（机械制造及其自动化专业论文）三维槽型断屑机理及预报的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 三维槽型断屑机理及预报的研究 摘要 金属切削在高度自动化和无人参与的情况下，向着提高金属切除率方向 发展。这需要非常可靠的切削加工过程。但由于连续切削中的切屑控制问 题，自动生产线或单机设备的非正常停机率相当高，严重影响其效能的发 挥。随着各类三维槽型刀片的广泛应用，合理选用刀片槽型并准确预报其切 削性能成为解决上述问题的关键。 本文在已有的研究成果基础上，通过对三维槽型车刀片断屑机理及基于 网络的断屑预报系统的研究，为实现连续切削中切屑的有效控制奠定坚实的 基础。主要研究内容包括： 首先，本文进行了三维槽型车刀片断屑槽型结构的研究，根据切屑控制 理论与c o l w e l l 法则，获得了构成三维槽型车刀片断屑槽的六种典型槽型的等 效断屑槽型参数，建立了四种典型槽型断屑效应的评价模型。 其次，从对三维槽型车刀片断屑槽型的数学描述入手，在已取得的三维 槽型车刀片切屑形成与折断机理的研究成果基础上，进行了三维槽型对切屑 形成与流动约束作用的研究，建立了三维槽型对切屑约束作用点及切屑卷曲 方向角的预报模型，实现了四种典型槽型对切屑约束作用点及切屑卷曲方向 角的预报。 采用最大应变理论，建立了基于三维槽型对切屑约束作用的切屑流动、 卷曲与折断预报模型，实现了三维槽型切屑上向卷曲半径和横向卷曲半径的 预报。从而为基于网络的断屑预报系统的研制奠定了理论基础。 针对切屑形成、卷曲与折断过程的复杂性、不确定性和模糊性，以已有 的切削试验为基础，建立了基于半经验预报模型的切屑折断矩阵。 最后，采用j a v a 语言的j s p 技术和基于数据驱动控制的双向推理机制， 建立了基于网络的断屑预报系统，实现了基于网络的多用户同时访问与切屑 折断在线预报。 以上研究为进行刀片槽型优化设计及具有自主知识产权的三维复杂槽型 车刀片产品的开发提供了依据。 关键词三维槽型；断屑机理；切屑约束；预报系统 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 s t u d yo nt h ec h i p - b r e a k i n gm e c h a n i s ma n d p r e d i c t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lg r o o v e a b s t r a c t m e t a lc u t t i n gi st o w a r d st h ed i r e c t i o no fi m p r o v i n gt h em e t a lr e m o v i n gr a t i o u n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g ha u t o m a t i z a t i o na n du n m a r m e dp a r t i c i p a n t t h i sd e m a n d s as p e c i a lr e l i a b l ec u t t i n gp r o c e s s b e c a u s et h ep r o b l e mo fc h i pc o n t r o li nt h e p r o c e s s o fc o n t i n u o u sc u t t i n g ，t h ee x c e p t i o n a lb r e a kr a t i oo fa u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n eo r s t a n d - a l o n ed e v i c ei sv e r yh i e , r a y , t h o s eb a d l ya f f e c t st h ee f f i c i e n c ye x e r t i o n w i t h t h ew i d ea p p l i c a t i o no fe a c ht y p eo ft h r e e - d i m e n s i o n a lg r o o v ei n s e r t , i n s e r tg r o o v e r e a s o n a b l ec h o o s i n ga n dt h ec u t t i n gp e r f o r m a n c ee x a c tp r e d i c t i o nh a v eb e c o m et h e k e yo fs o l v i n gt h ep r o b l e ma b o v e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h es t u d yf i - u i tw h i c hh a sb e e ne d u c e d ，b ys t u d yt h e c h i p b r e a k i n gm e c h a n i s mo ft h r e e - d i m e n s i o n a lg r o