切屑控制(理论+实例)

切屑控制理论（理论+实例）
切屑的生成学
对螺旋形切屑产生影响的参数：
切屑上卷曲率1/ x 横卷曲率1/ r 流屑角h
影响这些参数的因素有很多： 被加工材料的性质，切削用量， 刀具几何参数，冷却液及加工方式等。
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的生成学
上向卷曲
引起原因：厚度方向上的流速差
侧向卷曲
切屑控制理论（理论+实例）
切屑折断试验
当0.5mm < ap < 1.5mm时，凸曲面与刀尖圆弧相对的部分起主要 断屑作用，随着切深的逐渐增加，切屑折断曲线呈下降趋势； 当ap = 1.5mm时，此时凸曲面与主切削刃相对的部分起主要的断 屑作用，此时等效槽宽最小,故存在最小极限进给量fcr ； 当1.5mm < ap ≤3.0mm时,随着切深的增加，凸曲面的作用逐渐减 小，但是切屑流过凸曲面后，非直槽与凸曲面组成等效斜槽约束 切屑使之折断，这就使得切屑折断曲线没有上升而呈平稳趋势；
切屑的运动学
切屑脱离刀具前刀面时的流出方向用切屑的侧出屑角ψλs 和背出屑角θn表示，原点处切屑的流出速度为V0。
由上图中几何关系可求得速度V0在各坐标平面的分量如下：
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的运动学
其对应角速度分别为：
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的运动学
又：
所以：
切屑控制理论（理论+实例）
LOGO
切屑控制理论（理论+实例）
(The Theory of Chip Control)
姓名： 赵佳琪 学号： 2011201278 指导教师： 林滨 天津大学机械工程学院
切屑控制理论（理论+实例）
理论基础
切屑的生成学 切屑的运动学
切屑的折断学
研究实例
切屑折断试验
断屑预报试验
切屑控制理论（理论+实例）
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的折断学
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的折断学
切屑控制理论（理论+实例）
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的折断学
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的折断学
结论：
通过上述的分析可知，在三维复杂槽型刀片切削过程中，由于刀片具有凸曲面 、斜槽等断屑几何单元，使得槽型对刀片的约束作用加强，在上向卷曲部分，在小 切深的情况下，凸曲面对切屑起到约束作用，切屑的卷曲半径减小；随着切深的增 大，斜槽对切屑的约束作用逐渐明显，由于斜槽的存在，实际作用槽宽远小于理论 断屑槽宽，切屑的卷曲半径减小。切屑卷曲半径的减小导致切屑变形加剧，使得切 屑易于折断，从而在图2中曲线AB部分斜率为0。由于凸曲面的存在，一方面在小切 深小进给量的情况下切屑发生横向卷曲；另一方面，此时复杂槽型车刀片在刀尖部 分存在最小槽宽，因此在小切深的情况下，切屑变形已经很剧烈，导致切屑易于折 断，从而在图2中曲线CD的斜率为无穷大。
ru
rv
-- y-z平面上的向上卷曲半径； -- x-y平面上的向上卷曲半径。
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的生成学
三维卷曲
带有反向侧卷的切屑
h' -- 相对于y轴的流屑角, 可称为相对流屑角；
ru
rv
-- y-z平面上的向上卷曲半径； -- x-y平面上的向上卷曲半径。
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的折断学
切屑三维卷曲折断
通过大量的试验研究，采用三维复杂槽型刀片切削时的切 屑折断曲线如图2所示。图中AB、BC、CD、DE、EF、FA六部分 组成的封闭曲线。其中AB、BC、CD是切屑折断界限的范围下限 ，这个范围之外切屑未折断；DE、EF、FA是切屑折断界限的范 围上限，超出这个范围，一是在加工时产生憋屑和振动；二是 超出了刀片的承受能力，容易损坏机床和刀具。 以下针对具有典型非直槽、凸 曲面断屑单元的三维槽型刀建立 了切屑折断界限的数学模型。
切屑的运动学
建立切屑形成直角坐标系O1-X1Y1Z1（如图）：X1轴为切 屑与刀具的分离线，Y1轴平行于前刀面且垂直于X1轴，Z1轴 分别与X1轴和Y1轴垂直，原点为切屑靠近刀尖一侧与前刀面 的分离点。在该坐标系中，用一向量ω表示切屑回转角速 度，向量的方向由右手规则确定。
求ω！
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的运动学
在该坐标系中，切屑有3个方向的卷曲，即上卷ωx( 绕X1轴)、横卷ωz(绕Z1轴)和扭卷ωy(绕Y1轴),切屑的上 卷半径为Rc，其回转轴线平行于X1轴；切屑的横卷半径为 Ro，其回转轴线平行于Z1轴，且横卷角速度为负时，Ro为 正；切屑的扭卷半径为Rn，其回转轴线平行于Y1轴。
切屑控制理论（理论+实例）
切屑控制理论（理论+实例）
断屑预报试验
4.切屑折断曲线
断屑预报系统
对于数据库中没有的复杂断屑槽车刀片， 要预报其断屑范围时，系统将根据输入的槽 型参数分析该刀片的槽型组成，从而调用对 应的切屑折断界限数学模型，采用搜索-逐 点分析法计算、搜索出切屑的临界折断点， 最终绘制成切屑折断曲线显示给用户。
切屑控制理论（理论+实例）
切屑折断试验
刀片：山特维克(Sandvik)的QM断屑槽刀片，型号为TNMG160408-QM。 最大进给量为0.4mm／r，最大切深为3.0mm。
在图中给出了该刀片的详细几何参数以 及关键部位的剖面图。 这种断屑槽沿刀尖的角平分线上槽形均 为对称分布，而且两面都有断屑槽，这是目 前新型复杂断屑槽的一个共同特点。
切屑控制理论（理论+实例）
断屑预报试验
5.预报系统数据库
该预报系统包含刀片数据库和工件材料数据库。 在刀片数据库中，每种不同的刀片对应该库中的一条记录，记录包括系统 进行切屑折断预报所需要的该刀片的所有信息。一条记录一般包括：刀片名称、 生产厂家、刀片槽型几何参数、刀片切屑折断图表矩阵、刀片图像的二进制数 据。 在工件材料数据库中，每种工件材料在该表中都对应一条记录，该记录一 般包括材料名称、牌号和材料。 当用户选择一种刀片和工件材料时，系统将搜索数据库，提取出刀片和工 件材料相关记录，为系统的下一步运作做准备。 断屑预报系统
引起原因：宽度方向上的流速差
V2


