切屑控制理論

1、LOGO切屑控制理論切屑控制理論(The Theory of Chip Control)天津大學(xué)機械工程學(xué)院天津大學(xué)機械工程學(xué)院 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 林濱林濱LOGO綜述綜述 第一部分：第一部分：切屑控制理論（綜述）切屑控制理論（綜述）切屑控制理論的簡單介紹1切屑控制理論的所得成果2切屑控制理論的研究現(xiàn)狀3切屑控制理論的未來展望4切屑控制理論（綜述）切屑控制理論（綜述）切屑控制理論的簡單介紹切屑控制理論的簡單介紹1切屑控制理論的所得成果2切屑控制理論的研究現(xiàn)狀3切屑控制理論的未來展望4切屑控制理論的簡單介紹切屑控制理論的簡單介紹What?Why?How?切屑控制理論的簡單介紹切屑控制理論的簡

2、單介紹v什么是切屑控制？什么是切屑控制？ 切屑控制（chip control） 又稱切屑處理 在工廠一般稱之為“斷屑” 指在切削加工中采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砜刂魄行嫉木砬⒘鞒龊驼蹟?，使之成為“可接受”的良好屑形。某塑性金屬的切削根金相照片某塑性金屬的切削根金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線剪切角切屑的四種類型切屑的四種類型帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑切屑的形態(tài)及形成條件切屑的形態(tài)及形成條件名稱名稱帶狀切屑帶狀切屑擠裂切屑擠裂切屑單元切屑單元切屑崩碎切屑崩碎切屑簡圖簡圖形態(tài)形態(tài)帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒變形變形剪切滑移尚未達到斷裂程度局部

3、剪切應(yīng)力達到斷裂程度剪切應(yīng)力完全達到斷裂程度未經(jīng)塑性變形即被擠裂形成形成條件條件加工塑性材料切削速度較高進給量較小刀具前角較大加工塑性材料切削速度較低進給量較大刀具前角較小材料硬度較高韌性較低切削速度較低加工硬脆材料刀具前角較小各種常見的切屑形狀各種常見的切屑形狀C C形屑形屑寶塔狀卷屑寶塔狀卷屑發(fā)條狀卷屑發(fā)條狀卷屑帶狀屑帶狀屑崩碎屑崩碎屑長緊卷屑長緊卷屑螺螺卷卷屑屑切屑控制理論的簡單介紹切屑控制理論的簡單介紹v為什么要切屑控制？為什么要切屑控制？ 連續(xù)帶狀切屑在加工過程中越來越長， 不斷纏繞在工件或刀具之上， 迫使停機中斷操作，影響生產(chǎn)效率。 有可能損壞工件和刀具。 會對操作者造成危險。切屑

4、控制理論的簡單介紹切屑控制理論的簡單介紹v衡量切屑可控性的主要標(biāo)準(zhǔn)衡量切屑可控性的主要標(biāo)準(zhǔn)1不妨礙正常的加工（不纏繞工件、刀具，不飛濺）2不影響操作者的安全3易于存放、清理與運輸切屑控制理論的簡單介紹切屑控制理論的簡單介紹切屑控制理論的簡單介紹切屑控制理論的簡單介紹v如何切屑控制？如何切屑控制？ 方法一方法一方法二方法二方法三方法三采采用用斷斷屑屑槽槽改改變變刀刀具具角角度度調(diào)調(diào)整整切切削削用用量量切屑控制理論的簡單介紹切屑控制理論的簡單介紹v如何切屑控制？如何切屑控制？方法一方法一 通過設(shè)置斷屑槽對流動中的切屑施加一定的約束力，使切屑應(yīng)變增大，切屑卷曲半徑減小。 斷屑槽的尺寸參數(shù)應(yīng)與切削用量