o v et u r n i n gi n s e r ta n dt h ew e b b a s e dc h i p - b r e a k i n gp r e d i c t i v e s y s t e m ，t h em a s s i n e s sb a s i c i se s t a b l i s h e df o r r e a l i z i n gt h ec h i pe f f e c t i v ec o n t r o lo fc o n t i n u o u sc u t t i n gp r o c e s s t h em a i ns t u d i e s i n c l u d e ： f i r s t ，d o i n gt h es t u d yo nt h et h r e e d i m e n s i o n a lg r o o v et u r n i n gi n s e r tc h i p b r e a k i n gg r o o v ec o n f i g u r a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fc h i pc o n t r o la n dt h e c o l w e l lt h e o r e m ，t h e e q u i v a l e n tc h i p b r e a k i n gg r o o v ep a r a m e t e ro fs i x r e p r e s e n t a t i v eg r o o v e o fw h i c ht h r e e - d i m e n s i o n a l g r o o v et u r n i n gi n s e r tc h i p b r e a k i n gg r o o v e i s c o m p o s e di so b t a i n e d ，a n dt h e e s t i m a t em o d e lo ff o u r r e p r e s e n t a t i v eg r o o v ec h i p b r e a k i n ge f f e c ti sf o u n d e d s e c o n d ，s t a r tw i t ht h em a t h sd e p i c t i n go ft h r e e d i m e n s i o n a lg r o o v et u r n i n g i n s e r tc h i p b r e a k i n gg r o o v e ，b a s e do nt h es t u d yf r u i to ft h r e e d i m e n s i o n a l g r o o v e t a m i n gi n s e r tc h i pf o r ma n db r e a k i n gm e c h a n i s mw h i c hh a sb e e na c q u i r e d ，d o i n g t h er e s t r i c t i o na c t i o ns t u d yo nt h et h r e e d i m e n s i o n a lg r o o v ec h i pf o r ma n df l o w , t h e p r e d i c t i v em o d e lo ft h r e e - d i m e n s i o n a lg r o o v ec h i pr e s t r i c t i o na c t i o np o i n ta n dc h i p c u r l yd i r e c t i o na n g l eh a v eb e e nf o u n d e d ，a n dt h ep r e d i c t i o no fc h i pr e s t r i c t i o na c t i o n p o i n ta n dc h i pc u r l yd i r e c t i o na n g l eo ff o u rr e p r e s e n t a t i v eg r o o v eh a v e b e e n i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a c h i e v e d u s i n gt h et h e o r yo fm a x i m a ls t r a i n ，t h ep r e d i c t i v em o d e lo fc h i pf l o w ，c u r la n d b r e a k i n gb a s e do nt h r e e - d i m e n s i o n a lg r o o v ec h i pr e s t r i c t i o na r ef o u n d e d ，a n dt h e p r e d i c t i o no fc h i pu p c u r lr a d i u sa n ds i d e - c u r lr a d i