一種研究金屬直角切削切屑形成的方法
2023-04-25 01:13:26
專利名稱：一種研究金屬直角切削切屑形成的方法
技術領域：
本發明涉及一種研究金屬直角切削過程中切屑形成的方法，屬於金屬切削變形研究技術領域。
背景技術：
金屬切削加工過程中的各種物理現象，如切削力、切削熱、刀具磨損以及加工表面質量等，都是以切屑形成過程為基礎的，而生產實踐中出現的許多問題，如鱗刺、積屑瘤、振動、卷屑與斷屑等，也與切削過程中切屑的形成有關。因此，通過切削實驗，瞬時「凍結」切削過程，觀察分析切削過程中切屑的瞬態形成過程，獲取切削過程變形程度，描述物理參數，如剪切角、變形係數、剪應變、應變率等，對金屬切削基礎理論的研究、對於保證工件加工質量、降低生產成本、提高生產效率，都有著十分重要的意義。
目前用於研究金屬切削過程中切屑形成過程的方法有 (1)側面方格變形觀察法。將被加工工件的側面拋光，劃出細小的方格，察看切削過程中方格的扭曲，藉以判斷金屬切削層變為切屑的情形，這種方法可以觀察到從刀尖接觸工件開始直到形成切屑的整個過程。主要用在切削速度非常低的加工過程。
(2)高速攝影法。利用高速攝影(像)機，拍攝被切削工件的側面，可以得到完整的切屑形成過程，每秒可拍攝幾百幅到一萬幅以上，現在較新型的高速攝影機拍攝速度已達每秒十幾萬張甚至更高的速度，可用於高速切削切屑形成過程的觀察。該方法成本高，不適用於有切削液等切削介質的場合，對加工環境的光線有特殊要求，一般須使用閃光燈來保證快速運動切屑的瞬間定格。
(3)快速落刀法。利用一種特殊刀架，在某一瞬間以很快的速度使刀具脫離被加工工件，則可以獲得一個在一定切削條件下的切屑根部標本，標本的獲取方法是先把工件側面研磨拋光，鍍上一層薄銅，然後用照相法將銅腐蝕而成。通過掃描電鏡顯微觀察切屑根部標本可確定剪切角、變形係數、剪應變、應變率等切削過程變形參數。快速落刀裝置的結構有多種，最簡單的結構是衝擊式快速落刀裝置，用手錘或其它方式敲打刀夾裡的刀具，使鑄鐵銷子剪斷，從而使刀具脫離被加工工件，這種結構的落刀裝置製造使用方便，由於手錘速度較慢，在較高切削速度時，不能滿足瞬時「凍結」切削的效果。另一種彈簧式快速落刀裝置，當刀片切削時，刀杆支持在圓柱銷上由削邊銷壓緊，承受切削力，需要快速落刀時，稍轉動削邊銷，刀杆在壓力彈簧作用下，迅速脫離工件。還有一種是爆炸加快速落刀裝置，它是利用活塞內火藥的爆炸力使刀具迅速退出，該裝置能在10-3秒時間內使刀具快速脫離工件，但這種裝置使用炸藥，存在安全隱患，未得到廣泛應用。綜上所述，這些快速落刀裝置的刀具-工件脫離速度都受外界因素的制約(手錘敲打速度、彈簧剛性、炸藥爆炸力等)，而且只能應用於車削加工，不能用於其它切削方式，如銑削。
發明內容
本發明針對現有研究金屬直角切削過程中切屑形成方法的不足，提供一種簡單方便、通用性強的研究金屬直角切削切屑形成的方法，該方法可用於車削加工和銑削加工。
