切屑的卷曲形式与断屑方法

2019-01-16 69

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在金属切削加工中，不利的屑形将严重影响操作安全、加工质量、刀具寿命、机床精度和生产率。因此有必要对切屑的卷曲形式和断屑方法进行深入研究，以便对切屑形态进行有效控制。

1.切屑卷曲形式
图1　垫圈状切屑

在塑性金属切削加工过程中，由于切屑向上卷曲和横向卷曲的程度不同，所产生的切屑形态也各不相同。为了便于分析切屑卷曲的形式，可将切屑分为向上卷曲型、复合卷曲型和横向卷曲型三大类。在脆性金属切削加工中，容易产生粒状切屑和针状切屑，只有在高速切削、刀具前角较大、切削厚度较小时，此类切屑的卷曲方向才与一般情况下略有差异。

在切削塑性金属时，如刀具刃倾角为0°，有卷屑槽且切削宽度较大，切屑大多向上卷曲。在其它情况下，切屑大都为横向卷曲。例如，在外圆车削加工中，当进给量与背吃刀量之比较大，且刀具的前角为0°时，切屑容易横向卷曲成垫圈状（见图1）。这是因为切屑两端部分在横向上变宽，而切屑的体积不变，横向变宽部分的厚度必然变薄，若长度不缩短，就必然产生横向卷曲；另外，若在车刀上磨有过渡刃，加上刀尖和副切削刃的作用，使得在切屑宽度方向上剪切角发生变化，也可使切屑产生横向弯曲而呈垫圈状。
图2　精车时的长螺状卷屑

在通常情况下，切屑不可能仅仅向上卷曲或横向卷曲，而是在向上卷曲的同时也产生横向卷曲。长紧卷屑和螺状卷屑的形成就是切屑同时向上和横向卷曲的结果（如图2）。

2.断屑方法

在塑性金属切削中，直带状切屑和缠绕形切屑是不受欢迎的；而在脆性金属切削中，又希望得到连续型切屑。通常，改变切削用量或刀具几何参数都能控制屑形。在切削用量已定的条件下加工塑性金属时，大都采用设置断屑台和卷屑槽来控制屑形。本文主要讨论卷屑槽基本参数的计算。

图3是直线型、直线圆弧型和圆弧型三种卷屑槽的基本形式。其主要参数如下：

（1）接触长度L

图3中，切屑在前刀面上的接触长度可由下式获得
L＝K_ma_chsin(φ+β-γ_o)/sinφcosβ(1)
式中K_m——切屑与前刀面接触长度修正系数，一般取1.6左右

a_ch——切屑厚度

（2）卷屑槽半径R₂

由断裂理论可知，塑性金属的断屑条件是
ε_f≥ε_fc(2)
式中ε_f——切屑卷曲应变

ε_fc——临界断裂应变

图3　卷屑槽的基本形式及参数

对于向上卷曲型切屑，其折断条件如图4所示。假设在切屑外表面拉长ΔL后达到断裂极限，由几何关系得
ΔL＝(R₁+y)dθ－R₁dθ(3)
式中　ΔL——切屑断裂时断裂表面的伸长量

R₁——切屑断裂时的卷曲半径

y——切屑中性层至断裂表面的法向距离

因为弯曲应变为

ε＝Δl/l
式中　l——中性层上的切屑长度

所以断裂应变为

ε_fc=[(R₁+y)dθ－R₁dθ]/R₁dθ=y/R₁(4)

由塑性力学知
σ_b=Eε_fc(5)

由式（4）和式（5）可得向上卷曲型切屑折断时的卷曲半径为
R₁＝Ey/σ_b(6)

图4　向上卷曲型切屑的折断条件

由于短耳状切屑与弧形切屑类似，故其理论模型可参照弧形切屑（略）。对于长耳状切屑，因其与刀具后刀面碰撞而折断，故其理论模型如图5所示。其应变可由下式求出
ε_fc=0.5a_ch(1/R₂+1/R_L)(7)
式中　a_ch——切屑厚度

R₂——卷屑槽半径

R_L——长耳状切屑断裂时的卷曲半径

图5　长耳状切屑的卷曲折断条件

由式(5)和式(7)可得卷屑槽半径为
R₂＝1/(2σ_b/Ea_ch+1/R_L)(8)

以切削45钢（调质）为例，其弹性模量E＝206GPa，强度极限σ_b=650GPa，测得切屑厚度为0.2mm。

由式（6）得R₁=1.7mm，由式（8）得R₂＜31.7mm。

为了保证断屑，根据不同材料，可选取断屑系数为8～12，此时卷屑槽最大卷曲半径为2.64～3.96mm，而由试验统计得到的卷屑槽卷曲半径为3mm左右。通过分析发现，金属经过塑性变形以后，硬度和强度大大提高，而塑性和韧性却显著下降，这是造成理论值远远高于试验值的主要原因。因此，在设计卷屑槽时，断屑系数可选取理论值与试验值之比。卷屑槽半径最后计算公式为
R＝R₁/n(9)
式中　R——卷屑槽卷曲半径

n——断屑系数，一般取8～12

（3）在中等切深情况下，一般可选取θ＝110°～120°（参见图3）。θ角太小会使切屑堵塞在槽中，造成打刀；θ角太大，则会使切屑卷曲半径太大，切屑因变形小而不折断。

（4）卷屑槽与主切削刃的倾斜方式分为外斜式、平行式和内斜式。外斜式卷屑槽容易造成切屑翻转到车刀后刀面而得到C形屑（短耳状或长耳状切屑）；平行式卷屑槽的切屑大多是碰到工件加工表面折断；内斜式卷屑槽的切屑容易形成连续的长紧卷屑。切削中碳钢时，内斜式和外斜式卷屑槽的斜角常取8°～10°。

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1.切屑卷曲形式图1 垫圈状切屑

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1.切屑卷曲形式
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