切削速度對2種易切鋼材料剪切角的影響

王正智,楊海東,陳鴻運,葉　錚,丁　寧

(1.太平洋財產保險安徽分公司,安徽 六安　237000;2.合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥　230009)

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切削速度對2種易切鋼材料剪切角的影響

王正智1,楊海東2,陳鴻運2,葉錚2,丁寧2

(1.太平洋財產保險安徽分公司,安徽 六安237000;2.合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥230009)

摘要:剪切角是研究切削變形最重要的參數之一。文章結合剪切角基本模型的分析,通過切削力測量試驗和快速落刀試驗,在不同切削速度下得到了YT15硬質合金刀具切削硫易切鋼和鈣硫易切鋼的理論剪切角值和實際測量值；根據2種方法所得值的差異,對理論剪切角公式進行系數修正,得到適用于加工此類易切鋼的剪切角新公式。

關鍵詞:易切鋼；快速落刀裝置；剪切角；摩擦系數

0引言

金屬切削過程的本質是切削層在受到前刀面的擠壓后產生的以剪切滑移為主的塑性變形過程,剪切角是剪切滑移面與切削速度間的夾角。在研究切削機理的過程中,剪切角是反映切削加工過程的一個重要參數,直接影響著切屑變形的形態和切屑與前刀面的摩擦,同時影響著切削力的大小、工件加工表面質量,因此剪切角的計算及測量一直倍受國內外專家的關注。人們通常對切削模型作簡化處理,利用M.E. Merchant剪切角公式和Lee &Shafer剪切角公式對剪切角進行預測,但結果與實際剪切角存在一定的誤差。國內多數研究者通過有限元分析軟件對剪切角進行預測[1-3],國外研究者通過大量數據在不同切削條件下研究和分析了剪切角值的規律[4-5],文獻[6-7]還深入探討了斜角切削條件下的剪切角預測。

隨著機械工業的快速發展和加工自動化、流水作業線程度的逐步提高,實際生產中對材料的可切削性能以及材料加工精度的要求也不斷提高。使用易切鋼材料制造生產零件可以延長刀具壽命、減少切削抗力、提高加工表面光潔度、易于排除切屑,可以提高零件的機械加工生產率,還可以使能耗降低、成本降低[8-9],目前已經廣泛應用于汽車、航空航天、通用機械、家用電器等產業[10-11]。

本文研究對象為某大型鋼構公司生產的新型環保硫系易切鋼和鈣硫系易切鋼類軸件。通過對剪切角模型的分析,利用切削力測量試驗,在不同切削速度下分別獲得這2種新型環保易切鋼的摩擦角和理論剪切角,并對比分析2種材料剪切角的大小變化;利用快速落刀試驗等獲取切屑金相照片,對比分析理論值和試驗值的差異,并通過計算獲取不同切削速度下2種易切鋼材料剪切角的新公式。本文的研究結果可用于此類易切鋼切削過程中剪切角的計算預測。

1剪切角基本模型

在直角自由切削的情況下,作用在切屑上的力有前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff、剪切面上的法向力Fns和剪切力Fs,且兩對力的合力共線,將所有力畫在切削刃刀尖處,得到直角自由切削力與角度的關系[12]如圖1所示。

由圖1可得切削力方程為:

(1)

(2)

(3)

根據合力最小原理計算剪切角,得到麥錢特(M.E. Merchant)公式為:

(4)

根據主應力方向與最大切應力方向之間的夾角為45°得到李和謝弗(Lee &Shaffer)公式為:

(5)

其中,F為切削合力;Fp為徑向切削力;Fc為主切削力;φ為剪切角;γ0為刀具前角;β為摩擦角;μ為摩擦系數;τ為剪切應力;AD為切削層的截面積。

雖然(4)式和(5)式在定性角度上說明了剪切角φ、刀具前角γ0以及摩擦角β之間的關系,但在定量方面存在差異。本文以試驗為基準對此模型公式進行修正,得到2種易切鋼材料新的剪切角公式。

2試驗設計

2.1試驗材料

被加工試樣為2種新型易切鋼,為方便區分,將試樣中鈣硫系易切鋼稱為試樣A、硫系易切鋼稱為試樣B。2種試樣的初始直徑均為110 mm,長度均為280 mm。2種試樣材料化學成分及力學性能見表1和表2所列。