u so ft h r e e d i m e n s i o n a li v o o v e h a v eb e e na c h i e v e d n l et h e o r yb a s i ci se s t a b l i s h e df o rd e v e l o p i n gt h ew e b b a s e d c h i p b r e a k i n gp r e d i c t i v es y s t e m a i m i n ga tt h ec o m p l e x i t y , i n d e t e r m i n a t i o na n di l l e g i b i l i t yo fc h i pf o r m ，c u r l a n db r e a k i n gp r o c e s s ，b a s e do nt h ec u t t i n ge x p e r i m e n tw h i c hh a sb e e nd o n e ，t h e c h i p - b r e a k i n gm a t r i xb a s e do ns e m i - e m p i r i c a lp r e d i c t i v em o d e li sf o u n d e d f i n a l l y , u s i n gj s pt e c h n o l o g yo fj a v ap r o g r a ml a n g u a g ea n db i d i r e c t i o n a l c o n s e q u e n c em e c h a n i s mb a s e do nd a t ad r i v ec o n t r o l ，w e b - b a s e dc h i p - b r e a k i n g p r e d i c t i v es y s t e mi sd e v e l o p e d ，t h i sr e a l i z e sm a n yu s e rv i s i t sa tt h es a m et i m eb a s e d o ni n t e r a c ta n dt h ec h i p b r e a k i n go n l i n ep r e d i c t i o n a l lt h e s es t u d i e sp r o v i d e 舀s tf o rd o i n gt h ei n s e r tg r o o v eo p t i m i z a t i o nd e s i g n a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h r e e d i m e n s i o n a lc o m p l e xg r o o v et u m i n gi n s e r tw h i c hh a s i n d e p e n d e n tk n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h t k e y w o r d st h r e e - d i m e n s i o n a lg r o o v e ；c h i p b r e a k i n gm e c h a n i s m ；c h i pr e s t r i c t i o n ； p r e d i c t i v es y s t e m i i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着机械加工自动化程度的不断提高及可转位刀片应用的日益广泛，对切 削刀具断属性能的要求越来越高。因此，可转位刀片断屑槽型已由简单的二维 槽型发展成为复杂的三维槽型。由于三维槽型几何形状的复杂性，每种槽型断 屑范围及断屑机理各不相同“1 。目前国内外对二维槽型和准三维槽型的断屑范 围及断屑机理有了一定的研究，但对三维槽型的断屑范围及断屑机理的研究还 不够明确。因此，三维槽型断屑机理的研究对三维槽型的研发与应用具有重要 的理论和现实意义。 自动化生产中切屑的处理包括切屑的形成、卷曲、折断以及切屑的清理、 收集、运输等广泛的内容，但前者是解决问题的前提和关键，因而也成为切屑 处理问题研究的主要内容和重点。其中切屑折断是最重要的问题之一，而刀片 槽型断屑机理的研究对于研究切屑的折断具有重要的意义”1 。 切屑形成与折断预报是机械加工，特别是自动化加工中的一个重要课题。 如果切屑不断，长而不断的切屑将缠绕于刀具或工件上，不仅妨碍了自动化加 工的正常进行，降低工件表面质量，使刀具过早失效，而且威胁操作者的人身 安全；同时，如果不能进行切屑的有效控制，轻则限制机床效能的发挥，重则 使自动化生产无法正常进行，最终导致生产率的降低。1 。切屑控制技术的关键 在于判定切屑卷曲与折断条件，并获得可处理的“良好”屑形，这就涉及到了 断屑机理。因此，断屑机理的研究是自动化生产中，也是当前国内外亟待解决 的技术难题。1 。 网络化是先进制造技术发展的一个重要趋势，随着网络技术在机械制造领 域的普及与应用，实现断屑机理及预报研究成果网络化，进行在线的断屑预报 显得尤为重要。