5、的大小相適應(yīng)，否則會影響斷屑效果。常用的斷屑槽截面形狀有折線形、直線圓弧形和全圓弧形。采采用用斷斷屑屑槽槽切屑控制理論的簡單介紹切屑控制理論的簡單介紹v如何切屑控制？如何切屑控制？方法二方法二改改變變刀刀具具角角度度 增大刀具主偏角Kr，切削厚度變大, 有利于斷屑； 減小刀具前角可使切屑變形加大， 切屑易于折斷; 刃傾角s可以控制切屑的流向， s為正值時， 切屑常卷曲后碰到后刀面折斷， 形成C形屑或自然流出形成螺卷屑； s為負值時， 切屑常卷曲后碰到已加工表面折斷， 成C形屑或6字形屑。切屑控制理論的簡單介紹切屑控制理論的簡單介紹v如何切屑控制？如何切屑控制？方法三方法三調(diào)調(diào)整整切切削削用用量

6、量 提高進給量f使切削厚度增大， 對斷屑有利， 但會增大加工表面粗糙度; 適當(dāng)?shù)亟档颓邢魉俣仁骨邢髯冃卧龃螅?也有利于斷屑， 但這會降低材料切除效率。需要根據(jù)實際條件適當(dāng)選擇切削用量需要根據(jù)實際條件適當(dāng)選擇切削用量切屑控制理論（綜述）切屑控制理論（綜述）切屑控制理論的簡單介紹1切屑控制理論的所得成果切屑控制理論的所得成果2切屑控制理論的研究現(xiàn)狀3切屑控制理論的未來展望4切屑控制理論的所得成果切屑控制理論的所得成果障礙型斷屑器障礙型斷屑器中山一雄中山一雄有限接觸刀具有限接觸刀具Klopstock & Oxley帶有切屑控制槽的帶有切屑控制槽的有限接觸刀具有限接觸刀具Jawahir & Worth

7、ington螺旋前刀面刀具螺旋前刀面刀具FirstSecondThirdFourth切屑控制理論的所得成果切屑控制理論的所得成果v障礙型斷屑器 50年代早期，在利用平前刀面刀具進行連續(xù)切削時人們注意到切屑的形成受前刀面月牙洼的磨損影響較大，月牙洼的深度、寬度及空間位置不同，切屑的形狀也不同。 由此人們受到啟發(fā)，便在刀具前刀面上預(yù)先磨出類似月牙洼狀的槽形，或者在前刀面上施加一額外斷屑裝置，后者即我們所稱的障礙型斷屑器。障礙型斷屑器示意圖障礙型斷屑器示意圖切屑控制理論的所得成果切屑控制理論的所得成果v障礙型斷屑器 “當(dāng)切屑表面上的應(yīng)變達到切屑材料的極限應(yīng)變時，一經(jīng)過彎曲切屑便能被折斷?！?中山一雄

8、（日）（1962）注：中山一雄，注：中山一雄，19231923年生，年生，19461946年東京大學(xué)畢業(yè)，年東京大學(xué)畢業(yè)，19511951年調(diào)入橫濱國立大學(xué)工學(xué)部年調(diào)入橫濱國立大學(xué)工學(xué)部 成立中山研究室，此后一直致力于成立中山研究室，此后一直致力于“切削、磨削切削、磨削”的研究。的研究。10cBR1R1ha切屑折斷標(biāo)準(zhǔn)極限彎曲應(yīng)變切屑厚度中性軸線到切屑表面最外點的距離卷屑的固有曲率半徑卷屑碰到刀桿或其他障礙物時的極限半徑可以推斷出提高刀片斷屑性能的措施，在理論與分析上極有價值。切屑控制理論的所得成果切屑控制理論的所得成果v有限接觸刀具 有限接觸刀具，即在刀具前刀面上有一有限長度的棱帶，其長度小