表1　2組易切鋼試樣化學成分質量分數　%

表2　2組易切鋼試樣力學性能

2.2切削力試驗

試驗選用型號為31303C的YT15機夾式可轉位硬質合金刀具在CA6140車床上進行切削試驗,選用Kistler9257B型三向測力儀對切削分力進行實時測量,測力儀由測力臺、電荷放大器、數據采集系統以及計算機DynoWare處理軟件構成完整切削力采集系統,測力儀工作示意圖如圖2所示。

圖2　切削力采集示意圖

本試驗采用干式切削,切削速度v分別選用150、200、300 m/min,背吃刀量為1 mm,進給量為0.1 mm/r,刀具前角為15°、后角為5°。同等切削條件下,為減小誤差進行多次試驗,最終取平均值作為試驗切削力結果。

2.3快速落刀試驗

利用快速落刀裝置進行試驗獲取刀具切削時切屑根部試樣,進而得到2種易切鋼的實際剪切角數值。為方便獲得完整切屑根部,在切削試樣上加工多個1 mm寬的凸臺,如圖3所示。切削速度同樣選用150、200、300 m/min。快速落刀后,取下每種切削速度下的完整切屑根部,切屑根部經過鑲嵌、粗磨、細磨、拋光、金相腐蝕后對切屑根部金相進行觀察并拍照。對金相照片進行觀察分析,觀察切屑變形特點,并得出剪切角。

圖3　快速落刀試驗的試樣

3試驗結果分析

3.1摩擦角和摩擦系數

切削過程中,切屑在流出過程中會不斷摩擦前刀面,高溫高壓之下切屑底面與前刀面會發生黏結現象,由此切屑底層的各層金屬間產生內摩擦。內摩擦實際就是金屬內部的滑移剪切,它與材料的流動應力特性以及黏結面積大小有關,與外摩擦不同,且內摩擦力約占全部摩擦力的85%,即前刀面的刀-屑接觸長度是以內摩擦為主,不遵循外摩擦定律[13]。

由(2)式、(3)式及圖1可知,在切削過程中,徑向切削力、主切削力、前角、摩擦角之間存在定量的數學關系,在前角已知條件下可以得到摩擦角的值,通過摩擦角的計算得到摩擦系數,其中μ代表平均摩擦系數。通過切削力的試驗,分別得到刀具切削2類易切鋼材料的摩擦角以及摩擦系數,如圖4所示。

由圖4可知,2種易切鋼材料的摩擦角和摩擦系數都隨著切削速度的提高逐步降低,試樣A摩擦系數由0.8降到0.7,摩擦角由38.7°降到35.1°;試樣B的摩擦系數由0.55降到0.51,摩擦角由29°降到27.1°。這主要是因為隨著切削速度的提高切削溫度也隨之上升,高溫作用下易切鋼材料的塑性會增強,材料的臨界剪應力降低,切屑與刀具材料的內摩擦降低,所以摩擦角以及摩擦系數降低。比較試樣A和試樣B的摩擦角及摩擦系數可以發現,試樣A摩擦系數較大,推測原因如下:① A材料的屈服強度較高,故材料臨界應力較高,因此材料實際切削中內摩擦較為明顯;② 實際切削過程中易形成積屑瘤,黏結現象比試樣B嚴重,故材料的流動性較弱,前刀面內摩擦加劇,故試樣A比試樣B摩擦系數大。

圖4　切削速度對2種材料的摩擦角及摩擦系數的影響

3.2剪切角

2種材料快速落刀試驗結果如圖5所示(其中,切削速度v從左至右依次為150、200、300 m/min)。

圖5　不同切削速度下試樣A、B的剪切角

由(4)式和(5)式(麥錢特和李和謝弗剪切角公式)可知,剪切角、刀具前角、摩擦角存在定性、定量數值關系。因此,將麥錢特剪切角公式、李和謝弗剪切角公式以及實際快速落刀試驗得到的剪切角數值進行比較,結果見表3所列。

表3　不同切削速度下剪切角φ理論值及試驗值　(°)

