高速切削加工中切削力的应用研究

高速切削加工中切削力的应用研究赵立（沈阳铁路机械学校，沈阳１１００３６）ＡｎｉｙｓｉｓｏｆｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｓｃｏｍｐｏｍｅｎｔｓａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇＺＨＡＯＬｉ（ＳｈｅｎｙａｎｇＲａｉｌｒｏａｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｈｏｏｌ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００３６，Ｃｈｉｎａ）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"【摘要】通过采用一种新型的试验装置，可重现在了较大的切削速度范围内（从１５￣１００ｍ／ｓ），正交切削下的切削过程。

该试验设备可以记录在正交切削下的切削过程中法线方向上和切线方向上的作用力数值。

从而在很大的切削速度范围内，可以对刀具和切屑之间的摩擦力进行分析。

给出了切削力的分力变化和摩擦系数变化的情况。

此外，通过可以使用一台高速摄影机，记录了高速加工中，切屑的形成过程的图像。

关键词：高速加工；切削力；正交切削；摩擦力【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａｎｏｒｉｇｉｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｖｉｃｅｉｓｕｓｅｄｔｏｒｅｐｒｏｄｕｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄｓ（ｆｒｏｍ１５ｔｏａｂｏｕｔ１００ｍ／ｓ）．Ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｍａｋｅｓｉｔｐｏｓｓｉｂｌｅｔｏｒｅｃｏｒｄｂｏｔｈｖａｌ－ｕｅｓｏｆｎｏｒｍａｌａｎｄｔａｎｇｅｎｔｉａｌｆｏｒｃｅｓｉｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｃｕｔｔｉｎｇ．Ａｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｔｏｏｌ－ｃｈｉｐｆｒｉｃｔｉｏｎｉｓｔｈｅｎｐｏｓ－ｓｉｂｌｅｆｏｒａｌａｒｇｅｒａｎｇｅｏｆｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄｓ．Ｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｈｉｐｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇｉｓｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｂｙｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃｒｅｃｏｒｄｉｎｇｗｉｔｈａｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃａｍｅｒａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇ；Ｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｓ；Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｃｕｔｔｉｎｇ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ中图分类号：ＴＨ１６文献标识码：Ａ１前言由于目前高速机床在机械加工行业的应用，提高的切削速度和材料的性能已成为机械加工技术的发展趋势。

因此，非常有必要对高速切削过程进行试验分析。

主要介绍采用一种新型试验装置对正交切削进行了分析。

正交切削的定义是由Ｍｅｒｃｈａｎｔ提出的，即切削刀具产生的平面和被切削物体原先的平面平行，且其切削刃的设置与刀具和工件之间相对运动方向垂直。

在工业过程中，这些条件很少能够达到，因为在一般情况下，会出现多个切削刃的情况（特别是在铣削工艺中），而切削刃的方向又是倾斜的。

然而通过这样的简化，可以有助于分析和理解上述现象。

这种试验装置使这一分析得以进行，不会出现通常加工测试中发生的局限。

因此，通过保持装置高度刚性并限制附加的振动，可以在１５至１００ｍ／ｓ的切削速度范围进行分析。

此外，由于装置具有良好的开放性，可以对切削过程进行理想的观察。

也已经有大量采用相关仪器对高速加工进行研究的报道，但是它们要么在切削速度上受到限制，要么在作用力的各个分力测量上受到限制。

现有装置可使得现在可以在正交切削中，对两个分力进行测量。

本文首次给出了在中碳钢（４２ＣｒＭｏ４）上取得的结果和切屑形成过程中的照片记录来说明了切削速度下切屑形状的变化。

２试验装置ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＤｅｖｉｃｅ本文给出了实验装置的主要性能。

是可以测量出切削力的推进分力和纵向分力。

图１为示意简图。

由这些测量可以估算出刀具－切屑界面的摩擦系数值。

该试验装置的一项重要性能就是具有很高的刚性。

因而，在短暂的时间后，达到的切削条件并精确地保持在正交和准、稳状态上。

图１试验装置的示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐ刀具的夹紧装置的新型设计，使得推进分力ＦＴ的测量成为可能。