9、于給定加工條件下的刀-屑自然接觸長度。最大優(yōu)點：可以減少切削溫度和控制刀具的磨損方式。有限接觸刀具示意圖有限接觸刀具示意圖最早提出：Klopstock（1925）后期發(fā)展：直角切削中有限刀-屑接觸的分析P. L. B. Oxley（澳）（1962）切屑控制理論的所得成果切屑控制理論的所得成果v帶有切屑控制槽的有限接觸刀具提出者： I. s. Jawahir & Worthington斷屑槽：斷屑器的一種類型，50年的發(fā)展歷史，第四代產(chǎn)品。提出原因：現(xiàn)有的各種商用刀片并沒有足夠地利用有限刀-屑接觸可以增大流屑角、減小卷屑半徑以便于斷屑的效果。解決方案：采用后壁上升設(shè)計，施置障礙物凸起，曲線工削刃

10、以及曲面型后壁等。前刀面上的斷屑槽形狀切屑控制理論的所得成果切屑控制理論的所得成果v螺旋前刀面刀具 提出：華中科技大學(xué)機械工程系應(yīng)用范圍：車削用可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片特點：前刀面是前角自刀尖處按一定的下降梯度逐漸減小，使切屑最大限度產(chǎn)生側(cè)向卷曲。小切深：短螺管狀屑，增至一定長度發(fā)生振動而甩斷 ( 動力斷屑 )；大切深：受流屑角增大的影響，強烈側(cè)向卷曲的切屑碰到工件待加工表面折斷（C形屑）。這兩種切屑均十分便于清理。這兩種切屑均十分便于清理。精加工用螺旋前刀面精加工用螺旋前刀面刀片的斷屑范圍刀片的斷屑范圍切屑控制理論（綜述）切屑控制理論（綜述）切屑控制理論的簡單介紹1切屑控制理論的所得成果2切屑控制

11、理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀3切屑控制理論的未來展望4切屑控制理論（綜述）切屑控制理論（綜述）v切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑形式切屑形式的監(jiān)控的監(jiān)控關(guān)于切屑關(guān)于切屑的研究的研究卷曲卷曲切屑切屑流向流向折斷折斷切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v關(guān)于切屑流向的研究主要集中在對流屑角的求解上，對切屑流向機理的研究不多。第一種定義第一種定義 前刀面上切屑流出方向與切削刃法線方向所夾的角度流屑角流屑角第二種定義第二種定義 前刀面上切屑流出方向與刀-屑分離線的法線方向所夾的角度刀-屑分離線的精確測定比較困難，廣泛采用第一種定義。切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v關(guān)于切屑卷曲的

12、研究 切屑的上向卷曲 由于切屑厚度方向上的流速差所引起的切屑卷曲， 被稱為上向卷曲。 切屑的側(cè)向卷曲 由于切屑寬度方向上的流速差所引起的切屑卷曲， 被稱為側(cè)向卷曲。 切屑的三維卷曲 切屑產(chǎn)生二維卷曲(即上向卷曲和側(cè)向卷曲)的同時, 還常常會產(chǎn)生第三個方向的卷曲。即產(chǎn)生三維卷曲。 第三向卷曲的轉(zhuǎn)動速度向量，分別與上向卷曲和側(cè)向 卷曲的轉(zhuǎn)動角速度向量互相垂直。切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v關(guān)于切屑卷曲的研究 切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v關(guān)于切屑卷曲的研究 切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v關(guān)于切屑折斷的研究 切屑折斷的機理 按折斷方式 碰斷和甩斷 碰斷

13、：碰后刀面、碰工件加工表面、碰工件待加工表面的折斷。 甩斷：并不撞擊任何障礙物， 由于動力學(xué)的原因， 當(dāng)螺旋形的切屑達到一定的臨界長度時， 整個切屑突然開始旋轉(zhuǎn)， 振幅快速增加， 最后由于彎曲應(yīng)力使切屑折斷。切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v關(guān)于切屑折斷的研究 切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v切屑形式的監(jiān)控 金屬的切削加工是一個十分復(fù)雜的過程常常由于各種內(nèi)在以及外在因素的影響，如切削溫度的變化、作用在切屑上力的改變、刀具幾何參數(shù)的改變、工件材料特性的不均勻等造成一些不可預(yù)見的結(jié)果。 因此，在自動化加工過程中需要引入針對切屑形式的監(jiān)控系統(tǒng)。一方面監(jiān)控加工中產(chǎn)生的不期望的