本發明的研究金屬直角切削切屑形成的方法是 (1)在工件上加工出兩個形狀相同的孔槽，兩個孔槽沿切削時工件的進給方向布置，每個孔槽由一個圓孔和一個直槽組成，直槽一端與圓孔連通，一端為工件的待加工表面外邊緣，兩個孔槽中圓孔圓心之間的距離為圓孔直徑的1.1~1.5倍；直角車削時每個孔槽中直槽的寬度是0.1~1.5mm，直角銑削時每個孔槽中直槽的寬度為每齒進給量(單位mm/齒)的1.1~1.5倍，每個孔槽中圓孔的直徑為直槽寬度的2~2.5倍，圓孔的圓心離工件待加工表面外邊緣的距離等於徑向切削深度且至少等於圓孔直徑； (2)對工件以工具機允許的任意切削速度進行切削，當刀具切削到第一個孔槽時，工件表層上形成的切屑在第一個孔槽處與刀具快速脫離；第二個孔槽用來吸收切屑脫離瞬間與未脫離部位發生碰撞引起的彎曲變形，以防止導致切屑進一步變形； (3)將所得切屑根部標本經研磨拋光處理，通過顯微鏡觀察切屑瞬時變形狀態，直接測量得到剪切角φ(切削速度與剪切滑移面的夾角)和第一切削變形區寬度Δy，在此基礎上通過以下計算獲取變形係數ξ、剪應變ε、應變率
等直角切削過程變形程度描述參數 變形係數ξ＝cosφ/sinφ 剪應變ε＝(ξ2+1)/ξ 應變率式中vc為切削速度。
本發明的方法不需要在車床和銑床上增加任何其它附屬機構，也不需要在刀杆上增加附屬機構，只在被加工工件上開設孔槽，該方法簡單，使用方便；並且不受切削速度的制約，切削速度越高，刀具與工件脫離時間越短，效果越顯著。
圖1是第一個實施例直角車削加工時的原理結構圖。
圖2是圖1中I處的周向展開放大圖。
圖3是第二個實施例直角銑削加工時的原理結構圖。
圖4是圖3中II處的放大圖。
圖5是通過顯微鏡觀察的直角車削切屑瞬時變形狀態圖。
圖中1、薄壁圓筒形工件，2、車刀，3、第一個孔槽，4、第二個孔槽，5、切屑根部，6、薄板工件，7、銑刀，8、第一孔槽，9、第二孔槽，10、切屑根部，11、切屑，12、剪切角，13、第一切削變形區寬度。
具體實施例方式 實施例1 如圖1和圖2所示，本實施例是在車床上直角切削加工薄壁圓筒形工件1，在薄壁圓筒形工件1的表面通過電火花工具機加工出兩個形狀相同的孔槽即第一個孔槽3和第二個孔槽4。兩個孔槽沿工件1的邊緣徑向開設，兩個孔槽沿圓周分布，與工件1旋轉時的進給方向一致，每個孔槽由一個圓孔和一個直槽組成，直槽由工件的待加工表面外邊緣向裡加工至與圓孔連通，即直槽的一端與圓孔連通，另一端為工件的外邊緣。第一個孔槽3和第二個孔槽4的槽寬均為0.2mm，圓孔直徑為0.5mm，圓孔的圓心離工件待加工表面外邊緣的距離等於1.5mm，兩個孔槽圓孔圓心之間的周向距離為0.75mm。
在車床上通過車刀2對工件1進行切削，切削速度vc＝360m/min，切削深度ap＝1.5mm(與薄壁圓筒形工件1的壁厚相等，為保證車刀2與工件1完全脫離，薄壁圓筒形工件1的壁厚設定為進給量的10倍，且刀具2的主切削刃長度須大於該壁厚)，進給量f＝0.15mm/r。當刀具切削到第一個孔槽3時，工件1表層上形成的切屑在第一個孔槽3處與刀具2穩定快速地脫離。為防止切屑脫離瞬時可能與未脫離部位的碰撞導致切屑進一步變形，在第一個孔槽3後開設了第二個孔槽4，以吸收可能發生的碰撞引起的彎曲變形，也就是說，第二個孔槽4是用來吸收切屑脫離瞬間與未脫離部位發生碰撞引起的彎曲變形，以防止導致切屑進一步變形。
將所得的切屑根部5的標本經研磨拋光處理，通過顯微鏡觀察切屑11的瞬時變形狀態，如圖5所示，可直接測量得到剪切角12為34.23°，第一切削變形區寬度13為0.010mm，在此基礎上通過計算得變形係數為1.47，剪應變為2.15，應變率為0.725×105s-1。
