刀—屑界面摩擦系数对切屑几何形态的影响.pdf
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1、基金项目:国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”()收稿日期:年 月刀屑界面摩擦系数对切屑几何形态的影响李金乐,周磊,卞玲玲,罗胜,崔振美株洲钻石切削刀具股份有限公司摘要:攻丝时切屑缠绕是降低攻丝效率的主要原因,为了深入分析切屑缠绕的原因以及摩擦系数与切屑形态的关系,利用有限元仿真软件模拟攻丝过程得出切削力和扭矩,利用黏着滑动摩擦模型估算了刀屑界面滑动区的摩擦系数,通过对未涂层刀具、涂层、氧化处理以及 涂层四种高速钢丝锥进行切削实验,分析了摩擦系数对切屑卷曲直径的影响,探讨了切屑缠绕的机理。结果表明:摩擦系数越大,切屑的卷曲直径越小;切屑的卷曲直径大于刀具槽宽时,切屑会发生缠绕;涂层刀
2、具的摩擦系数高于其它表面处理刀具的摩擦系数,较高的摩擦系数减小了切屑的卷曲直径,降低了切屑缠绕的风险。关键词:切屑几何形态;摩擦系数;高速钢丝锥;切削力;扭矩中图分类号:;文献标志码:,:,:;?引言攻丝过程是加工螺纹孔时最重要的切削过程之一 。行业工艺人员长期以来希望提高刀具寿命和加工效率,而切削丝锥的切屑缠绕是阻碍制造效率提升和刀具使用寿命的一个重要问题,因为丝锥发生缠屑后,必须手动去除切屑,有时会损坏产品和刀具 。为了解决丝锥的缠屑问题,很多学者对涂层及刀具进行了开发,并对其切削性能进行了评估。等 开发了一种高速钢螺旋攻丝刀具,该刀具采用 复合涂层,通过实验证明了在 的加工速度下可以有效
3、防止切屑缠绕。邬本祥等 通过实验证明 涂层高速钢丝锥加工 时具有较高的寿命。肖琦等 通过优化丝锥槽型结构得到了较好的切屑形态,提高了刀具的寿命。刀屑摩擦是一个复杂的过程,顾立志等 通过分析刀具和切屑之间的摩擦特点,提出了以紧密接触为特点的摩擦特性方程。吕明等 通过三维仿真研究了斜角切削时摩擦系数与切屑弯曲曲率的关系,认为摩擦系数越大,切屑弯曲的曲率越小。姜峰等 通过实验分析了刀屑接触区变摩擦系数与运动速度和接触应力的关系。毕煌圣等 基于 软件仿真数据,采用经验公式估算了摩擦系数,通过实验证明了估算的摩擦系数得到的残余应力仿真值与测量值较接近。尽管很多学者对丝锥的涂层和结构等进行了大量的研究,但
4、主要集中在切削力、扭矩和涂层等方面,关于切屑形态的研究以及对切屑的影响因素方面研究较少。切削丝锥缠屑是一个非常复杂的过程,切屑形态对刀具的寿命和加工效率有非常重要的影响,因此,有必要对切屑形态进行深入研究,为刀具的设计制造及企业的使用提供参考。本文采用工 具 技 术有限元仿真得出切削力和扭矩,利用黏着滑动摩擦模型估算出摩擦系数,通过切削实验得到四种刀具的切屑形态以及切削过程中切屑的缠绕情况,分析了摩擦系数与切屑卷曲直径的关系并得出防止切屑缠绕的方法。?摩擦系数估算切削过程中,刀具与切屑之间的摩擦随着润滑条件的不同有较大差别,难以通过实验对加工过程中的摩擦系数进行直接测量。王飞杰等 采用仿真的方
5、法确定了刀屑摩擦系数,等 利用滑动摩擦模型,通过测量切削力和扭矩对摩擦系数进行了预估,并用实验验证了模型的精确性。因此本文利用有限元仿真得到切削力和扭矩,并运用滑动摩擦模型估算出摩擦系数。?有限元仿真采用 软件进行三维有限元仿真,仿真过程见图 ,物理模型见图 。有限元仿真模型包括工件和刀具模型,工件材料选用 钢,其性能参数见表,表中 为温度。其化学成分见表。刀具材料选用 高速钢,其化学成分如表 所示,材料性能参数从软件自带材料库中导入。图 仿真过程图 物理模型表 钢性能参数密度()熔点()线膨胀系数()泊松比 杨氏模量()热导率()比热容()表 钢化学成分()表 钢化学成分()由于攻丝过程中的
6、切削力和扭矩主要由切削锥切削螺纹产生,采用整体建模计算量较大,因此,为了降低计算量提高仿真效率,刀具仅采用切削锥和切削锥后一个齿进行仿真模拟。采用自适应网格划分功能划分网格,仿真共进行 组,分别采用不涂层、涂层、氧化处理以及 涂层刀具进行模拟,涂层刀具涂层厚度 。?根据切削力和扭矩计算摩擦系数由有限元仿真结果得到的切削力和扭矩,并估算得出刀具前刀面与切屑之间的摩擦系数。图 是典型的切削扭矩曲线,点 ,分别是第一个齿开始切削的时间、第三个齿开始切削的时间、第一个齿完成切削的时间以及第三个齿完成切削的时间。采用 点的切削力和扭矩来估算三个齿的平均切削阻力,假设攻丝过程中得到的切削扭矩和切削力仅由三
7、个齿的切削阻力引起。由于牙底接触面积非常小,其摩擦力的影响可忽略不计。图 扭矩曲线前刀面切削力分量,与扭矩、切削锥角 、螺旋角 、前角 的转换为 年第 卷 ()式中,是轴向力,等于扭矩 除以攻丝刀具的半径;是轴向力;是径向力。假设切屑流动的角度 等于摩擦力的方向,则计算式为()()()由于切屑沿着螺纹表面流动,因此获得了用于几何计算的切屑流动角度,其摩擦系数为 槡()?实验条件及方案在 加工中心进行攻丝实验。实验条件如表 所示,攻丝刀具为螺旋槽切削丝锥(,),每切削 个孔收集一次切屑,并测量切屑卷曲直径(见图 )。表 实验条件刀具规格 容屑槽宽 切削锥长 切削锥角 螺旋角 前角 刀具表面处理无
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