刀尖圓弧半徑對主偏角影響的分析與實驗研究

王進峰，商 正，呂鵬瑞，范孝良

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刀尖圓弧半徑對主偏角影響的分析與實驗研究

王進峰，商 正，呂鵬瑞，范孝良

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

刀尖圓弧半徑對加工精度、切削力等切削參數有重要影響，而主偏角直接影響切削變形和切削力的變化。為了研究車刀刀尖圓弧半徑對主偏角的影響，建立了刀具要素間的幾何關系。根據切削深度和刀尖圓弧半徑大小，將切削條件劃分為4種：①刀尖圓弧半徑小于切削深度，且主偏角為90°；②刀尖圓弧半徑小于切削深度，且主偏角小于90°；③刀尖圓弧半徑小于切削深度，且主偏角大于90°；④刀尖圓弧半徑大于切削深度。根據刀尖圓弧半徑和切削深度之間的幾何關系，分別計算了4種切削條件下刀尖圓弧半徑導致的實際主偏角的變化。為了驗證分析結果，進行了切削實驗，通過分析背向力和進給力的夾角計算實驗主偏角。實驗結果證明，刀尖圓弧半徑導致主偏角變小。

刀尖圓弧半徑；主偏角；切削深度；幾何關系；切削力

車刀的幾何形狀特征對切削過程中的切削變形、切屑形成、切削力和切削溫度等有重要影響。對于標準車刀而言，其常見幾何參數包括前角、后角、主偏角、刃傾角、刀尖圓弧半徑等。這些幾何參數對切削過程的影響往往是相互耦合、綜合作用的。刀尖圓弧半徑在切削過程中不僅能夠保護切削刃，而且影響切削變形和零件最終的表面粗糙度。隨著切削過程的進行，其半徑會逐漸變大，對切削過程的影響也逐漸增大。文獻[1]論述了刀尖圓弧半徑對車削質量的影響；杜家熙等[2]分析了刀尖圓弧半徑在球面零件加工過程中，其大小對加工精度的影響。高曉東[3]針對數控加工的特點，分析了在加工圓錐面、圓弧面和非圓曲線表面時，數控車刀刀尖圓弧半徑對加工精度的影響，并論述了消除加工誤差的手段；楚文斌等[4]分析了切削過程中，刀尖圓弧半徑等參數對表面粗糙度的影響；黃濤顯[5]研究了刀尖圓弧半徑對切削過程顫振的影響。周敏[6]分析了刀尖圓弧半徑對車削過程切削力的影響；牛印[7]則分析了激光輔助微銑削TC4鈦合金過程中銑削力和刀具磨損與刀尖圓弧半徑之間的關系；劉漢中[8]針對精密車削SiCp/2024Al復合材料的工藝特點，分析了刀尖圓弧半徑對刀具磨損的影響。而刀尖圓弧半徑對殘余應力、表面質量、切削力和刀具磨損等方面的影響往往可通過分析刀具實際主偏角獲得。SHARMAN等[9]重點分析了精密車削鎳基合金Inconel718時，刀尖圓弧半徑對主偏角的影響，進而造成表面殘余應力的波動。探索了在進給量變化的情況下，不同的刀尖圓弧半徑對殘余應力分布、微結構缺陷和徑向力之間的關聯關系；KURAM[10]使用刀尖圓弧半徑分別為0.4 mm，0.8 mm，1.2 mm的刀具銑削304不銹鋼，研究了刀具磨損、切削力、表面粗糙度和切屑，在3種工況下的演變規律，尤其是由于主偏角的變化，導致軸向進給力和徑向背向力的變化；SHAHABI和RATNAM[11]研究了后刀面磨損及刀尖圓弧半徑的變化規律，進而研究了刀尖圓弧半徑的磨損對零件表面三維形貌的影響及造成的表面質量問題。柳青等[12]為了探究高體積分數的SiCp/Al復合材料的切削加工性，分別使用0.2 mm，0.3 mm，0.4 mm和0.5 mm刀具進行正交切削實驗，研究了切削速度、進給量、切削深度和刀尖圓弧半徑，對表面粗糙度的影響程度。實驗結果表明刀尖圓弧半徑對表面粗糙度的影響僅次于進給量，屬于顯著性因素。本文為了揭示刀尖圓弧半徑對切削過程的影響，從理論上分析刀尖圓弧半徑對主偏角造成的影響。

1 理論主偏角與實際主偏角

圖1 主偏角的變化

2 刀尖圓弧半徑r對主偏角的影響

第②種切削條件，當刀尖圓弧半徑r小于切削深度ap，主偏角小于90°時，其實際主偏角如圖3所示。

圖3 刀尖圓弧半徑r小于切削深度，且主偏角小于90°

圖5 刀尖圓弧半徑r大于切削深度

3 切削實驗

圖6 背向力和進給力

表1 切削實驗方案

表2 實際主偏角和實驗主偏角

(1) 實際主偏角在計算時，進行了簡化，即用直線段代替了直接段和圓弧段，存在計算誤差。

4 結束語

根據理論研究和實驗驗證，可得出如下結論：

[1] 王守志, 韓金玉. 車刀刀尖圓弧半徑對車削質量的影響分析[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2016(12): 125-128.