用户在异地借助于网络访问预报系统，按系统要求选择或输入 相应的参数，并选择相应的刀片后，将信息提交给系统，系统经过内部推理机 推理，将返回给用户能使加工产生“良好”屑性的最佳切屑参数，这样既提高 了生产效率，又方便了用户。故建立基于网络的断屑预报系统是势在必行的。 本课题的研究内容是国家自然科学基金资助项目“基于网络的断屑预报系 统及三维复杂槽型优化设计的研究”( 项目编号：5 0 2 7 5 0 4 2 ) 中的一部分。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 本课题从研究三维槽型车刀片断屑槽型结构及其等效断屑槽型参数入手， 进行三维槽型车刀片断屑机理的研究，以此为基础，对切屑的上向和横向卷曲 半径进行预报，建立基于网络的断屑预报系统，将研究成果应用于网络。 1 2 切屑处理与断屑槽的研究概述及现状 1 2 1 切屑处理的研究概述及现状 现代世界上机械制造行业的发展方向是自动化、无人化，即实现计算机控 制的数控机床( c n c ) 、柔性制造单元( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 和计算 机集成制造系统( c d 娼) 。它们融合机械制造技术、微电子技术与计算机技术 于一体，使传统古老的机械制造行业焕发了青春活力，保证了质量，降低了成 本，大大提高了生产率，获得了很高的经济效益“。 但是实现这些理想的机械制造过程的关键问题之一就是切屑处理问题，如 果切屑连续不断并缠绕于刀具、工件或刀架上，则不得不停车，那么任何一个 理想的自动化过程也不能实现。我国许多工厂企业曾在国外引进数量众多的数 控机床与自动化生产线，有的自动化生产线虽然生产率很高，但由于切屑处理 问题没解决好，造成停机率高达5 0 ，因而大大影响其效能的发挥”1 。到目前 为止，世界上几百条柔性制造系统大多数还是加工铸铁箱体零件的系统，这是 因为钢件尤其是难加工材料的切屑处理问题还没有得到很好解决的缘故。某一 个零件的加工在普通机床上的切屑处理可能不成为问题，但是在自动化生产中 却成为不能不解决的障碍。我国在“七五”、“八五”期间，组织了全国的大 学、研究所、大型工厂的科学技术力量，进行了大量的数控机床( n c ) 、柔性 制造单元( f m c ) 与柔性制造系统( f m s ) 研制的科技攻关，为了实现这些任 务，解决切屑处理问题是当务之急“1 。 为了解决上述问题，美国、日本、联邦德国等工业先进国家的大学、研究 所、工厂和公司都组织科学技术力量进行了大量的开发与研究工作。切屑折断 的方法很多，例如采用具有一定几何参数的刀具、断屑槽、断屑器，在工件上 预置沟槽、断续进给( 可采用机械式、点气式及液压式等各种附加装置) ，也可 采用振动切削、电腐蚀、特殊装置咀及高压喷射液体等方法进行断屑，但是直 到目前为止，除了个另q 情况外，在生产上广泛应用的仍然是断屑槽断屑，因为 它简单易行，使用可靠的优点是其它方法不可比拟的“。 5 0 年代发展起来的可转位刀具，可以说是刀具发展史上的一次革命，由于 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 它具有巨大的优越性，在工业发达国家得到极为广泛的应用，按产值计算，在 一些刀具上已达到硬质合金总使用量的8 0 9 0 。在此方面，我国虽与工业发 达国家差距较大，但是经过几十年来的推广也得到一定程度的应用。就可转位 刀具的刀片槽型来说，6 0 年代后期由于自动化生产的发展，刀具烧结技术与制 造技术的进步，逐步以三维刀片槽型作为使用的主流。今天世界上工业发达国 家的大公司，如美国的k e n n a m e m a l 公司、瑞典的s a n d v i k 公司、西德的w i d i a 公司、日本的三菱材料、住友电工4 少夕口1 、东芝步y 万口4 等株式会社都 开发了各自系列的三维刀片槽型，其种类、形状、规格之多，已使人感到眼花 缭乱。我国在引进技术的基础上，也在开发与生产三维刀片槽型“1 。 在学术研究方面，以美国的e k h e u r i h v e r 、i s j a w a h i r 、日本的奥 岛启式、中山一雄等为代表的一批学者，从5 0 年代开始便对切屑的形成、卷 曲、折断的规律以及采用断屑器、断屑槽进行断屑的机理等方面，做了大量的 研究工作。特别是日本学者、工学博士中山一雄教授，3 0 多年来一直从事切屑 控制方面的研究工作，他系统地研究了切屑的形成机理，切屑形状的几何学， 切屑的弯曲试验及硬度试验，切屑的折断条件，采用断屑槽与断屑器的断屑机 理以及切屑状态的监视等。他所提出的简明的切屑折断条件公式被各国学者广 泛采用。 我国的科技工作者，几十年来结合实际做了大量的试验研究工作。1 9 8 1 年 1 1 月在成都召开的“全国第一次断屑学术讨论会”展示了我国多年来断屑问题 的研究成果。 1 2 2 断屑槽的研究概述及现状 在金属切削过程中，如何使切屑以适当的长度有规律地折断，是保证切削 加工顺利进行的前提，而到目前为止，使用最广泛且最经济方便的方法是采用 断屑槽断屑”。 在断屑槽的研究方面，1 9 9 4 年，哈尔滨理工大学李振加，刘献礼等人，针 对切削条件的多样化和具体加工问题，为了实现断屑槽型的快速自动化设计， 进行了断屑槽型c a d 系统的研制。