大刃傾角切削

科學知識 9547 271 2015-05-13

斜角切削的速度

        以往對斜角切削的研究,刃傾角ls幾乎都局限于?45°的范圍,對于刃傾角ls>45°時的切屑變形,迄今尚無人進行過具體研究。本文以刃傾角ls>45°的斜角切削為基礎,分析了大刃傾角斜角切削低碳鋼板時的變形情況。

         在斜角切削中,工件相對于斜角切削刀具切削刃上某一點的切削速度vc可分解為垂直于切削刃的速度分量vn和平行于切削刃的速度分量vT,即有

vn=vccosls
vT=vcsinls

        從以上公式可看出,刃傾角ls的絕對值越大,則平行于切削刃的速度分量vT越大,垂直于切削刃的速度分量vn越小。隨著刃傾角ls的變化,速度分量vT和vn也隨之變化。

         當ls<45°時,cosls>sinls,vn>vT,垂直于切削刃的金屬塑性流動占主導地位;當ls=45°時,cosls=sinls=1,vn=vT;當ls>45°時,cosls<sinls,vT>vn,平行于切削刃的金屬塑性流動占主導地位。通常將刃傾角ls>45°的斜角切削稱為大刃傾角切削。

大刃傾角切削的切削變形試驗


        大刃傾角切削的切削變形情況,迄今尚未見研究報道。本文采用快速落刀方法獲取切屑根部的標本,通過觀察切屑根部標本的外形和金相磨片,對大刃傾角切削的切削變形進行較為全面的分析。

1) 試驗條件

·使用機床:B6050B刨床
·刀具材料:高速鋼,法向前角gn=30°,法向后角an=8°
·工件材料:厚度為1.2mm的低碳鋼(Q235)鋼板
·切削用量:切削速度vc=6.12m/min,切削厚度hD=0.2mm

2) 切屑根部的外形

         采用不同的刃傾角ls進行切削,通過快速落刀方法獲取了兩組切屑根部標本。通過掃描電鏡對標本的外觀形狀進行觀察,并分析其變形情況。

ls=0°時的切屑根部外形(×60) ls=60°時的切屑根部外形(×60)

        可看出,當ls=0°時,切屑的橫向變形很大,切屑的中部因橫向變形的擠壓而明顯凸起,切屑表面上剪切滑移痕跡十分突出,切屑厚度比圖3大得多。隨著刃傾角ls的增大,切屑的橫向變形減小。當ls=60°時,切屑厚度明顯減小,切屑表面上剪切滑移的痕跡已不明顯,這主要是因為切削中平行于切削刃的金屬塑性流動所致。

3) 切屑根部的金相磨片

        斜角切削的剪切角,其由直角切削的剪切角f偏斜為fl,由于斜角切削刃傾角的存在,使切屑流出方向相對于切削刃的法向偏斜了一個角度fl(流屑角),從而使fl>f,這是由于變形系數Dh和剪切角f存在如下關系:

Dh= cos(f+g0)

sinf

         因此,隨著剪切角f的增大,變形系數Dh減小,從而使切屑的變形減小。

         為了清楚地觀察刃傾角的變化引起的切削變形的變化,可通過制備切屑根部的金相磨片,在金相顯微鏡下進行觀察分析。

         a. 切屑根部沿切削刃法剖面上的金相組織變形采集切屑根部標本的試驗條件同上,金相磨片是在切削刃的法剖面上制備的,切削時的刃傾角ls分別為45°、60°和75°。切屑根部金相顯微照片如圖5、圖6和圖7所示。

ls=45°時垂直于切削刃的切屑根部金相顯微照片(×100)

ls=60°時垂直于切削刃的切屑根部金相顯微照片(×100)

ls=75°時垂直于切削刃的切屑根部金相顯微照片(×100) 

         當ls=45°時,切削變形大,晶粒拉得很長,切剪滑移面明顯可見,切屑很厚;而當ls為60°和75°時,晶粒的變形相對來說小了很多,切屑厚度大幅度減小。三張照片的放大倍數相同,從照片上可直觀地看出切屑厚度變化和晶粒變形的情況。所以,當平行于切削刃的切削速度遠大于垂直于切削刃的切削速度時,切削變形可大幅度減小。

          b. 切屑根部沿切削刃方向上的金相組織變形在沿切削刃的方向上制備金相磨片,切削時的刃傾角ls分別為45°和75°。金相顯微照片如圖8和圖9所示。

         ls=45°時沿切削刃方向的切屑根部金相顯微照片(×100)

         ls=75°時沿切削刃方向的切屑根部金相顯微照片(×100) 

        當ls=45°時,切屑上晶粒的變形區域較寬,照片中切屑部分的晶粒全部變形;而當ls=75°時,由于平行于切削刃的切削速度的作用,切屑上晶粒變形區域明顯變窄,切屑上部的晶粒基本沒有變形。

通過對切屑根部外形和金相顯微組織變形情況的分析可知,大刃傾角切削的變形很小。

4) 刃傾角與變形系數和剪應變的關系

         為了直觀地分析刃傾角的變化對切屑變形的影響,測量繪制了切屑變形系數和刃傾角的關系曲線(見圖10),試驗條件同上。通過變形系數和剪應變的換算,可得到剪應變與刃傾角的關系曲線.

        可以看出,當ls=75°時,切屑變形系數趨近于1,切屑的變形很小,與此圖相對應的圖11中,剪應變e隨著ls增大而大幅度減小。

        由于采用大刃傾角切削可大大減小切屑變形,因此將大刃傾角切削原理應用于金屬長纖維的切削加工中,可得到延伸率好、強度高的金屬長纖維。

結論

1) 進行大刃傾角切削時,平行于切削刃的速度分量大于垂直于切削刃的速度分量,可大幅度減小切削變形;

2) 當刃傾角ls=75°時,切屑變形系數接近于1,這主要是由于切削時沿著切削刃的切削速度起著主導作用所致;

3) 將大刃傾角切削應用于金屬長纖維的加工中,可獲得高性能的金屬長纖維。



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