實施例2 如圖3和圖4所示，本實施例是在銑床上直角銑削加工薄板工件6，在薄板工件6的表面通過電火花工具機加工出兩個圓形的孔槽即第一孔槽8和第二孔槽9，兩個孔槽開設在薄板工件6的邊緣，直槽由薄板工件6的外邊緣向裡加工至與圓孔連通，兩個孔槽沿銑削時薄板工件6的進給方向布置。第一孔槽8和第二孔槽9的槽寬均為0.008mm，圓孔直徑為0.016mm，圓孔的圓心離工件待加工表面外邊緣的距離等於4mm，兩個孔槽圓孔圓心之間的進給距離為0.024mm。
在銑床上通過銑刀7對薄板工件6進行銑削，切削速度vc＝1000m/min，軸向切削深度ap＝1.5mm(與薄板工件6的厚度相等，為保證刀具與工件完全脫離，薄板工件6的厚度設定為每齒進給量的10倍，且銑刀7的主切削刃長度須大於該薄板工件6的厚度)，徑向切削深度ae＝4mm(取銑刀7直徑8mm的一半)，每齒進給量f＝0.05mm/齒。當刀具切削到第一孔槽8時，薄板工件6表層上形成的切屑在第一孔槽8處與銑刀7穩定快速地脫離。
將所得的切屑根部10的標本經研磨拋光處理，通過顯微鏡觀察切屑的瞬時變形狀態，可直接測量得到剪切角為37.15°，第一切削變形區寬度為0.006mm，在此基礎上通過計算得變形係數為1.32，剪應變為2.08，應變率為3.487×106s-1。
權利要求
1.一種研究金屬直角切削切屑形成的方法，其特徵在於該方法是
(1)在工件上加工出兩個形狀相同的孔槽，兩個孔槽沿切削時工件的進給方向布置，每個孔槽由一個圓孔和一個直槽組成，直槽一端與圓孔連通，一端為工件的待加工表面外邊緣，兩個孔槽中圓孔圓心之間的距離為圓孔直徑的1.1~1.5倍；直角車削時每個孔槽中直槽的寬度是0.1~1.5mm，直角銑削時每個孔槽中直槽的寬度為每齒進給量的1.1~1.5倍，每個孔槽中圓孔的直徑為直槽寬度的2~2.5倍，圓孔的圓心離工件待加工表面外邊緣的距離等於徑向切削深度且至少等於圓孔直徑；
(2)對工件以工具機允許的任意切削速度進行切削，當刀具切削到第一個孔槽時，工件表層上形成的切屑在第一個孔槽處與刀具快速脫離；第二個孔槽用來吸收切屑脫離瞬間與未脫離部位發生碰撞引起的彎曲變形，以防止導致切屑進一步變形；
(3)將所得切屑根部標本經研磨拋光處理，通過顯微鏡觀察切屑瞬時變形狀態，直接測量得到剪切角φ和第一切削變形區寬度Δy，在此基礎上通過以下計算獲取變形係數ξ、剪應變ε、應變率
變形係數ξ＝cosφ/sinφ
剪應變ε＝(ξ2+1)/ξ
應變率式中vc為切削速度。
全文摘要
本發明提供了一種研究金屬直角切削切屑形成的方法，該方法是(1)在工件上加工出兩個形狀相同的孔槽，兩個孔槽沿切削時工件的進給方向布置，每個孔槽由一個圓孔和一個直槽組成；(2)對工件以工具機允許的任意切削速度進行切削，當刀具切削到第一個孔槽時，工件表層上形成的切屑在第一個孔槽處與刀具脫離；(3)將所得切屑根部標本經研磨拋光處理，通過顯微鏡觀察，直接測量得到剪切角φ和第一切削變形區寬度Δy，再計算獲取變形係數ξ、剪應變ε、應變率ε。本發明的方法不需要在車床、銑床和刀杆上增加任何附屬機構，只在被加工工件上開設孔槽，該方法簡單，使用方便；並且不受切削速度的制約，切削速度越高，刀具與工件脫離時間越短，效果越顯著。
文檔編號G01B11/16GK101126703SQ200710017149
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月18日 優先權日2007年9月18日
發明者劉戰強, 劉繼剛, 吳繼華 申請人:山東大學