由表3可以看出,同種材料的同一速度下,3種方法的剪切角值中,麥錢特公式計算的理論值最大,李和謝弗值最小,試驗所得值處于兩者之間,這與麥錢特公式計算結果偏大、李和謝弗計算結果偏小的長期經驗相吻合,即本試驗結果可用于實際應用中。3種方法得到的試樣A和B的剪切角值都與切削速度保持很好的一致性,即隨著切削速度的提高剪切角值都會隨之相應增加。這主要是因為隨著切削速度的提高,切削溫度相應升高,刀-屑接觸區域的內摩擦降低,最終改變了剪切角值。另外,隨著切削速度的提高,切屑流經刀具前刀面的速率相應提高,內摩擦相應降低,摩擦系數降低,剪切角增加。同等切削速度下,切削試樣B的剪切角值大于試樣A,且保持較好的一致性。

2種計算剪切角的理論公式均與實際試驗值存在一定的差異,因此不能直接用來計算2種易切鋼材料的剪切角,而需要對其進行修正。此處以麥錢特公式為例對其進行修正,從而得到2種易切鋼材料的剪切角新理論公式。因為本次試驗過程中切削速度v為變量,因此新的剪切角公式必然包含切削速度v。又因為試驗剪切角值隨切削速度大致呈線性關系,因此設定剪切角公式如下:

(6)

本試驗中保持刀具前角γ0不變,因此(6)式中存在2個變量,即切削速度v和摩擦角β,為得到此公式的具體數值,先將此式與麥錢特公式計算結果比較得到偏差值,再通過Origin8.0對偏差值進行線性擬合,結果如圖6所示。

通過擬合結果,最終得到2種易切鋼的剪切角的修正公式為:

(7)

(7)式作為本次試驗2種易切鋼材料剪切角理論公式更具代表性,誤差更小,同時適用于此類易切鋼材料切削條件變化及刀具角度變化時的剪切角計算。

圖6　切削角偏差值與線性相擬合線

4結論

(1)在剪切角模型的分析中,摩擦角作為一個重要參數可通過切削力測量得到,其與刀具材料及角度、切削參數以及試樣材料有關,切削不同材料摩擦角存在差異性。

(2)本文結合理論公式計算和快速落刀試驗發現,當切削速度在150～300 m/min時,隨著切削速度的增加,摩擦角逐漸減小,剪切角相應增加,且兩者幾乎保持線性增減關系。

(3)切削試驗中,刀具切削鈣硫系易切鋼(試樣A)時徑向切削力與主切削力比值較大,其摩擦角β明顯高于硫系易切鋼(試樣B),剪切角φ低于硫系易切鋼。

(4)本文基于傳統剪切角模型,通過試驗數據的分析及擬合線段,對麥錢特理論公式進行了參數修正,建立起與切削速度相關的理論公式,該公式更適用于YT15硬質合金刀具切削此類易切鋼材料的剪切角計算與預測。

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(責任編輯胡亞敏)

Effect of cutting speeds on shear angle of two kinds of free cutting steel

WANG Zheng-zhi1,YANG Hai-dong2,CHEN Hong-yun2,YE Zheng2,DING Ning2

(1.Anhui Branch of China Pacific Property Insurance Co.,Ltd.,Lu’an 237000,China;2.School of Machinery and Automobile Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Abstract:The shear angle is considered as one of the most important parameters in the research on cutting deformation. Based on the analysis of the basic model of shear angle,the theoretical shear angles and actual measured values were obtained by YT15 carbide tools cutting sulfur free cutting steel and calcium sulfur free cutting steel at various cutting speeds on the basis of the cutting force measurement test and the quick-stop cutting device experiment. Based on the difference between the theoretical and measured values,the theoretical equation of shear angle was corrected in regard to the coefficients,and the new equation was more suitable for processing these materials.

Key words:free cutting steel;Quick-Stop cutting device;shear angle;friction coefficient

收稿日期：2015-02-09；修回日期：2015-04-03

基金項目：合肥工業大學產學研校企合作資助項目(W2014JSKF0698)

作者簡介：王正智(1969-),男,安徽六安人,太平洋財產保險安徽分公司工程師; 楊海東(1970-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業大學教授,碩士生導師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.006

中圖分類號:TG50

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)06-0746-05