华中理工大学陈永洁等人在1 9 9 7 年根据 刀片断屑槽型c a d 的需要，利用a u t o c a d 软件在w i n d o w s 环境下对断屑槽型 的参数化设计做了初步尝试”1 。 中山一雄的早期工作中，研究了阻碍型断屑器对切屑卷曲的影响。认为： 切屑受挤压而卷曲是由于断屑槽旋加弯矩作用的结果。1 。在精加工中，为使薄 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 切屑得到充分的弯曲应力，中山一雄等人( 1 9 8 1 年) 提出：可由断屑槽的倾斜 面对切屑施加一个弯曲作用而折断，同时指出：通过改变断屑槽的形状，可以 得到不同的切屑折断范围“。 s p a a n s 等人( 1 9 7 0 年1 9 7 1 年) 研究了斜壁式断屑台的切屑折断过程、切 屑流出角的变化规律以及对切屑折断的影响，从而加快了切屑卷曲和折断研究 的步伐1 。w o r t h i n g t o n 等人通过大量的实验工作，研究了断屑槽对切屑的卷曲 与折断的影响，提出了估计断屑槽几何形状、切屑卷曲半径及厚度的实验公 式，并认为：在一定范围内，切屑卷曲半径是不变的“”“。然而，j a w a h i r 的研 究表明：在一定的断屑范围内，切屑卷曲半径是连续变化的，。b e r 等人 ( 1 9 7 9 年) 研究了断屑槽几何参数对切屑折断的影响。研究表明：切屑折断类 型是随进给量的改变而变化的“”。j a w a h i r 和q x l e y 的研究表明：切削厚度与刀 屑接触长度之比是影响切屑流动的主要因素之一，比值越大，则切屑向断屑槽 流动趋势也就越大“”“”。 美国伍仕德理工学院的融亦鸣教授对二维槽型及准三维槽型的断屑范围及 断屑机理进行了研究“。哈尔滨理工大学的刘献礼教授在1 9 9 5 年对5 种国产的 复杂三维槽型刀片的断屑性能进行了实验研究；大连理工大学的胡荣生教授 对可转位刀片复杂断屑槽的断屑机理进行了探讨“”；大连理工大学和四川自贡 硬质合金厂对硬质合金可转位刀片u g 型断屑槽的断屑机理进行了研究”“。 现代制造技术与刀具开发研究所所长李振加教授获得了国家自然科学基金 资助，进行了“三维槽型三维切削断屑原理及数学模型的研究”、“切屑形成与 折断过程的虚拟现实”两个项目的研究，并承担了国家“八五”科技攻关课题： “n c 刀片通用断屑槽型及c a d 的研究”。对切屑折断的机理及断屑槽的断屑 机理进行了系统而深入的研究。 综合国内外大量文献可知，目前在金属切削加工中切屑控制仍以断屑槽为 主。因此，可转位刀片断屑槽的研究与应用是断屑技术发展的主要趋势。3 。刀 片断屑槽槽型结构及其切屑形成与折断过程是影响切屑控制的主要因素。从刀 片断屑槽及断屑机理的研究入手，进行断屑预报是解决上述难题的根本所在。 1 3 切屑拆断预报概述及现状 切削加工中切屑的形成和折断是非常复杂的过程，有诸多不同的影响因 素。虽然在世界范围内已进行了大量的研究，但至今尚无令人满意的结果。 j a w a h i r 等人认为，切屑的可断性是受很多因素影响的复杂物理现象，当刀 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 片槽型相当复杂且在不同的切削条件下切削时，预测切屑折断就更加复杂。因 此有必要建立切削试验数据库系统，并采用以知识为基础的系统分析方法来预 报切屑的折断过程“”“。k i m 、o b i k a v a 等人分别使用有限元、有限差分等方法 进行建模，仿真切屑的形成与断屑过程“”“。方宁研究了刀片槽型对断屑性能 的影响，并应用多重线性衰退方法，建立了两种预测新型刀片断屑性能的数学 模型”“。 李振加教授等人曾对断屑槽槽型及其有效断屑范围进行了较系统的研究工 作，结果表明：采用断屑槽断屑时，切屑折断区域的下限可以用极限背吃刀量 和极限进给量来表示，并对此进行了理论分析与试验研究，从而建立了二维、 准三维槽型断屑的数学模型”。 美国伍仕德理工学院的融亦鸣教授及其学生建立了基于网络的二维槽型及 准三维槽型的断屑预报系统“。他们的研究为三维槽型断屑预报系统的建立提 供了经验。 目前，对切屑折断预报的研究方法大致有三类：一类是以切屑分类为基 础，通过大量的切削试验，建立切屑折断数据库，与具体的加工状况一一对 应，以达到切屑形状估计的目的。这种方法的缺点是切削试验工作量大、费时 费力，当新的工况出现时需要重新做试验。另一种方法是，运用有限元分析 ( f e m ) 技术对切削过程中的塑性变形，以及力、热过程进行建模分析来判断 何时切屑折断。因为切削过程的复杂性，这种方法目前还没有达到实用化程 度，尤其是对实际生产中的三维切削问题尚不能产生一般性的结果。第三种方 法是基于对切屑形成机理的分析，运用试验设计技术建立切屑形成和折断的数 学模型和计算机仿真，进行切屑形状和折断的判断，其结果具有一定的可外延 性。“。 尽管众多学者在切屑折断预报方面做了大量的工作，也取得了许多可喜的 成果，可是到目前为止，定量化研究工作尚少，还有待于进一步深入研究。 1 4 三维槽型刀片的开发与应用 金属切削加工是机械制造业中的重要加工方法，刀具是金属切削加工中的 主要工具，刀具的切削性能在很大程度上影响着机械产品的质量与可靠性。国 内外历来都十分重视切削刀具的研究与应用，在数控加工设备和生产线上的刀 具大量采用具有槽型的可转位刀片3 。随着刀具材料、结构和刀具制造技术的 不断发展，在刀具的几何学领域，刀片槽型的开发与应用取得了较大的发展。