1 引言
2 微锯—拉屑复合切削模型
图1 微锯—拉屑复合切削模型
3 金属长纤维纵向金相组织分析
- 刀具法向前角对长纤维纵向金相组织的影响
- 刀具前角的大小直接影响切削区域的变形。若增大刀具前角，可减小前刀面挤压切削层引起的塑性变形，减小切屑流经前刀面时的摩擦阻力，从而减小切削力。为研究刀具法向前角对金属长纤维纵向金相组织的影响，分别采用法向前角gn=20°、gn=35°的刀具进行切削试验。切削参数：母材直径dw=26.9mm，切削厚度hD=0.18mm，进给量f=0.1mm/r，线速度vc=10.56m/min，刀具刃倾角ls=75°，刀具法向后角an=8°，拉屑力T=200g，拉屑角q=25°。两种法向前角刀具切出的金属长纤维纵向金相组织照片(400×)分别如图2、图3 所示。
图2 gn=20°时的长纤维纵向金相组织
图3 gn=35°时的长纤维纵向金相组织
图4 ls=70°时的长纤维纵向金相组织
图5 ls=80°时的长纤维纵向金相组织
图6 T=50g时的长纤维纵向金相组织
图7 T=200g时的长纤维纵向金相组织
图8 q=20°时的长纤维纵向金相组织
图9 q=35°时的长纤维纵向金相组织- 由图可见，当gn=20°时，长纤维纵向金相组织的晶粒变形较大，铁素体和珠光体被显著拉长；当gn=35°时，晶粒变形量大大减小，除切屑(纤维)与前刀面接触一侧的晶粒出现拉长变形外，其余晶粒基本无明显变形。由此可知，刀具法向前角的变化将影响长纤维纵向金相组织的变形，法向前角越大，长纤维纵向金相组织中的晶粒变形越小。
- 刀具刃倾角对长纤维纵向金相组织的影响
- 用微锯—拉屑复合切削制造连续型金属长纤维时，刀具刃倾角越大，越容易得到连绵不断的长纤维。为研究刀具刃倾角对金属长纤维纵向金相组织的影响，分别采用ls=70°、ls=80°的刀具刃倾角进行对比切削试验。切削参数：母材直径dw=25.8mm，切削厚度hD=0.18mm，进给量f=0.1mm/r，线速度vc=10.13m/min，刀具法向前角gn=35°，刀具法向后角an=8°，拉屑力T=100g，拉屑角q=25°。两种刃倾角刀具切出的金属长纤维纵向金相组织照片(400×)分别如图4、图5所示。
- 由图可见，当ls=70°时，金相组织变形较严重；当ls=80°时，金相组织变形很小，只有在切屑流出时，与前刀面接触一侧的晶粒被拉长，且变形区域很窄。由此可知，增大刀具刃倾角可减小金属长纤维纵向金相组织的变形。
- 拉屑力对长纤维纵向金相组织的影响
- 由试验结论可知，拉屑力只对金属纤维横截面的卷曲程度有影响，而对纤维横截面的金相组织影响很小。为研究拉屑力对纤维纵向金相组织的影响，采用不同拉屑力进行了切削试验。切削参数：母材直径dw=24.9mm，切削厚度hD=0.18mm，进给量f=0.1mm/r，线速度vc=9.78m/min，刀具法向前角gn=35°，刀具法向后角an=8°，刃倾角ls=75°，拉屑角q=25°。采用不同拉屑力时金属长纤维的纵向金相组织照片(400×)分别如图6、图7 所示。
- 由图可见，采用不同拉屑力时纤维纵向金相组织的变形情况差别不大。虽然增大拉屑力可使微锯—拉屑复合切削的切削力减小，但并不一定使切屑内部金相组织的变形减小。由此可知，拉屑力对纤维纵向金相组织变形的影响远远没有法向前角和刃倾角的影响显著。
- 拉屑角对长纤维纵向金相组织的影响
- 在微锯—拉屑复合切削中，拉屑角q 不宜过大，虽然增大拉屑角可减小切削力，但会增大切屑(纤维)的附加变形，从而使切屑(纤维)易断。此外，附加变形过大会引起切屑(纤维)侧面产生细小裂纹，导致纤维拉伸强度降低。因此，拉屑角的取值应以减小刀—屑接触长度为目标。为研究拉屑角对纤维纵向金相组织的影响，分别采用q=20°、q=35°的拉屑角进行了切削试验。切削参数：母材直径dw=24.9mm，切削厚度hD=0.18mm，进给量f=0.1mm/r，线速度vc=9.78m/min，刀具法向前角gn=35°，刀具法向后角an=8°，刃倾角ls=75°，拉屑力T=100g。采用不同拉屑角时金属长纤维纵向金相组织的照片(400×)分别如图8、图9 所示。
- 由图可见，q=20°时的晶粒变形量比q=35°时大一些，但变化不十分明显，即增大拉屑角对减小纤维纵向金相组织变形有一定作用。