14、切屑形式，另一方面通過適應(yīng)性控制系統(tǒng)改變切削條件，獲得滿意的切屑形式。 目前對切屑形式的監(jiān)控主要依靠聲發(fā)射技術(shù)以及計算機視覺加工視覺技術(shù) 。 20052005年，李振加教授課題組獲年，李振加教授課題組獲“國家科技進步二等獎國家科技進步二等獎”課題為課題為“切屑控制及刀具失效機理研究、系列產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化切屑控制及刀具失效機理研究、系列產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v切屑形式的監(jiān)控切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v切屑形式的監(jiān)控切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v專家系統(tǒng)與切屑形成動態(tài)仿真技術(shù) 專家系統(tǒng)的主要功能包括 (1)查詢模塊：可以對現(xiàn)

15、有可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片的幾何參數(shù)包括斷屑槽的幾何參數(shù)進行查詢、補充以及修改。 (2)選擇模塊：當(dāng)給出加工材料、斷屑范圍以及切削力的要求以后 向用戶推薦合適的刀片。 (3)判斷模塊：判斷特定加工條件下所形成切屑的卷曲類型、流屑角 參數(shù)以及斷屑概率。 (4)設(shè)計模塊：與“判斷模塊”一起作為計算機輔助槽形設(shè)計的過渡模塊。 (5)用戶手冊模塊：幫助用戶進行該專家系統(tǒng)的操作。 動態(tài)仿真技術(shù)：當(dāng)人們利用CAD技術(shù)設(shè)計出一種新型刀片槽形后，計算機將自動模擬使用這種槽形時所獲得的加工屑形，動態(tài)仿真切屑的流動、卷曲及折斷情況，并分析斷情況，分析刀具可能的磨損和機床功率的消耗，以便對設(shè)計出的槽形進行隨時修改。切屑控

16、制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v專家系統(tǒng)與切屑形成動態(tài)仿真技術(shù)切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v激光輔助切屑控制技術(shù) 美國AmeriChip國際公司開發(fā)了一種新的激光輔助切屑控制技術(shù)，可以完全消除會給加工過程造成麻煩的長帶狀切屑，從而能夠縮短加工時間達70，降低加工成本達60。 AmeriChip的激光輔助切屑控制系統(tǒng)是一個獨立裝置，它利用一束激光在工件材料表面刻劃出一道窄槽，當(dāng)該處材料被加工時，就會以細小切屑的形態(tài)被切離而不會形成長帶狀切屑。這道激光刻劃的窄槽實際上消除了與切屑有關(guān)的所有麻煩。 在刻槽過程中，電容高度傳感器可以測出工件形狀或材料厚度的任何變化，使激光頭系統(tǒng)

17、始終保持聚焦高度，可對刻槽深度進行連續(xù)調(diào)整?？滩蹖挾韧ǔＴO(shè)定為0.25mm，它可使刀具產(chǎn)生在時間和距離上都極為短暫的斷續(xù)切削，但已足以確保產(chǎn)生的切屑均為細小切屑。在工件上刻槽使得以較高速度切削工件和無需使用冷卻液成為可能。切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v激光輔助切屑控制技術(shù) AmeriChip公司的激光輔助切屑控制系統(tǒng)并不對外出售，但公司可為用戶提供3種可選方式： 1，AmeriChip公司在用戶工廠里安裝并操作使用該系統(tǒng)； 2，AmeriChip公司在用戶工廠中安裝系統(tǒng)，但由用戶操作使用； 3，AmeriChip公司在自己的工廠里使用該系統(tǒng)為用戶加工零件。 用戶既可按每件零件支