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 硬质合金生产工艺的进步，改善了硬质合金组织的整体质量和切削刃的韧 性a 硬质合金制粉和压型技术的进步，可在刀片上形成精密细微的几何形状， 这就使得开发和应用新的刀片刃形及三维复杂槽型成为可能“。随着硬质合金 刀片槽型设计思想的转变，越来越多的硬质合金公司把他们的部分研制计划转 向开发更有效地切削金属材料的三维复杂槽型刀片上来，这种发展趋势今后将 会进一步扩大”1 。 目前，我国可转位三维复杂槽型刀片的开发与工业发达国家相比仍存在较 大的差距，主要表现在：应用比例低，约占刀具总量的1 0 左右；刀片品种 少，缺少指导性选用原则；制造质量差，使用寿命为同类国外刀片的 4 0 6 0 ；自主开发能力差，国内尚无一套完整的设计系统“”。”“。目前，在刀 片槽型开发方面，一部分是自己开发设计新槽型，另一部分是消化、仿制、引 进刀片新槽型，使之国产化。 近年，我国每年的刀具费用就达3 5 亿元以上，中国已成为世界上第三大刀 具市场，对可转位刀片的需求量越来越大。“。发达国家可转位刀片发展很快， 而我国在品种、质量等方面与国外都存在较大差距，全国生产刀片的品种、规 格总和尚不及国外家大公司多。日本、德国、美国等国的产品正在大举抢占 中国市场，我国刀具行业面临巨大挑战“1 。 随着三维槽型刀片应用的日益广泛，连续切削中的切屑控制与断续切削中 的刀具破损问题，已成为刀片槽型开发及其在高效、柔性、自动化加工应用中 亟待解决的关键问题。因此，研究三维槽型断屑机理及刀具破损分析技术，开 发具有优良切削性能的刀片产品，对提高我国刀具开发和应用技术水平，推动 机械制造业的技术进步具有重要的现实意义。 1 5 本文主要研究内容 本课题从研究三维槽型车刀片断屑槽型结构及其等效断屑槽型参数入手， 对三维槽型车刀片的断屑机理进行研究，以此为基础，进行切屑上向和横向卷 曲半径的预报，建立基于网络的断屑预报系统。具体工作如下： 1 通过对三维槽型车刀片断屑槽型结构的分析与描述，根据切屑形成与流 动理论，进行三维槽型车刀片等效断屑槽型参数的研究； 2 在已有的研究成果及试验的基础上，根据切削理论和切屑动力学原理， 运用切屑形成与折断理论，研究三维槽型对切屑的约束作用，建立三维槽型对 切屑约束作用点及切屑卷曲方向角的预报模型，并对四种典型槽型对切屑约束 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的作用点及切屑卷曲方向角进行预报； 3 采用最大应变理论，建立基于三维槽型对切屑约束作用的切屑流动、卷 曲与折断预报模型，并对三维槽型切屑上向和横向卷曲半径进行预报，从而实现 切屑形成与折断的理论预报； 4 采用j a v a 编程语言的j s p 技术，研制基于网络的断屑预报系统，实现 理论研究成果向生产实践的转化。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章三维槽型结构及其等效断屑槽型参数的研究 2 1 三维槽型结构分析 随着刀片材料及其制造技术的发展，可转位刀片断屑槽型已由二维槽型发 展成为准三维槽型及三维槽型。具有三维槽型的新型硬质合金刀片不断涌现， 三维槽型刀片的应用日益广泛。 任何三维槽型都是由若干组相同或不同类型的几何信息组合而成的，槽型 的几何信息对刀片的切削和断屑性能有重大影响。三维槽型的几何信息是指构 成槽型的各几何元素在欧式空间的大小和位置，它由具体的点、线、面、体组 成，如图2 1 所示： 圈2 - 1 三维槽型刀片图 f i g 2 1t h ei n s e r tp i c t u r e so f t h r e e - d i m e n s i o n a lg r o o v e 图2 1 中所示的刀片槽型分别由直线、曲线、平面、曲面、规则或非规则 几何元素构成，这些几何元素的类型及其组合决定了槽型复杂程度及其对切屑 的作用效果。 槽型对切屑的主要作用面称为槽型表面，主要由直线或曲线型切削刃、平 面或曲面型前刀面与反屑面组合而成。 通过对刀片槽型表面几何元素对切屑形成与折断影响的研究，获得三维槽 型切屑形成与折断模型，不仅可实现三维槽型切屑形成与折断的精确预报，而 且可为槽型设计与优选的定量化研究提供依据，促进槽型开发由经验判断向定 量化研究方向的转变。 绝大多数槽型表面主要由直线、规则曲线、平面、凹、凸圆弧曲面等几何 元素构成，这些几何元素分别构成了下列典型槽型： 1 平行槽：具有直线圆弧形剖面： 2 封闭槽：具有双直线形剖面； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 斜槽：各个剖面上的槽宽或槽深不等； 4 凹曲面槽型：刀片前刀面上有凹下去的圆形或不规则形状曲面； 5 凸曲面槽型：刀片前刀面上有小凸台或侧面有较大的凸曲面； 6 凹、凸曲面槽型：刀片前刀面上有小凸台与凹曲面。 本文主要以上述几何元素和典型槽型为研究对象，探讨三维槽型对切屑形 成与折断的影响规律。 2 2 三维槽型等效断屑槽型参数的研究 c o l w e l l 用切削刃弦的概念来确定主副切削刃同时参加切削时的切屑流出方 向1 。切削刃弦是连接实际参加切削的主副切自0 刃两端点的直线。c o l w e l l 认为 切屑应垂直于切削刃弦流出。