图２所示为位于气动管入口处夹紧装置的详细情况。

两个气动装置气动管光源刀具夹紧装置传送管吸振器＊来稿日期：２００７－０６－１３文章编号：１００１－３９９７（２００８）０１－０１５５－０３第１期２００８年１月－１５５－ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ机械设计与制造工件凹槽测力仪切削刀具切屑ＦＣＦＴ刀具对称地布置在刀具夹紧装置上，这样可以同时对工件试样的两侧进行加工。

由气动装置推动的气动头承载试样。

各刀具分别安装在横梁上，该横梁的截面足够大，以保证很高的刚性。

切削力的作用使得横梁受压并产生弯曲。

每个横梁在不同的两个位置上装有应变计，以测定产生的应变。

通过对应变的测量，可以推导出切削力在平行于切削方向和垂直于切削方向上的分力。

测量在位于左右两侧的刀具处进行。

要保证刀具和试样的精确定位，从而达到尽可能对称的切削。

试样的几何形状在每次测试前和测试后要仔细地测量以确定切削的深度。

气动管的设计要保证气动射头的横向上的定位精度达到０．０１５ｍｍ。

图２刀具的夹紧装置Ｆｉｇ．２Ｄｅｔａｉｌｓｏｆｔｈｅｔｏｏｌｈｏｌｄｉｎｇｆｉｘｔｕｒｅ然而，在两个刀具上可以观察到略微不同的切削深度。

这在部分上是由于试样由于气动射头大小在０．０２ｍｍ以内的定位误差以及气动射头导向精度导致的。

因此，各个刀具切削深度的波动可能在０．０５ｍｍ大小以内。

该实际切削深度ａｐ和理论切削深度ａｐ０（完全对称条件下的试验）的细小差值采用以下的方法进行校正。

用ＦＣ表示，和ａｐ０相关，ＦＣ０为沿切削方向测得的切削力（图４）切削力ＦＣ０的数值为：ＦＣ０＝ａｐ１０ａｐＦＣ对于横向的分力ＦＴ（和切削方向垂直；见图４）也进行同样的校正。

从而通过考虑用于参照的切削深度ａｐ，相对ａｐ的微小偏差得以和（１）式一样的校正，在本论文中报道的作用力为ＦＣ０和ＦＴ０。

刀具的支撑件截面强度大，用于限制弯曲的情况，避免预计的切削深度ａｐ出现过大的改变。

由气动射头承载的工件为直角的平行六面体，长度为Ｌ，和切削方向平行（图２），宽度为ｗ，高度为ｈ。

所有的测试都采用硬质合金刀具，每次发射都采用新的刀具。

这些刀具都是正方形，不带断屑槽。

本文中所有的测试都是在刀具前角为零，ｔ１＝０．２和０．５ｍｍ两种切削深度，长度Ｌ＝１２ｍｍ的条件下进行的。

装置的校准，或者说取得的信号强度和切削分力之间的关系，分两步得出。

首先，在通过使用压力机对切削刀具施加载荷的位置进行静态测试，然后进行有限元计算。

气动射头的质量也要校准，以获得足够大的动能保证必要的机械作功，从而完成切削操作。

因而切削速度在整个过程中接近定值，并且实现准、稳状态切削条件。

为达到该目的，有必要采用同样几何外形但是质量密度不同的气动射头（钢、铝、聚合物）。

气动射头的速度和加速度通过在靠近加工切削区，由三组光源、光电二极管和计时器构成的装置进行测量。

气动射头的经过时，于发射位管末端的光束可以探测到。

运动的速度范围为１５￣１００ｍ／ｓ。

为了完成该切削速度范围的测试，在一台数控车床上采用相同的刀具，以０．５至２０ｍ／ｓ的速度进行了相似的测试。

该数控车床装备有测力仪，为了达到和正交切削可以允许增大两个方向上的分力（见图３）。

图３数控车床上的切削Ｆｉｇ．３Ｃｕｔｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｏｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｌａｔｈｅ为了达到和正交切削过程接近的切削条件，在该车床上加工了一个直径１２５ｍｍ的圆形工件。