V1
a ch
远没有上向卷曲的研究深入！
其中ρ为上向卷曲的半径，ach为切屑厚度
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的生成学
上向卷曲
常见断屑槽产生的切屑上向卷曲
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的生成学
上向卷曲 γu均为切屑上向卷曲半径
u W l ctg
切屑控制理论（理论+实例）
切屑折断试验
当ap >3.0mm时,切屑是由于憋屑导致折断，也就是说 超出了该刀片的有效断屑范围，故不加以讨论。 从图可以看出，试验获得断屑范围曲线与理论的断 屑范围曲线基本符合。
切屑控制理论（理论+实例）
断屑预报试验
1.系统结构
当用户输入数据后，系统首先检测用户 输入数据是否合理，此时，系统会根据用户 选择和输入的参数，随时更新输入和输出界 面。当进行系统更新时，用户也需要在此部 分输入以更新参数列表和刀片信息。 当用户输入正确的参数之后，系统首先 根据用户输入的参数，在系统数据库中查找 相应的工件材料和刀片槽型；根据刀片槽型 选取相应的切屑折断界限模型；依据该切屑 折断界限模型和用户输入的参数计算切屑范 围及切屑形状，并从数据库中提取切削折断 图表；最后在输出部分，把预报结果输出给 用户。 断屑预报系统
切屑控制理论（理论+实例）
切屑折断试验
圆棒料外圆纵向干切削 数控车床CAK6150-Di 工件材料为45钢
切屑控制理论（理论+实例）
切屑折断试验
当0.1mm ≤ ap <0.5mm时，刀尖部分的凸曲面不起作用 ，切屑自然卷曲形成乱屑或者长而不断的切屑；
当ap = 0.5mm时，凸曲面与刀尖圆弧所形成的断屑槽起 到断屑的作用，此时切屑发生横向卷曲,使得切屑在小 切深的情况下就容易折断，因此此部分存在了最小极限 切深acr ；
切屑控制理论（理论+实例）
断屑预报试验
2.切屑形状的分类
断屑预报系统
根据不同的切削形状和长度， 本预报系统把切屑分为六类，
包括：
两种非断屑，代号为5和6； 四种断屑，代号为1，2，3和4。
切屑控制理论（理论+实例）
断屑预报试验
断屑预报系统
3.切屑折断图与切屑折断矩阵
对于数据库中已有的复杂断屑槽刀片，要预报加工过程中所产生的切屑形状， 需要定义一组标准切削条件，在该组条件下，使用该刀片进行一组切削试验，以 获得全局的切屑折断图表样本。通过切削试验可获得不同刀片加工不同材料的切 屑折断图表，在数据库中如果存放每种刀片加工每种材料的整个切屑折断图表， 会增加系统数据库存储和加载时间，故该系统数据库使用切屑折断图表矩阵来存 放切屑折断图表，矩阵使用表中的切屑分类代号作为其中的元素。
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的生成学
刀具切入工件时，被切金属层经剪切面发生弹塑性滑移变形成 为切屑。前刀面的摩擦作用是切屑卷曲的主要原因，这是因为前 刀面的挤压作用使切屑厚度方向上存在不同的残余应变，使切屑 晶粒翻转，从而引起切屑的卷曲。同时刀具卷屑槽的存在在很大 程度上影响切屑的卷曲。 中山一雄指出:正常状态的切屑一般是螺旋形切屑,其形状可由 螺旋外径2ρ,螺距P，螺旋面与轴线的夹角θ确定。切屑流出后, 受到工件、刀具、机床等的阻碍引起变形或折断，从而形成各种 类型的切屑。因此，其它形状的切屑可以看成是螺旋切屑的演变 和组合。 切屑的卷曲可分解为Y-Z平面上的上向卷曲和X-Y平面上的侧向卷曲。 在一般情况下，它的合成是一条圆柱螺旋线，它的轴线平行于X-Z平面。
