切屑外側(cè)流出速度，bch為切屑寬度，R0為橫向卷曲半徑。式1第21頁,共25頁，2024年2月25日，星期天二、切屑橫向卷曲半徑的試驗(yàn)研究試驗(yàn)表明，車削鋼料時(shí)，若僅考慮切屑寬度bch和切屑厚度hch對橫向卷曲半徑R0的影響，則當(dāng)｜γn｜<100,Kγ=900,｜λS｜<100,γε/ap<0.25時(shí)，無論切削條件如何變化，切屑的橫向卷曲半徑都可用如下的試驗(yàn)公式表示。其中，hch為切削厚度。經(jīng)過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，引入修正系數(shù)K，則可以得到在一般切削條件下橫向卷曲半徑試驗(yàn)公式：式2第22頁,共25頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，并經(jīng)過數(shù)學(xué)處理得：其中，Kγε為刀尖圓弧半徑修正系數(shù)，Kkγ為主偏角修正系數(shù)，Kγn為法前角修正系數(shù)，Kλs為