一种研究金属直角切削切屑形成的方法

摘要

本发明提供了一种研究金属直角切削切屑形成的方法，该方法是：(1)在工件上加工出两个形状相同的孔槽，两个孔槽沿切削时工件的进给方向布置，每个孔槽由一个圆孔和一个直槽组成；(2)对工件以机床允许的任意切削速度进行切削，当刀具切削到第一个孔槽时，工件表层上形成的切屑在第一个孔槽处与刀具脱离；(3)将所得切屑根部标本经研磨抛光处理，通过显微镜观察，直接测量得到剪切角φ和第一切削变形区宽度Δy，再计算获取变形系数ξ、剪应变ε、应变率。本发明的方法不需要在车床、铣床和刀杆上增加任何附属机构，只在被加工工件上开设孔槽，该方法简单，使用方便；并且不受切削速度的制约，切削速度越高，刀具与工件脱离时间越短，效果越显著。

说明书

技术领域

本发明涉及一种研究金属直角切削过程中切屑形成的方法，属于金属切削变形研究技术领域。

背景技术

金属切削加工过程中的各种物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损以及加工表面质量等，都是以切屑形成过程为基础的，而生产实践中出现的许多问题，如鳞刺、积屑瘤、振动、卷屑与断屑等，也与切削过程中切屑的形成有关。因此，通过切削实验，瞬时“冻结”切削过程，观察分析切削过程中切屑的瞬态形成过程，获取切削过程变形程度，描述物理参数，如剪切角、变形系数、剪应变、应变率等，对金属切削基础理论的研究、对于保证工件加工质量、降低生产成本、提高生产效率，都有着十分重要的意义。

目前用于研究金属切削过程中切屑形成过程的方法有：

(1)侧面方格变形观察法。将被加工工件的侧面抛光，划出细小的方格，察看切削过程中方格的扭曲，借以判断金属切削层变为切屑的情形，这种方法可以观察到从刀尖接触工件开始直到形成切屑的整个过程。主要用在切削速度非常低的加工过程。

(2)高速摄影法。利用高速摄影(像)机，拍摄被切削工件的侧面，可以得到完整的切屑形成过程，每秒可拍摄几百幅到一万幅以上，现在较新型的高速摄影机拍摄速度已达每秒十几万张甚至更高的速度，可用于高速切削切屑形成过程的观察。该方法成本高，不适用于有切削液等切削介质的场合，对加工环境的光线有特殊要求，一般须使用闪光灯来保证快速运动切屑的瞬间定格。

(3)快速落刀法。利用一种特殊刀架，在某一瞬间以很快的速度使刀具脱离被加工工件，则可以获得一个在一定切削条件下的切屑根部标本，标本的获取方法是：先把工件侧面研磨抛光，镀上一层薄铜，然后用照相法将铜腐蚀而成。通过扫描电镜显微观察切屑根部标本可确定剪切角、变形系数、剪应变、应变率等切削过程变形参数。快速落刀装置的结构有多种，最简单的结构是冲击式快速落刀装置，用手锤或其它方式敲打刀夹里的刀具，使铸铁销子剪断，从而使刀具脱离被加工工件，这种结构的落刀装置制造使用方便，由于手锤速度较慢，在较高切削速度时，不能满足瞬时“冻结”切削的效果。另一种弹簧式快速落刀装置，当刀片切削时，刀杆支持在圆柱销上由削边销压紧，承受切削力，需要快速落刀时，稍转动削边销，刀杆在压力弹簧作用下，迅速脱离工件。还有一种是爆炸加快速落刀装置，它是利用活塞内火药的爆炸力使刀具迅速退出，该装置能在10-3秒时间内使刀具快速脱离工件，但这种装置使用炸药，存在安全隐患，未得到广泛应用。综上所述，这些快速落刀装置的刀具-工件脱离速度都受外界因素的制约(手锤敲打速度、弹簧刚性、炸药爆炸力等)，而且只能应用于车削加工，不能用于其它切削方式，如铣削。

发明内容

本发明针对现有研究金属直角切削过程中切屑形成方法的不足，提供一种简单方便、通用性强的研究金属直角切削切屑形成的方法，该方法可用于车削加工和铣削加工。

本发明的研究金属直角切削切屑形成的方法是：

(1)在工件上加工出两个形状相同的孔槽，两个孔槽沿切削时工件的进给方向布置，每个孔槽由一个圆孔和一个直槽组成，直槽一端与圆孔连通，一端为工件的待加工表面外边缘，两个孔槽中圆孔圆心之间的距离为圆孔直径的1.1~1.5倍；直角车削时每个孔槽中直槽的宽度是0.1~1.5mm，直角铣削时每个孔槽中直槽的宽度为每齿进给量(单位：mm/齿)的1.1~1.5倍，每个孔槽中圆孔的直径为直槽宽度的2~2.5倍，圆孔的圆心离工件待加工表面外边缘的距离等于径向切削深度且至少等于圆孔直径；

(2)对工件以机床允许的任意切削速度进行切削，当刀具切削到第一个孔槽时，工件表层上形成的切屑在第一个孔槽处与刀具快速脱离；第二个孔槽用来吸收切屑脱离瞬间与未脱离部位发生碰撞引起的弯曲变形，以防止导致切屑进一步变形；