- 刀具前角的大小直接影响切削区域的变形。若增大刀具前角，可减小前刀面挤压切削层引起的塑性变形，减小切屑流经前刀面时的摩擦阻力，从而减小切削力。为研究刀具法向前角对金属长纤维纵向金相组织的影响，分别采用法向前角gn=20°、gn=35°的刀具进行切削试验。切削参数：母材直径dw=26.9mm，切削厚度hD=0.18mm，进给量f=0.1mm/r，线速度vc=10.56m/min，刀具刃倾角ls=75°，刀具法向后角an=8°，拉屑力T=200g，拉屑角q=25°。两种法向前角刀具切出的金属长纤维纵向金相组织照片(400×)分别如图2、图3 所示。
4 主要工艺参数对金属长纤维拉伸强度的影响
- 刀具法向前角对纤维拉伸强度的影响
- 采用不同法向前角的车刀进行切削试验。切削参数：母材直径dw=26.9mm，切削厚度hD=0.18mm，进给量f=0.1mm/r，线速度vc=10.56m/min，刀具刃倾角ls=75°，刀具法向后角an=8°，拉屑力T=200g，拉屑角q=25°。获得的刀具法向前角gn与纤维拉伸强度sb的关系曲线如图10所示。
- 由图可见，纤维拉伸强度sb随刀具法向前角gn的增大而提高。用微锯—拉屑复合切削方法制造的金属长纤维强度很高。母材(Q235 低碳钢)的拉伸强度为375～460MPa。图10中，除法向前角gn=20°时纤维拉伸强度sb低于460MPa(图中虚线所示)外，其它均高于460MPa。当法向前角gn=40°时，纤维拉伸强度高达984.7MPa。由试验数据的变化趋势可知，刀具法向前角的最佳取值为gn=35°～40°。
- 刀具刃倾角对纤维拉伸强度的影响
- 采用不同刃倾角ls的车刀进行切削试验。切削参数：母材直径dw=25.8mm，切削厚度hD=0.18mm，进给量f=0.1mm/r，线速度vc=10.13m/min，刀具法向前角gn=35°，刀具法向后角an=8°，拉屑力T=100g，拉屑角q=25°。获得的刀具刃倾角ls与纤维拉伸强度sb的关系曲线如图11所示。
- 由图可见，当ls>75°时，纤维拉伸强度较高；当ls=60° 时，切下的切屑拉伸强度极低( 仅为287.5MPa)，且变形很大，已不能称之为纤维。通过分析可得出结论：用微锯—拉屑复合切削方法制造金属长纤维时，最佳刀具刃倾角为ls=75°～80°。
- 拉屑力对纤维拉伸强度的影响
- 为准确地确定拉屑力对金属纤维拉伸强度的影响规律，可用单位拉屑力st=T/AD来表示切屑(纤维)单位面积上所承受的拉屑力。式中AD为切削层的理论面积，其计算公式为
- 可计算出切削层理论面积为： AD=0.017952705mm2。
- 对单位拉屑力st对纤维拉伸强度的影响进行了切削试验。切削参数：母材直径dw=24.9mm，切削厚度hD=0.18mm，进给量f=0.1mm/r，线速度vc=9.78m/min，刀具法向前角ln=35°，刀具法向后角an=8°，刃倾角ls=75°，拉屑角q=25°。获得的单位拉屑力st与纤维拉伸强度sb的关系曲线如图12所示。
- 由图可见，纤维拉伸强度随单位拉屑力的增大而增大。其原因为：在切削加工中，母材中有一塑性变形区，当对切屑施加一定拉力后，切屑再一次塑性变形，使其强度提高。当拉屑力增大时，切屑所受塑性变形也增大，切屑(纤维)强度随之提高。当单位拉屑力st=136.6MPa 时，纤维强度达到最大值。如继续增大单位拉屑力，切屑将被拉断而无法获得连绵不断的金属长纤维。
- 拉屑角对纤维拉伸强度的影响
- 在微锯—拉屑复合切削中，拉屑角q 是确定拉屑方向的关键因素，它决定了刀—屑间的接触长度(拉屑角越大，刀—屑间接触长度越小)。对拉屑角对纤维拉伸强度的影响进行了切削试验。切削参数：母材直径dw=24.9mm，切削厚度hD=0.18mm，进给量f=0.1mm/r，线速度vc=9.78m/min，刀具法向前角gn=35°，刀具法向后角an=8°，刃倾角ls=75°，拉屑力T=100g。获得的拉屑角q与纤维拉伸强度sb的关系曲线如图13 所示。
- 由图可见，当拉屑角q=30°时纤维拉伸强度最大。之后随着拉屑角的增大，纤维拉伸强度有所减小。
- 采用不同法向前角的车刀进行切削试验。切削参数：母材直径dw=26.9mm，切削厚度hD=0.18mm，进给量f=0.1mm/r，线速度vc=10.56m/min，刀具刃倾角ls=75°，刀具法向后角an=8°，拉屑力T=200g，拉屑角q=25°。获得的刀具法向前角gn与纤维拉伸强度sb的关系曲线如图10所示。
图10 gn与拉伸强度sb的关系曲线
图11 ls与拉伸强度sb的关系曲线
图12 st与拉伸强度sb的关系曲线
图13 q与拉伸强度sb的关系曲线