在靠近加工区域的位置安装了一台高速摄影机。

试验现象要在胶片上成像，要求非常短的曝光时间（长短在几个微秒以内），所以需要通过两台高压闪光灯达到强烈的照明强度。

这也要求触发机构和照相记录系统达到完全一致的同步。

３实验结果试验在中碳钢（４２ＣｒＭｏ４）上进行，表１给出了该钢材的化学成分。

图４给出了在过程中作用力的不同分力。

图４正交切削过程中的不同作用力Ｆｉｇ．４Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｏｒｃｅｓｉｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ假设所有用于产生切屑的力只作用在刀具的前刀面上。

则刀具和工件之间的平均摩擦系数μ０则定义为切削力ＲＴ和刀具上作用力ＲＴ的比值，并从下式得出：μ０＝ｔａｎλ＝ＲＴＲＮ式中：λ—摩擦角。

考虑到：ＲＴ＝Ｒ＇ｓｉｎλ＝ＦＣｓｉｎα＋ＦＴｃｏｓαＲＮ＝Ｒ＇ｃｏｓλ＝ＦＣｃｏｓα－ＦＮｓｉｎα刀具夹具支撑应变仪的横梁试样切削刀具切屑切削方向对称轴ｈ００２０４０６０８０１００－１５６－第１期赵立：高速切削加工中切削力的应用研究刀前角#切削刀具切屑工件主剪切区剪切角ｔ１：切削深度或未切削掉的切屑厚度第３区切削宽度切削刀具Ｗ：Ｖ：切屑速度切屑厚度Ｒ：“刀具－切屑”作用力ＲＴＲＮＦＣ"－#"$ＲＦ１ＲＮ"Ｒｒｔ２关系式（２）可以写作：关系式（２）可以写作：μ０＝ＦＴ－ＦＣｔａｎ"ＦＴ－ＦＣｔａｎ"因此，当刀具前角γ０＝０°时，摩擦系数可以直接从切削力的测量中得出：μ０＝ＦＣＦＴ由于所有的测试进行的时间很短暂，而且使用新的切削刀具，所以其它由于积屑瘤的形成和刀具的磨损机理产生的作用力可以忽略。

刀具用干涉仪显微镜进行检查。

除了刀具前刀面光亮点以外，在刀具的轮廓表面未发现变化。

高速切削（约４０ｍ／ｓ）的试验也得到了相似结果。

这些切削刃上的作用力并不依赖于切屑的厚度。

试验表明，即便是非常小的切屑厚度也会存在切削力。

该残余作用力的大小在切屑厚度外退至零时得出。

这种方法可以得出估算出摩擦力变化的近似值。

因而，为作用在前刀面的纵向切削力ＦＣｔ和横向切削力ＦＴｔ为：ＦＣｔ＝ＦＣ－ＦＣｅＦＴｔ＝ＦＴ－ＦＴｅ式中：ＦＣ和ＦＴ—试验测量的纵向和横向切削力，而ＦＣｔ和ＦＴｔ为切削刃上的作用力。

最终，刀具－切屑界面的实际摩擦系数μ０由下式给出：μ０＝ＦＣＦＴ然而，在金属的切削中，工件材料和切削刀具之间紧密接触。

这种接触从前刀面一直延伸到刀尖区域。

因而，也应当考虑来自第Ⅲ变形区的作用力（靠近刀刃，见图４），以确定刀具－切屑界面间的实际摩擦系数。

事实上，作为测量得出的作用力为切削力和附加力的总和。

由于切削刀具具有大于０°的切削刃圆角，这些附加力很大一部分包括了由刀尖几何形状决定的作切削刃上力。