(3)将所得切屑根部标本经研磨抛光处理，通过显微镜观察切屑瞬时变形状态，直接测量得到剪切角φ(切削速度与剪切滑移面的夹角)和第一切削变形区宽度Δy，在此基础上通过以下计算获取变形系数ξ、剪应变ε、应变率等直角切削过程变形程度描述参数：

变形系数ξ＝cosφ/sinφ

剪应变ε＝(ξ²+1)/ξ

应变率$\stackrel{·}{ϵ}={\mathrm{ϵv}}_c\sin \phi /\mathrm{\Delta y},$式中v_c为切削速度。

本发明的方法不需要在车床和铣床上增加任何其它附属机构，也不需要在刀杆上增加附属机构，只在被加工工件上开设孔槽，该方法简单，使用方便；并且不受切削速度的制约，切削速度越高，刀具与工件脱离时间越短，效果越显著。

附图说明

图1是第一个实施例直角车削加工时的原理结构图。

图2是图1中I处的周向展开放大图。

图3是第二个实施例直角铣削加工时的原理结构图。

图4是图3中II处的放大图。

图5是通过显微镜观察的直角车削切屑瞬时变形状态图。

图中：1、薄壁圆筒形工件，2、车刀，3、第一个孔槽，4、第二个孔槽，5、切屑根部，6、薄板工件，7、铣刀，8、第一孔槽，9、第二孔槽，10、切屑根部，11、切屑，12、剪切角，13、第一切削变形区宽度。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，本实施例是在车床上直角切削加工薄壁圆筒形工件1，在薄壁圆筒形工件1的表面通过电火花机床加工出两个形状相同的孔槽即第一个孔槽3和第二个孔槽4。两个孔槽沿工件1的边缘径向开设，两个孔槽沿圆周分布，与工件1旋转时的进给方向一致，每个孔槽由一个圆孔和一个直槽组成，直槽由工件的待加工表面外边缘向里加工至与圆孔连通，即直槽的一端与圆孔连通，另一端为工件的外边缘。第一个孔槽3和第二个孔槽4的槽宽均为0.2mm，圆孔直径为0.5mm，圆孔的圆心离工件待加工表面外边缘的距离等于1.5mm，两个孔槽圆孔圆心之间的周向距离为0.75mm。

在车床上通过车刀2对工件1进行切削，切削速度v_c＝360m/min，切削深度ap＝1.5mm(与薄壁圆筒形工件1的壁厚相等，为保证车刀2与工件1完全脱离，薄壁圆筒形工件1的壁厚设定为进给量的10倍，且刀具2的主切削刃长度须大于该壁厚)，进给量f＝0.15mm/r。当刀具切削到第一个孔槽3时，工件1表层上形成的切屑在第一个孔槽3处与刀具2稳定快速地脱离。为防止切屑脱离瞬时可能与未脱离部位的碰撞导致切屑进一步变形，在第一个孔槽3后开设了第二个孔槽4，以吸收可能发生的碰撞引起的弯曲变形，也就是说，第二个孔槽4是用来吸收切屑脱离瞬间与未脱离部位发生碰撞引起的弯曲变形，以防止导致切屑进一步变形。

将所得的切屑根部5的标本经研磨抛光处理，通过显微镜观察切屑11的瞬时变形状态，如图5所示，可直接测量得到剪切角12为34.23°，第一切削变形区宽度13为0.010mm，在此基础上通过计算得变形系数为1.47，剪应变为2.15，应变率为0.725×10⁵s^-1。

实施例2

如图3和图4所示，本实施例是在铣床上直角铣削加工薄板工件6，在薄板工件6的表面通过电火花机床加工出两个圆形的孔槽即第一孔槽8和第二孔槽9，两个孔槽开设在薄板工件6的边缘，直槽由薄板工件6的外边缘向里加工至与圆孔连通，两个孔槽沿铣削时薄板工件6的进给方向布置。第一孔槽8和第二孔槽9的槽宽均为0.008mm，圆孔直径为0.016mm，圆孔的圆心离工件待加工表面外边缘的距离等于4mm，两个孔槽圆孔圆心之间的进给距离为0.024mm。

在铣床上通过铣刀7对薄板工件6进行铣削，切削速度v_c＝1000m/min，轴向切削深度ap＝1.5mm(与薄板工件6的厚度相等，为保证刀具与工件完全脱离，薄板工件6的厚度设定为每齿进给量的10倍，且铣刀7的主切削刃长度须大于该薄板工件6的厚度)，径向切削深度ae＝4mm(取铣刀7直径8mm的一半)，每齿进给量f＝0.05mm/齿。当刀具切削到第一孔槽8时，薄板工件6表层上形成的切屑在第一孔槽8处与铣刀7稳定快速地脱离。

将所得的切屑根部10的标本经研磨抛光处理，通过显微镜观察切屑的瞬时变形状态，可直接测量得到剪切角为37.15°，第一切削变形区宽度为0.006mm，在此基础上通过计算得变形系数为1.32，剪应变为2.08，应变率为3.487×10⁶s^-1。