18、付基本加工費(取決于由誰操作系統(tǒng)和加工零件的批量)，也可根據(jù)系統(tǒng)在用戶工廠的使用情況和安裝設(shè)備的數(shù)量確定總的使用費。采用這種方式，用戶不必一次性投入大量資金購買設(shè)備，即可充分享受該系統(tǒng)帶來的所有好處。切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v激光輔助切屑控制技術(shù) 切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v利用高壓冷卻液優(yōu)化切屑控制 在金屬切削加工中，切削液具有雙重作用：潤滑和沖刷切屑。無論加工要求使用油基切削液還是水基切削液，其在加工中的功能都是在切削刃與工件之間形成一個液壓層(它有助于將切削熱從刀尖傳導(dǎo)到切屑中)，然后促使已被加熱的切屑從切削區(qū)加速排出。 在以高速鋼刀具為主導(dǎo)的年代，

19、由于進給率和切削速度都比較低，因此只要澆注的冷卻液能使溫度降低到足以保持刀具切削刃完好就足夠了。但在如今，隨著機床技術(shù)的進步和硬質(zhì)合金刀具的使用，加工參數(shù)有了大幅度提高，如果仍按傳統(tǒng)方式對溫度高達1000C的切削區(qū)澆注切削液，切削液就會立即蒸發(fā)，從而形成一個高壓蒸汽區(qū)，它會有效阻止低壓冷卻液的流動，使其無法到達切削刃。為了解決這一問題，人們?yōu)楝F(xiàn)代機床開發(fā)了高壓冷卻液系統(tǒng)。切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v利用高壓冷卻液優(yōu)化切屑控制 在加工時，此刀柄利用小噴嘴噴出的高壓切削液，可以穿透由切削加工形成的熱影響區(qū)，達到更快速、更有效地冷卻切削刀片和優(yōu)化切屑控制的目的。 噴嘴可在切削刀片的

20、上表面與從工件上被切除的切屑下表面之間形成一個水楔，從而有助于減少刀片磨損，并可將切屑分?jǐn)酁楦〉乃樾迹岳趶那邢鲄^(qū)更快地排出。 雖然在粗加工中，切屑控制的重要性比在精加工時稍遜一籌，但通過刀柄精確使用切削液，可以降低切削溫度，從而能采用更高的切削速度，或進一步延長刀具壽命。 在精加工中，由于切深量和進給量較小，更容易出現(xiàn)切屑控制問題。 隨著越來越多的加工車間采用無人值守或少人值守的自動化加工方式，利用此刀柄消除“鳥巢”狀切屑的形成也是一項重要優(yōu)勢。切屑控制理論的研究現(xiàn)狀切屑控制理論的研究現(xiàn)狀v利用高壓冷卻液優(yōu)化切屑控制切屑控制理論（綜述）切屑控制理論（綜述）切屑控制理論的簡單介紹1切屑控制

21、理論的所得成果2切屑控制理論的研究現(xiàn)狀3切屑控制理論的未來展望切屑控制理論的未來展望4切屑控制理論的未來展望切屑控制理論的未來展望切屑控制理論研究的系統(tǒng)化、定量化深入研究復(fù)雜斷屑槽的斷屑機理 切屑控制理論研究與現(xiàn)代切削技術(shù)相適應(yīng) 發(fā)展實用的切屑監(jiān)測技術(shù)切屑控制理論的未來展望切屑控制理論的未來展望v切屑控制理論研究的系統(tǒng)化、定量化 切屑的卷曲、折斷和金屬切削過程中切屑的變形、切削力、切削熱和刀具磨損等物理現(xiàn)象是相互聯(lián)系的。 因此，切屑控制理論研究應(yīng)和切削理論研究有機結(jié)合起來，并采用統(tǒng)計原理、模糊數(shù)學(xué)等方法使之定量化，以便于利用。切屑控制理論的未來展望切屑控制理論的未來展望v深入研究復(fù)雜斷屑槽的斷

