摘要：通过切削试验，研究了限制接触刀具前刀面的刀—屑接触长度逐渐减小时切削力的变化规律。试验结果表明：当刀具前刀面刀—屑接触长度减小时，前刀面上的法向力F_n和切向力F_f呈非线性减小，且F_f-l曲线存在两个拐点，根据这两个拐点可间接测量前刀面的刀—屑接触长度L和紧密型接触长度l_f1。

1 引言

在金属切削过程中，刀—屑接触长度直接影响切削的摩擦状况，从而影响切削力、切削温度、切屑形成、刀具磨损和已加工表面质量。此外，刀—屑接触长度与刀片槽型设计也有密切关系。因此，对刀—屑接触长度的研究十分重要。限制接触刀具与自然接触刀具有着不同的切削机理(如Merchant 和Lee-Shaffer 理论中的剪切角公式不适用于限制接触刀具，用该公式计算出的剪切角f远小于试验结果)，已有不少学者对限制接触刀具的独特性能进行了研究。本文研究了限制接触刀具前刀面上的正压力F_n和摩擦力F_f与刀—屑接触长度的关系，探讨了其变化规律，认为根据这一变化规律可间接测量前刀面的刀—屑接触长度L和紧密型接触长度l_f1。

图1 限制接触刀具示意图
图2 限制接触刀具前刀面切削力示图

2 切削试验

采用限制接触刀具在车床上对钢管端面进行自由车削(直角自由切削)试验，并测量切削力的变化。试验条件如下：

刀具：试验所用限制接触刀具如图1所示。图中l为前刀面限制接触长度(试验中可逐次缩短)。刀具前角g₀=5°，后角a₀=10°，主偏角k_r=90°，刃倾角l_s=0°。刀具材料为W18Cr4V。应注意：前刀面台阶高度h的大小应适当(推荐值为h=1.0～1.5mm)，如h过大，将降低刀尖处的强度和刚度；如h过小，则当前刀面宽度小于刀—屑接触长度后，切屑仍可能与刀具前表面接触(即刀—屑二次接触)，从而影响试验结果的准确性。
试件：10 号无缝钢管(退火处理，HB100～130)。
试验设备：CM6140 精密车床；KISTLER测力仪及电荷放大器。
切削参数：切削宽度a_w=2mm，切削速度v=55.3m/min，切削厚度a_c=0.15，0.2mm。

3 试验结果与分析

在切削试验中，限制接触刀具前刀面的切削力如图2 所示。

由图2可得 F_n=F_zcosg₀-F_xsing₀(1)F_f=F_zsing₀+F_xcosg₀(2)

根据式(1)、(2)，可将测得的切削力垂直分力F_z和轴向分力F_x换算成刀具前刀面上的正压力F_n和摩擦力F_f。

根据试验数据，得到采用不同切削厚度a_c时切削力轴向分力F_x(可换算为摩擦力F_f)和垂直分力F_z(可换算为正压力F_f)随前刀面限制接触长度l的变化趋势，如图3、图4所示。

由图3、图4 可知，F_n与F_z、F_f与F_x具有相同的变化趋势。F_f、F_n均随l的减小而按非线性规律减小。F_f随l减小的变化趋势为：F_f开始缓慢减小，然后急剧减小，当l减小到一定程度后，F_f减小的趋势再次变缓。当F_f开始缓慢减小时，F_n几乎无变化；当F_f急剧减小时，F_n才开始减小，当l减小到一定程度后，F_n减小的趋势也变缓。

图3 F_f随l的变化趋势
图4 F_n随l的变化趋势

试验结果表明，刀—屑接触长度L 对切削力有明显影响。当l>L时，随着l的减小，切削力F_f、F_n的数值不变；当l<L时，切削力则开始随l的减小而减小。由此可推知，切削力开始减小的点(称为第一个拐点)所对应的l即为刀—屑接触总长度L。由图3可知，当a_c=0.15mm 时，L=1.66mm；当a_c=0.2mm 时，L=1.86mm。

根据金属切削理论，切屑与前刀面的接触可分为紧密型接触和峰点型接触，且接近85%的接触载荷作用于紧密型接触区。因此当l接近紧密型接触长度时，切削力急剧减小。由此可推知，F_f-l曲线上F_f开始急剧减小的点(称为第二个拐点)所对应的l即为刀—屑紧密型接触长度l_f1。由图3 可知，当a_c=0.15mm时，l_f1=0.8mm；当a_c=0.2mm 时，l_f1=0.88mm。

F_f、F_n随l的减小规律呈非线性是刀具前刀面上应力分布变化造成的。前刀面上的应力分布随l的变化规律如图5 所示(以a_c=0.15mm 为例)。

图5 前刀面上应力分布随l的变化规律

图5反映了刀具前刀面上剪应力和正应力的平均分布情况。由图5可知，随着l的减小，正应力s和剪应力t_s均增大，这正是导致F_f、F_n随l的减少而呈非线性减少的原因。进一步分析t_s-l曲线可知，当l较小时，曲线存在一个峰和谷。峰所对应的l正是F_f-l曲线上的第二个拐点。此后剪应力减小，对应于F_f-l曲线中的F_f急剧减小阶段。当l减小到一定程度后，剪应力重新增大，对应于F_f-l曲线中F_f减小趋势变缓的阶段。由图4可知，当l接近刀—屑紧密型接触长度时，F_n开始明显减小。因此，当l接近刀—屑紧密型接触长度时，F_f、F_n均急剧减小。根据以上分析，利用限制接触刀具的F_f随l的变化规律，可间接测量刀—屑接触长度，即在F_f-l曲线上，第一个拐点对应的l值即为刀—屑接触总长度L，第二个拐点对应的l值即为刀—屑紧密型接触长度l_f1。采用这种测量方法时，测量精度与取点间隔有关，取点间隔越小，测量精度越高。采用该方法可克服用传统的磨痕法测量刀—屑接触长度时易受测量者主观因素影响的缺点。

4 结论

用限制接触刀具进行直角自由车削时，刀具前刀面上的摩擦力F_f和法向力F_n均随前刀面限制接触长度l的减小而呈非线性减小：开始时F_f变化缓慢，F_n则几乎不变；当l接近l_f1时，切削力急剧减小；当l减小到一定程度后，切削力减小的趋势再次变缓。
切削时，刀具前刀面上的正应力s 和剪应力t_s均随l的减小而呈非线性增大，其中t_s-l曲线存在一个峰和谷。
用限制接触刀具进行直角自由车削时，随着前刀面接触长度的缩短，F_f的变化存在两个拐点，这两个拐点分别对应的前刀面宽度l即为刀—屑接触长度L 和紧密型接触长度l_f1，因此可用限制接触刀具切削时F_f随l的变化规律来间接测量刀—屑接触长度。