微切削过程最小切深的研究

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1、精密切削过程最小切削厚度模型的研究尚广庆I,孙春华，董晓岚摘要：为探讨精密切削的加工机理，本文对能稳定切削的最小切削厚度进行了研究。基于刃弧半径、摩擦系数建立了最小切削厚度模型；并利用有限元数值仿真，验证了该模型的正确性。结果表明：最小切削厚度与刃弧半径成正比，随摩擦系数减小而增大。该模型的建立对精密切削加工参数的选择具有实际指导意义。精密切削，加工模型，最小切削厚度，数值仿真0引言在精密切削加工过程屮，切深相对于刀具的刃弧半径较小，刀具的实际工作前角为负值，因此可能导致犁耕，产生不好的表面，也可能磨光表面。两种不同的结果，完全取决于切深的大小。因此，提岀了最小切削厚度的概念

2、。文献［1］小指出能稳定切削的最小有效切削厚度称为最小切削厚度。精密切削屮的切屑形态、切削力、切削稳定性、工件材料的微加工性、加工表而质量等都受最小切削厚度的影响。对最小切削厚度的研究对于精密切削意义重大。精密切削时可以达到的最小切削厚度与刀具刃口的圆弧半径、关键材料的物理力学性能、微观组织结构及第三变形区刀具一一工件间的摩擦系数等有关。很多学者对此进行了研究。Basuray等［2］定义刀刃为一圆柱表而，分析了从纯犁耕到切削的过渡点，预测了该点的角度约为37.6TOIkawa等［3］用实验证实了连续切屑可以在纳米级切深的情况下形成。Yuan等［4］基于刀尖、切削力和摩擦系数，

3、给出了最小切削厚度的分析表达式。工件本研究将探讨最小切削厚度和刀具与工件间的关系，建立最小切削厚度的模型，为获取高质量的加工零件提供理论指导。1精密切削加工模型在精密切削加工过程中，在最小切削厚度图1精密切削加工模型Fig・1Modelofmicrocutting上部的工件材料发生的是纯塑性变形，而在最小切削厚度下部的工件材料发生的是纯弹性变形，加工表而在刀具移动后切削厚度下部的工件材料发生的是纯弹性变形，加工表而在刀具移动后，恢复原样。也就是说，当切深小于最小切削图2弹性区域的力模型Fig.2Forcemodelinelastic=tan(0幼a0e=arctan“。当切削

4、深度大于最小切削厚度时，形成切屑。切削区内的受力情况如图3所示。作用于微分元素必上的力可以分为主切削力和切削抗力。主切削力应用Merchant理论公式可表示为㈢：亦_®腆<4-ourpx7“dtsm°cos(妙+p-y0)(3),_叭艸)"+px一sin0sin(妙+〃+&)(4)Fig.3Forcemodelincutting厚度时，工件仅发生弹性变形；而当切深大于最小切削厚度时，工件不仅发生了塑性变形，产生切屑，而且也发生了弹性变形。其加工模型如图1所示。2最小切削模型当切深小于最小切削厚度时，工件仅发生弹性。在弹性变形的微分区域内，齐力Z间的关系如图2sin〃+“Pec

5、os。cos0-//pesin。所示，其法向力和切向力可以表示为：式屮，p«为作用于弹性区域刀具圆弧刃上的法向应力，r为刀具圆弧刃半径，“为刀具与工件间的摩擦系数。因此，两切削力间的比值为：sin0+//pccos0_sin8閑cosdFc/0rd^cBcos0-//pcsinFcos一sin式中，0e为纯弹性区域的摩擦角，其与摩擦系数“之间存在如下的关系:式中，5为剪切应力，务,为切削宽度，佈为塑性区域的摩擦角，为刀具前角,0为剪切角，dt«ino同样，切削抗力可以表示为：dO(5)叭併邮p+sinQsin(妙+〃+0)祈一=tan(0p+0)urpz因此，两切削力Z间的比

6、值为:比较式（2）和式（6）可知，无论是在弹性状态下述是在塑性状态下，法向方向的曲似二亦口尬in6Ccl-rd&0C（7）分力与切向方向的分力，两力Z间的比值具有相同的表达式。现假设在临界状态下，临界角&C与剪切角0相等。分析临界状态下微分单元的受力情况，根据力平衡，可以推导出下列等式：由式（2）和式（7）可得临界角的大小为：因此，得到的最小切削厚度为：(8)(9)A兀卩vr=42切:in="lYOS了卫1图4最小切削厚度模型Fig.4Minimumcuttingthickness由上式可知，最小切削厚度的大小与刀尖圆弧半径广以及刀具-工件间的摩擦系数“冇关；与刃弧半径成正比

7、，且随着摩擦系数的增犬而减小。因此，在精密切削加工中，应选择小的刃弧半径刀具，同时降低刀具与工件间的摩擦系数。通常精密切削加工时，采用金刚石刀具,其与金属工件材料间的摩擦系数在0.05〜0.5范围内，刀尖角的圆弧半径厂为0.2〜1劲?。根据（9）式，得到的最小切削厚度如图4所不，其范围为0.05~0・2umo3数值仿真冇限元技术是模拟加工过程的最冇效方法，可以非常直观地观察切屑的形成过程、切削力、应变等加工过程中发生的物理现象。因此，采用商业化有限元软件Deform3D对不同条件下的加工过程进行了仿真，