22、屑機理 用可轉(zhuǎn)位刀片斷屑槽斷屑是斷屑技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。 所以，復(fù)雜斷屑槽斷屑機理的研究，將有助于新型高效斷屑槽型的開發(fā)和合理使用。切屑控制理論的未來展望切屑控制理論的未來展望v切屑控制理論研究與現(xiàn)代切削技術(shù)相適應(yīng) 數(shù)控機床、加工中心的使用，使切削速度大大提高。 高強度、高韌性難加工材料的增加和陶瓷、立方氮化硼等新型刀具材料及超硬涂層的應(yīng)用，是現(xiàn)代切削加工的特點。 切屑控制理論的研究應(yīng)與之相適應(yīng)。切屑控制理論的未來展望切屑控制理論的未來展望v發(fā)展實用的切屑監(jiān)測技術(shù) 切屑監(jiān)測技術(shù)對于切屑控制理論的研究、機床的自適應(yīng)控制等有重要意義。 它也是CIMS技術(shù)中不可缺少的部分。 實用的切屑監(jiān)測技術(shù)將有助

23、于現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展。 切屑控制理論（綜述）切屑控制理論（綜述）v參考文獻 1 王頻,胡榮生.近年來國內(nèi)外切屑控制理論的研究與進展J.工具技術(shù),1993,27(10):15. 2 張世昌,李旦,高航.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)(第二版)M.北京:高等教育出版社,2007. 3 方寧,羅正川,師漢民,陳日曜.硬質(zhì)合金刀片的切屑控制研究與發(fā)展動向J.硬質(zhì) 合金,1993,10(2):119123. 4 區(qū)士志.切屑控制J.昆明工學(xué)院學(xué)報,1993,18(4):3944. 5 韋銀利.李振加,鄭敏利.切屑空間運動軌跡的數(shù)學(xué)模型及動態(tài)仿真J.哈爾濱理工大學(xué) 學(xué)報,2000,5(5):3942. 6 張惠萍,李振

24、加,劉二亮,魏國梁.高速切削切屑折斷界限變化規(guī)律J.機械工程 學(xué)報,2008,44(5):124130. 7 劉二亮.李振加,張超.復(fù)雜槽型數(shù)控車刀片斷屑預(yù)報系統(tǒng)的研究J.機械工 程師,2009,(1):2426. 8 李振加. 切屑折斷過程研究M.北京:機械工業(yè)出版社,1996. 9 鄭敏利.切屑形成與折斷過程及其預(yù)報系統(tǒng)M.哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,2001.10 方寧等.近年來關(guān)于硬質(zhì)合金刀片切屑控制研究的新成果J.硬質(zhì)合金,2009,12(3):163167.LOGO理論理論+ +實例實例 第二部分：第二部分：切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）切屑的生成學(xué)切屑的運動

25、學(xué)切屑的折斷學(xué)切屑折斷試驗理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)研究實例研究實例斷屑預(yù)報試驗切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）切屑的生成學(xué)切屑的生成學(xué)切屑的運動學(xué)切屑的運動學(xué)切屑的折斷切屑的折斷學(xué)學(xué)主要研究切屑在加工過程中如何形成、切屑的組織與力學(xué)性能如何變化等問題。目前的研究仍多集中于利用平前刀面切削時的切屑形成方面。在利用曲面形前刀面刀具進行切削時，切屑的形成機理有何改變，尚有待于深入研究。主要研究切屑運動(包括切屑流向和卷曲)的規(guī)律。切屑運動學(xué)的研究，近年來十分活躍，不僅是現(xiàn)實需要，也具有現(xiàn)實的可能性?，F(xiàn)代生產(chǎn)可以利用切屑運動學(xué)的研究成果，使加工產(chǎn)生合理的屑形。主要研究經(jīng)過變形、卷曲和空間運動