即切削刃弦的垂直方向即为切屑流出方向，而此 方向与垂直于主切削刃方向的夹角即为切屑流出角y ，。这里等效断屑槽型参数 是指在切屑流出方向上定义的对切屑折断起作用的刀片槽型的各参数及切屑参 数。由于绝大多数三维槽型主要由2 1 节给出的六种典型槽型以不同的方式组 合而成，故本章主要以上述六种典型槽型为研究对象，研究三维槽型等效断屑 槽型参数。 2 2 1 平行槽等效断屑槽型参数的研究 平行槽及其等效断屑槽型参数如图2 - 2 所示。 ( 1 ) 等效切屑宽度6 d 。为： ( 2 ) 等效切屑厚度幻。为： ( 3 ) 等效槽型宽度。为： ( 4 ) 等效前角为： 。：f s i n x r c o s y = o + 矽m ) 2 一锄器 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 等效后角。为： ( 6 ) 等效倒棱前角。为 ( 7 ) 等效倒棱宽度6 。为 ( 8 ) 等效后背升高量h 。为 口。，：盯c t a n 竺堕 c o s 妒2 a ) h 。= h 方向 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) f b 、 c ) 图2 - 2 平行槽等效断屑槽型参数 f i g 2 2t h ee q u i v a l e n tc h i p - b r e a k i n gg r o o v ep a r a m e t e ro fp a r a l l e lg r o o v e - 1 0 丝 砉吡 k 嚆去 n = 乏己 胛l l 方y f， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( 9 ) 等效川屑接触长度k 为： = 去 c z 扪 上述各式中刀屑接触长度k 可按经验公式计算：k ：p 式中卢l 一试验系数，一般取0 2 n “； a 。背吃刀量； 广一进给量； 妒一刀具主偏角； 协切屑流出角； 形广一法向剖面内测量的槽宽； 6 ，广一法向剖面内测量的倒棱宽度； h 法向前角； 法向后角； 如1 法向倒棱前角； 卜后背升高量； 卜刀屑接触长度； 阡k f 一沿切屑流出方向的最大等效槽宽： 阡，m 。沿切屑流出方向的最小等效槽宽 ( 彬。和阡么，。具体计算见2 3 节) 2 2 2 封闭槽等效断屑槽型参数的研究 封闭槽是由刀尖附近的一小段类似于斜槽的槽型和双直线槽型组合而成 的。这里，只讨论双直线槽型的等效断屑槽型参数，对于刀尖附近的一小段类 似于斜槽的槽型的等效断屑槽型参数见2 2 3 。双直线槽型及其等效断屑槽型参 数如图2 3 所示。 ( 1 ) 前刀面测量参数的等效参数厶。为： ， f 。= l 一 ( 2 1 0 ) c o s 缈2 ( 2 ) 等效反屑壁长度如。为： ， f m = 竺一 ( 2 1 1 ) c o s 2 ( 3 ) 等效反屑壁与切削基面的夹角y 蛔为： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ：a r c t a n ! ! 坠堕 ( 2 1 2 ) c o t y 6 式中厶前刀面测量的参数： ，6 反屑壁沿法剖面方向上的长度； 反屑壁与切削基面在法剖面内的夹角 双直线槽型等效切屑宽度6 d 艇、等效切屑厚度厅d 。、等效槽型宽度阡k 、 等效前角、等效后角a 。、等效倒棱前角y o 。等效倒棱宽度6 。、等效后背 升高量h 。、等效刀屑接触长度k 的计算公式同式( 2 1 ) ( 2 9 ) 。 a ) c )d ) 图2 - 3 双直线槽型等效断屑槽型参数 f i g 2 3t h ee q u i v a l e n tc h i p - b r e a k i n gg r o o v ep a r a m e t e ro f d o u b l el i n eg r o o v e 2 2 3 斜槽等效断屑槽型参数的研究 斜槽沿垂直于切削刃方向作剖面，其剖面形状或是平行槽，或是双直线槽 型，故其等效断屑槽型参数的计算同平行槽或双直线型槽，其计算公式见式 ( 2 - 1 ) ( 2 9 ) 或式( 2 - 1 0 ) ( 2 1 2 ) 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 4 凹曲面槽型等效断屑槽型参数的研究 凹曲面槽型有多种形状，这里选一种最常用的形状进行其等效断屑槽型参 数研究，如图2 - 4 所示： 图2 - 4 凹曲面槽型等效断屑槽型参数 f i g 2 - 4t h ee q u i v a l e n tc h i p b r e a k i n gg r o o v ep a r a m e t e ro f c o n c a v eg u i v es u r f a c eg r o o v e ( 1 ) 等效槽宽为： 呢。= 二里一 ( 2 1 3 ) c o s ( 2 ) 等效入槽角为： 驴a r e t a n 鬻 ( 2 - 1 4 ) 式中靠入槽角 凹曲面槽型等效刀屑接触长度k 的计算公式同式( 2 9 ) 。 2 2 5 凹凸曲面组合檀型等效断屑槽型参数的研究 凹凸曲面组合槽型有多种不同的形式，这里选择其中一种有代表性的组合 形式进行其等效断屑槽型参数的研究。