□ 李慎旺 □ 秦紅星 □ 劉純祥 □ 卜 勻

唐山學院河北省智能裝備數(shù)字化設計及過程仿真重點實驗室 河北唐山 063000

1 切削力概述

切削力是切削加工中的重要物理量,是衡量材料切削加工性的重要指標。切削力不但直接影響切削熱,而且會對刀具破損、刀具磨損、零件加工精度、加工表面完整性產(chǎn)生影響。切削力還是計算切削功率,設計機床、工裝夾具、刀具的重要依據(jù)。在切削過程中,切削力與切削熱耦合,容易使零件變形過大,進而使零件報廢。由此可見,對切削力進行研究很有必要,筆者介紹難加工材料加工切削力機理研究現(xiàn)狀。

2 難加工材料切削加工

從切削角度分析,難加工材料可以分為高強軔類難加工材料和復合材料。

高強韌類難加工材料包括鈦合金、高強度鋼、高溫合金等,主要特點是強度高、強化因數(shù)高、塑性高、韌性好、導熱系數(shù)低。高強韌類難加工材料在切削時會出現(xiàn)切削力大、刀具磨損大、溫度高、切屑難處理、切削表面及已加工表面硬化嚴重等現(xiàn)象。

復合材料主要包括陶瓷基復合材料、金屬基復合材料等。金屬基復合材料以碳化硅、氧化鋁、氮化鋁等陶瓷顆粒或纖維作為增強相,以鋁及其合金、鎂、鈦等金屬材料作為基體,經(jīng)過粉末冶金、壓力鑄造、攪拌鑄造、噴射沉積等方法制備而成,具有比強度高、比剛度高、熱膨脹系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好、導熱率高、耐磨性好、尺寸穩(wěn)定性好等突出優(yōu)點[1]。金屬基復合材料因為含有強度高、硬度高、磨蝕性強的增強相,所以是非常典型的難加工材料,在切削過程中刀具磨損嚴重,使刀具壽命縮短,限制切削速度和加工效率的提高,很難實現(xiàn)批量生產(chǎn),推廣與應用受到制約[2]。

3 直角切削與斜角切削切削力

直角切削如圖1所示,斜角切削如圖2所示。γn為法向前角,η為流屑角,λs為刃傾角,Fpi為前刀面上切屑流動方向的切削力,Fqi為前刀面上與切屑流動方向垂直的切削力,γ0為前角,v為切削速度,vc為切屑流動速度。對于直角切削和斜角切削,均以切削刃上一點O為原點,以工件表面垂線為Z軸,以沿工件表面垂直切削刃方向為X軸,建立坐標系。切削力的理論預報模型比較多,在關于直角切削和斜角切削的切削力理論預報模型中,文獻[3]對鈦合金材料切削加工進行研究,建立鈦合金斜角切削的切削力模型;文獻[4]應用熱-力耦合原理,建立鈦合金斜角切削的切削力模型;文獻[5]根據(jù)斜角切削理論,分析刀具角度對切削力的影響規(guī)律。在直角切削和斜角切削的切削力研究中,文獻[6-7]考慮后刀面磨損,文獻[4,8]考慮熱-力耦合,而文獻[9-10]對直角切削和斜角切削的初期切削力研究則均未考慮以上因素。在直角切削和斜角切削的切削力研究中,充分考慮后刀面磨損、熱-力耦合等因素,可以使模型更精確。以直角切削和斜角切削的切削力理論研究為基礎,在螺旋刃立銑刀的切削力模型中將螺旋刃立銑刀的切削刃分解為一系列斜角切削刃,如圖3所示。γv為速度前角,γe為有效前角,ηc為流屑角,β為立銑刀螺旋角。以立銑刀軸線為Z軸,以水平方向為X軸,建立坐標系。

4 立銑刀切削力理論預報模型

文獻[11]在建立立銑刀銑削力模型時,充分考慮了剪切和梨溝效應。文獻[12]基于Oxley理論,建立螺旋刃立銑刀銑削力模型。文獻[13]在Kronenberg公式的基礎上,建立銑削加工時基本切削力模型,采用極值探索法確定模型中的因數(shù)與指數(shù)項常數(shù)。綜合分析比較已有文獻中關于穩(wěn)態(tài)切削力,動態(tài)切削力,平頭立銑刀、球頭立銑刀、波形刃立銑刀切削力,普通立銑刀、微細立銑刀切削力的理論模型[14-25],結合切削加工實際,可以發(fā)現(xiàn)銑削時切削力大小均與切削厚度有關。銑削時切削力與切削厚度的關系如圖4所示,Φi為第i個刀齒的瞬時齒位角,Φst、Φex分別為瞬時齒位角的上下限,r為立銑刀半徑,dz為切削刃微元,dFti為第i個刀齒dz對應的切向力,dFri為第i個刀齒dz對應的徑向力,dFai為第i個刀齒dz對應的軸向力,t(Φi)為Φi對應的切削厚度,aef為進給量,ap為切削深度,γr為銑刀前角,ω為銑刀轉速,A、B、D、E為瞬時銑削厚度端點,1、2、3為銑刀刀刃與工件接觸線,F、C為銑刀刀刃與工件接觸線端點。以銑刀軸線為Z軸,以水平方向為X軸,建立坐標系。由研究可見,在不降低材料去除率的前提下,減小切削厚度對減小切削力有利。

5 結論

(1) 切削力是切削過程的重要指標,直接影響切削熱,對刀具磨損、刀具破損、零件實際加工精度、已加工表面質量均會產(chǎn)生影響。切削力與切削熱耦合,容易造成零件變形量過大,進而使零件報廢。

(2) 難加工材料具有強度高、強化因數(shù)高、韌性好、塑性高、導熱系數(shù)低、耐磨性好等諸多優(yōu)點,但切削時會出現(xiàn)切削力大、刀具磨損嚴重、刀具使用壽命短等現(xiàn)象。

(3) 在切削力機理研究中,直角切削和斜角切削的切削力理論研究是基礎,在直角切削和斜角切削的切削力研究中,應當充分考慮后刀面磨損、熱-力耦合等因素。

(4) 穩(wěn)態(tài)切削力、動態(tài)切削力、平頭立銑刀切削力、球頭立銑刀切削力、波形刃立銑刀切削力、普通立銑刀切削力、微細立銑刀切削力都與切削厚度有關,在不降低材料去除率的前提下,減小切削厚度有利于減小切削力。