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的生成学
三维卷曲
没有侧卷的切屑
h' -- 相对于y轴的流屑角, 可称为相对流屑角；
ru
rv
-- y-z平面上的向上卷曲半径； -- x-y平面上的向上卷曲半径。
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的生成学
三维卷曲
带有正向侧卷的切屑
h' -- 相对于y轴的流屑角, 可称为相对流屑角；
切屑的生成学 主要研究切屑在加工过程中如何形成、切屑的组织与力学性能如何变化等问题。 目前的研究仍多集中于利用平前刀面切削时的切屑形成方面。
在利用曲面形前刀面刀具进行切削时，切屑的形成机理有何改变，尚有待于深入研究。
切屑的运动学 主要研究切屑运动(包括切屑流向和卷曲)的规律。 切屑运动学的研究，近年来十分活跃，不仅是现实需要，也具有现实的可能性。 现代生产可以利用切屑运动学的研究成果，使加工产生合理的屑形。 切屑的折断学 主要研究经过变形、卷曲和空间运动的切屑是如何折断的。 它包括切屑碰到障碍物而被折断的机理和切屑被甩断的机理。
(1)工件旋转运动的影响。车削时，由于工件的旋转，从轴心到工件外圆的半径线上，各 点的切削速度均不相同。最外点速度最大，轴心处为零。如果不考虑剪切角沿切削刃 的变化，在主偏角为90、刃倾角为0时，切屑的侧向卷曲半径与工件表面的曲率半径 相等。或者说，被切削层的初始曲率被完全地“复映”在切屑上。 (2)斜角切削的影响。在一般情况下，随着刃倾角正负的变化，侧向卷曲的方向也发生变 化，刃倾角增加，侧向卷曲也加剧。斜角切削使切屑产生侧向卷曲的机理，在于剪切 面的扭转变形。 (3)前刀面摩擦特性的影响。若前棱面宽度沿主切削刃长度方向逐渐变化，将强制性地改 变刀一屑接触长度，使摩擦角发生变化，引起剪切角的变化。在棱面窄的地方，摩擦 角小，剪切角大，切屑的流出速度快，故而引起切屑的侧向卷曲。 (4)副切削刃的作用。一般的切削以主切削刃作用为主，但副切削刃也或多或少地参与切 削。从各个切削刃流出的切屑，相互作用产生力和力矩，但合成一体流出。这种互相 干涉的结果引起了侧向卷曲。

2

a ch 2
u
W
l 2H
2

H 2

a ch 2
其中l为刀-屑接触长度,γ为刀具前角, β为槽后壁角，ach为切屑厚度。
W sin B h ctg sin
其中
W B cos h sin H B cos h sin


其中B为槽宽,h为后壁升高量。
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的生成学
上向卷曲 γu均为切屑上向卷曲半径
u R
a ch 2
u
B 2 sinຫໍສະໝຸດ Baidu
e

a ch 2
其中 R 为槽底圆弧半径
其中 γe 为刀具有效前角
切屑控制理论（理论+实例）
切屑的生成学
侧向卷曲
关于切屑侧向卷曲的机理主要有：