此种组合形式的等效断屑槽型参数如图 2 5 所示。 凹凸曲面槽型等效槽宽阡k 计算公式同式( 2 一1 3 ) ，等效刀屑接触长度k 计算公式同式( 2 9 ) ，等效前角。计算公式同式( 2 4 ) 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 峨 图2 - 5 凹凸曲面组合槽型的等效断屑槽型参数 f i g 2 - 5t h ee q u i v a l e n tc h i p - b r e a k i n gg r o o v ep a r a m e t e ro f t h e c o m b i n a t i o no f c o n c a v ea n d p r o t r u d i n gc u r v es u r f a c eg r o o v e 2 2 6 平行槽凸曲面组合槽型等效断屑槽型参数的研究 平行槽凸曲面组合槽型的等效断屑槽型参数如图2 - 6 所示： ， 图2 - 6 平行槽凸曲面组合槽型的等效断屑槽型参数 f i g 2 - 6t h ee q u i v a l e n tc h i p - b r e a k i n gg r o o v ep a r a m e t e ro f t h ec o m b i n a t i o no f p a r a l l e lg r o o v ea n d p r o t r u d i n gc u r v es u r f a c eg r o o v e 图中，a 点为切屑与凸曲面的接触点，接触点a 的位置可由等效后背升高 量和等效槽宽阡么两个参数确定。 等效后背升高量计算如下： 忙r 坠絮竽竖 沼 式中r 凸曲面半径： r ，一切屑上向卷曲半径 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 等效槽宽计算公式同式( 2 3 ) 。 2 3 三维槽型断屑效应的探讨 本节主要通过对斜槽、半球凸曲面、凹曲面以及凹凸曲面组合槽型等典型 槽型断屑效应的研究，来探讨三维槽型的断屑效应。 2 3 1 斜槽的断屑效应 斜槽可以分为内斜式( 斜角r 0 ) 和外斜式( 斜角r r t 时，根据图2 7 a ) 及2 2 3 ，经 数学推导，斜槽实际作用槽宽计算如式( 2 1 6 ) 和( 2 - 1 7 ) 所示： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 陟r m a x = 降，m 缸一 式中。= w , ( t a n v ：z + c o t x r ) + 毒s i n + 卜( + 争_ 彭i 。27 川 【c 。t k ，+ ，f ；) 一c 。t 】 + 孵 r w r n = 。 式中= 一f 辟c o s q i 陆n + c o t k ，+ 孵， s 1 n f c o s 一f ) ( 2 1 6 ) 争吗) 南江m砖ii “w 一 呒一( 。+ s i n t ：) c o s , t o , - a r c c o t h 去+ 荨卿 当a p _ r c 时，根据图2 - 7 b ) 及2 2 3 ，经数学推导，斜槽的实际作用槽宽计算 公式如式( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 所示： 。= 彬。一 式中。= ( t 觚c o t 盯小熹 + 一( + 吾s m ) 【c o t 仁，+ 砖) 一c 。t _ 】 + 孵- - tc o t h h 卜 c o s 睁c o s 睁卜n 弼 - 1 6 ! ! 里! ：( 2 1 8 ) c o s ( 5 u 一f ) ksoc lj 一 、-， r+ r ，f oc 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 嘛 孵c o s 呒一( 。+ 知 卜t ) c o s ( u 一f ) 一n 21 r , - a ( 2 1 9 ) 经试验观察，斜槽的实际作用槽宽阡可根据最大实际作用槽宽阡_ 。葡最 小实际作用槽宽阡的平均值来确定。计算公式如( 2 2 0 ) 所示： 既= ( + 。) 2 ( 2 2 0 ) 2 3 2 半球凸曲面槽型的断屑效应 半球凸曲面槽型有多种形状，这里以两种形状为例来探讨半球凸曲面槽型 的断屑效应。图2 8 表明了凸曲面槽型切屑流出角与凸曲面实际作用槽宽的关 系，在图示坐标系下，设o o l = 口，凸曲面半径为，。 口， 沥终 x 碜7 弋岁 ，卜 f 。 苫 。 丐雨陡 。 、7 黔厂 弋亨 、 f b ) 图2 - 8 流屑角与凸曲面槽型实际作用槽宽关系 f i g 2 培t h er e l a t i o no fa c t u a lg r o o v ew i d t hb e t w e e nc h i pf l o wa n g l ea n dp r o t r u d i n gc u r v es u r f a c e g r o o v e 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 当a p 凡时，如图2 - 8 a ) 所示，实际作用槽宽。按式( 2 2 1 ) 计算： 耻c o s n 卜孵愕如嘲) _ ， z ， 式中 驴t