[2] 杜家熙, 張萬琴, 張凱. 刀尖圓弧半徑對球面零件加工精度的影響[J]. 工具技術, 2008(9): 57-59.

[3] 高曉東. 數控車削刀具刀尖圓弧半徑對加工精度影響的分析與解決途徑[J]. 機床與液壓, 2013, 35(1): 145-147.

[4] 楚文斌, 林大鈞, 陳浩, 等. 刀具參數對加工表面粗糙度影響的研究[J]. 圖學學報, 2014, 35(1): 52-56.

[5] 黃濤顯. 刀具幾何角度及刀尖圓弧半徑對切削顫振影響的研究[D]. 上海: 華東理工大學, 2017.

[6] 周敏. 刀具刀尖圓弧半徑對切削過程中切削力的影響[J]. 工具技術, 2016, 50(4): 55-57.

[7] 牛印. 激光輔助微銑削TC4鈦合金中刀具磨損及切削力研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2017.

[8] 劉漢中. SiCp/2024復合材料的精密車削工藝及刀具磨損研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2017.

[9] SHARMAN A R C, HUGHES J I, RIDGWAY K. The effect of tool nose radius on surface integrity and residual stresses when turning Inconel 718 [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 216: 123-132.

[10] KURAM E. Nose radius and cutting speed effects during milling of AISI 304 material [J]. Materials and Manufacturing Processes, 2017, 32(2): 185-192.

[11] SHAHABI H H, RATNAM M M. Assessment of flank wear and nose radius wear from workpiece roughness profile in turning operation using machine vision [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009, 43(1-2): 11-21.

[12] 柳青, 王進峰, 趙久蘭, 等. 車削SiCp/Al復合材料切削力預測模型研究[J]. 中國工程機械學報, 2018, 16(3): 211-215.

[13] YOUNG H T, MATHEW P, OXLEY P L B. Allowing for nose radius effects in predicting the chip flow direction and cutting forces in bar turning [J]. Journal of Mechanical Engineering Science, 1987, 201(3): 213-226.

[14] 葉貴根, 薛世峰, 仝興華, 等. 金屬正交切削模型研究進展[J]. 機械強度, 2012, 34(4): 531-544.

[15] ARSEEDARATNE J A, MATHEW P, OXLEY P L B. Prediction of chip flow direction and cutting forces in oblique machining with nose radius tools [J]. Journal of Engineering Manufacture, 1995, 209(4): 305-309.

Analysis and Experimental Research on Affection on Approach Angle of Tool Nose Radius

WANG Jin-feng, SHANG Zheng, LV Peng-rui, FAN Xiao-liang

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding Hebei 071003, China)

Tool nose radius has an important affection on machining precision and cutting force. To research the affection on approach angle of tool nose radius, a geometry relation of tool elements is constructed. The four cutting conditions are catalogued according to the comparison between cutting depth and tool nose radius: ① tool nose radius < depth of cut, and approach angle is 90°; ② tool nose radius < depth of cut, and approach angle < 90°; ③ tool nose radius < depth of cut, and approach angle > 90°; ④ tool nose radius > depth of cut. The real approach angle is calculated caused by tool nose radius according to the geometry relation between tool nose radius and approach angle. The cutting force experiment has been conducted to verify the analysis result. Experimental approach angle is calculated by analyzing the angle between radial force and feed force. The experimental results show the tool nose radius lead to approach angle decrease.

tool nose radius; approach angle; depth of cut; geometry relation; cutting force

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019020256

A

2095-302X(2019)02-0256-05

2018-09-03；

2018-10-06

國家自然科學基金項目(51301068)；河北省自然科學基金項目(E2014502003)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(17MS148)；河北省高等學校科學技術研究項目(Z2015127)

王進峰(1977-)，男，山東榮成人，副教授，博士，碩士生導師。主要研究方向為數字化制造、智能制造。E-mail：wjf266@163.com