26、的切屑是如何折斷的。它包括切屑碰到障礙物而被折斷的機理和切屑被甩斷的機理。切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的生成學(xué)切屑的生成學(xué) 刀具切入工件時，被切金屬層經(jīng)剪切面發(fā)生彈塑性滑移變形成為切屑。前刀面的摩擦作用是切屑卷曲的主要原因，這是因為前刀面的擠壓作用使切屑厚度方向上存在不同的殘余應(yīng)變，使切屑晶粒翻轉(zhuǎn)，從而引起切屑的卷曲。同時刀具卷屑槽的存在在很大程度上影響切屑的卷曲。 中山一雄指出:正常狀態(tài)的切屑一般是螺旋形切屑,其形狀可由螺旋外徑2,螺距P，螺旋面與軸線的夾角確定。切屑流出后,受到工件、刀具、機床等的阻礙引起變形或折斷，從而形成各種類型的切屑。因此，其它形狀的切屑可

27、以看成是螺旋切屑的演變和組合。切屑的卷曲可分解為切屑的卷曲可分解為Y-ZY-Z平面上的上向卷曲和平面上的上向卷曲和X-YX-Y平面上的側(cè)向卷曲。平面上的側(cè)向卷曲。在一般情況下，它的合成是一條圓柱螺旋線，它的軸線平行于在一般情況下，它的合成是一條圓柱螺旋線，它的軸線平行于X-ZX-Z平面。平面。切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的生成學(xué)切屑的生成學(xué) 對螺旋形切屑產(chǎn)生影響的參數(shù)：對螺旋形切屑產(chǎn)生影響的參數(shù)：切屑上卷曲率1/ 橫卷曲率1/ 流屑角hxr影響這些參數(shù)的因素有很多：影響這些參數(shù)的因素有很多：被加工材料的性質(zhì)，切削用量，刀具幾何參數(shù)，冷卻液及加工方式等。切屑控制理論（

28、理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的生成學(xué)切屑的生成學(xué) 上向卷曲上向卷曲 引起原因：厚度方向上的流速差ch12aVV其中為上向卷曲的半徑，ach為切屑厚度側(cè)向卷曲側(cè)向卷曲 引起原因：寬度方向上的流速差遠沒有上向卷曲的研究深入！遠沒有上向卷曲的研究深入！切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的生成學(xué)切屑的生成學(xué) 上向卷曲上向卷曲 常見斷屑槽產(chǎn)生的切屑上向卷曲常見斷屑槽產(chǎn)生的切屑上向卷曲切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的生成學(xué)切屑的生成學(xué) u均為切屑上向卷曲半徑上向卷曲上向卷曲 2a2ctglWchusinsinctghBW其中其中l(wèi) l為刀為刀-

29、 -屑接觸長度屑接觸長度,為刀具前角為刀具前角, , 為槽后壁角，為槽后壁角，a achch為切屑厚度。為切屑厚度。其中其中B B為槽寬為槽寬,h,h為后壁升高量。為后壁升高量。2a2HH2lWch2u其中其中sincossincoshBHhBW切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的生成學(xué)切屑的生成學(xué) u均為切屑上向卷曲半徑上向卷曲上向卷曲 其中其中 R R 為槽底圓弧半徑為槽底圓弧半徑其中其中 e e 為刀具有效前角為刀具有效前角2aRchu2a2Bcheusin切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的生成學(xué)切屑的生成學(xué) 關(guān)于切屑側(cè)向卷曲的機理主要有：(

