难加工材料加工切削力机理研究现状*

□ 李慎旺 □ 秦红星 □ 刘纯祥 □ 卜 匀

唐山学院河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室 河北唐山 063000

1 切削力概述

切削力是切削加工中的重要物理量,是衡量材料切削加工性的重要指标。切削力不但直接影响切削热,而且会对刀具破损、刀具磨损、零件加工精度、加工表面完整性产生影响。切削力还是计算切削功率,设计机床、工装夹具、刀具的重要依据。在切削过程中,切削力与切削热耦合,容易使零件变形过大,进而使零件报废。由此可见,对切削力进行研究很有必要,笔者介绍难加工材料加工切削力机理研究现状。

2 难加工材料切削加工

从切削角度分析,难加工材料可以分为高强轫类难加工材料和复合材料。

高强韧类难加工材料包括钛合金、高强度钢、高温合金等,主要特点是强度高、强化因数高、塑性高、韧性好、导热系数低。高强韧类难加工材料在切削时会出现切削力大、刀具磨损大、温度高、切屑难处理、切削表面及已加工表面硬化严重等现象。

复合材料主要包括陶瓷基复合材料、金属基复合材料等。金属基复合材料以碳化硅、氧化铝、氮化铝等陶瓷颗粒或纤维作为增强相,以铝及其合金、镁、钛等金属材料作为基体,经过粉末冶金、压力铸造、搅拌铸造、喷射沉积等方法制备而成,具有比强度高、比刚度高、热膨胀系数低、热稳定性好、导热率高、耐磨性好、尺寸稳定性好等突出优点[1]。金属基复合材料因为含有强度高、硬度高、磨蚀性强的增强相,所以是非常典型的难加工材料,在切削过程中刀具磨损严重,使刀具寿命缩短,限制切削速度和加工效率的提高,很难实现批量生产,推广与应用受到制约[2]。

3 直角切削与斜角切削切削力

直角切削如图1所示,斜角切削如图2所示。γn为法向前角,η为流屑角,λs为刃倾角,Fpi为前刀面上切屑流动方向的切削力,Fqi为前刀面上与切屑流动方向垂直的切削力,γ0为前角,v为切削速度,vc为切屑流动速度。对于直角切削和斜角切削,均以切削刃上一点O为原点,以工件表面垂线为Z轴,以沿工件表面垂直切削刃方向为X轴,建立坐标系。切削力的理论预报模型比较多,在关于直角切削和斜角切削的切削力理论预报模型中,文献[3]对钛合金材料切削加工进行研究,建立钛合金斜角切削的切削力模型;文献[4]应用热-力耦合原理,建立钛合金斜角切削的切削力模型;文献[5]根据斜角切削理论,分析刀具角度对切削力的影响规律。在直角切削和斜角切削的切削力研究中,文献[6-7]考虑后刀面磨损,文献[4,8]考虑热-力耦合,而文献[9-10]对直角切削和斜角切削的初期切削力研究则均未考虑以上因素。在直角切削和斜角切削的切削力研究中,充分考虑后刀面磨损、热-力耦合等因素,可以使模型更精确。以直角切削和斜角切削的切削力理论研究为基础,在螺旋刃立铣刀的切削力模型中将螺旋刃立铣刀的切削刃分解为一系列斜角切削刃,如图3所示。γv为速度前角,γe为有效前角,ηc为流屑角,β为立铣刀螺旋角。以立铣刀轴线为Z轴,以水平方向为X轴,建立坐标系。

4 立铣刀切削力理论预报模型

文献[11]在建立立铣刀铣削力模型时,充分考虑了剪切和梨沟效应。文献[12]基于Oxley理论,建立螺旋刃立铣刀铣削力模型。文献[13]在Kronenberg公式的基础上,建立铣削加工时基本切削力模型,采用极值探索法确定模型中的因数与指数项常数。综合分析比较已有文献中关于稳态切削力,动态切削力,平头立铣刀、球头立铣刀、波形刃立铣刀切削力,普通立铣刀、微细立铣刀切削力的理论模型[14-25],结合切削加工实际,可以发现铣削时切削力大小均与切削厚度有关。铣削时切削力与切削厚度的关系如图4所示,Φi为第i个刀齿的瞬时齿位角,Φst、Φex分别为瞬时齿位角的上下限,r为立铣刀半径,dz为切削刃微元,dFti为第i个刀齿dz对应的切向力,dFri为第i个刀齿dz对应的径向力,dFai为第i个刀齿dz对应的轴向力,t(Φi)为Φi对应的切削厚度,aef为进给量,ap为切削深度,γr为铣刀前角,ω为铣刀转速,A、B、D、E为瞬时铣削厚度端点,1、2、3为铣刀刀刃与工件接触线,F、C为铣刀刀刃与工件接触线端点。以铣刀轴线为Z轴,以水平方向为X轴,建立坐标系。由研究可见,在不降低材料去除率的前提下,减小切削厚度对减小切削力有利。

5 结论

(1) 切削力是切削过程的重要指标,直接影响切削热,对刀具磨损、刀具破损、零件实际加工精度、已加工表面质量均会产生影响。切削力与切削热耦合,容易造成零件变形量过大,进而使零件报废。

(2) 难加工材料具有强度高、强化因数高、韧性好、塑性高、导热系数低、耐磨性好等诸多优点,但切削时会出现切削力大、刀具磨损严重、刀具使用寿命短等现象。

(3) 在切削力机理研究中,直角切削和斜角切削的切削力理论研究是基础,在直角切削和斜角切削的切削力研究中,应当充分考虑后刀面磨损、热-力耦合等因素。

(4) 稳态切削力、动态切削力、平头立铣刀切削力、球头立铣刀切削力、波形刃立铣刀切削力、普通立铣刀切削力、微细立铣刀切削力都与切削厚度有关,在不降低材料去除率的前提下,减小切削厚度有利于减小切削力。