30、1)工件旋轉(zhuǎn)運動的影響工件旋轉(zhuǎn)運動的影響。車削時，由于工件的旋轉(zhuǎn)，從軸心到工件外圓的半徑線上，各點的切削速度均不相同。最外點速度最大，軸心處為零。如果不考慮剪切角沿切削刃的變化，在主偏角為90、刃傾角為0時，切屑的側(cè)向卷曲半徑與工件表面的曲率半徑相等。或者說，被切削層的初始曲率被完全地“復(fù)映”在切屑上。(2)斜角切削的影響斜角切削的影響。在一般情況下，隨著刃傾角正負的變化，側(cè)向卷曲的方向也發(fā)生變化，刃傾角增加，側(cè)向卷曲也加劇。斜角切削使切屑產(chǎn)生側(cè)向卷曲的機理，在于剪切面的扭轉(zhuǎn)變形。(3)前刀面摩擦特性的影響前刀面摩擦特性的影響。若前棱面寬度沿主切削刃長度方向逐漸變化，將強制性地改變刀一屑接觸長

31、度，使摩擦角發(fā)生變化，引起剪切角的變化。在棱面窄的地方，摩擦角小，剪切角大，切屑的流出速度快，故而引起切屑的側(cè)向卷曲。(4)副切削刃的作用副切削刃的作用。一般的切削以主切削刃作用為主，但副切削刃也或多或少地參與切削。從各個切削刃流出的切屑，相互作用產(chǎn)生力和力矩，但合成一體流出。這種互相干涉的結(jié)果引起了側(cè)向卷曲。側(cè)向卷曲側(cè)向卷曲切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的生成學(xué)切屑的生成學(xué) h - 相對于y軸的流屑角, 可稱為相對流屑角；ru - y-z平面上的向上卷曲半徑；rv - x-y平面上的向上卷曲半徑。沒有側(cè)卷的切屑三維卷曲三維卷曲切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實

32、例）實例）v切屑的生成學(xué)切屑的生成學(xué) h - 相對于y軸的流屑角, 可稱為相對流屑角；ru - y-z平面上的向上卷曲半徑；rv - x-y平面上的向上卷曲半徑。帶有正向側(cè)卷的切屑三維卷曲三維卷曲 切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的生成學(xué)切屑的生成學(xué) h - 相對于y軸的流屑角, 可稱為相對流屑角；ru - y-z平面上的向上卷曲半徑；rv - x-y平面上的向上卷曲半徑。帶有反向側(cè)卷的切屑三維卷曲三維卷曲切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的運動學(xué)切屑的運動學(xué) 建立切屑形成直角坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1（如圖）：X1軸為切屑與刀具的分離線，Y1軸平行

33、于前刀面且垂直于X1軸，Z1軸分別與X1軸和Y1軸垂直，原點為切屑靠近刀尖一側(cè)與前刀面的分離點。在該坐標(biāo)系中，用一向量表示切屑回轉(zhuǎn)角速度，向量的方向由右手規(guī)則確定。求求！切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的運動學(xué)切屑的運動學(xué) 在該坐標(biāo)系中，切屑有3個方向的卷曲，即上卷x(繞X1軸)、橫卷z(繞Z1軸)和扭卷y(繞Y1軸),切屑的上卷半徑為Rc，其回轉(zhuǎn)軸線平行于X1軸；切屑的橫卷半徑為Ro，其回轉(zhuǎn)軸線平行于Z1軸，且橫卷角速度為負時，Ro為正；切屑的扭卷半徑為Rn，其回轉(zhuǎn)軸線平行于Y1軸。切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的運動學(xué)切屑的運動學(xué) 切屑脫離

34、刀具前刀面時的流出方向用切屑的側(cè)出屑角s和背出屑角n表示，原點處切屑的流出速度為V0。由上圖中幾何關(guān)系可求得速度V0在各坐標(biāo)平面的分量如下：切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的運動學(xué)切屑的運動學(xué) 其對應(yīng)角速度分別為：切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的運動學(xué)切屑的運動學(xué) 所以： 又：切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的折斷學(xué)切屑的折斷學(xué) 通過大量的試驗研究，采用三維復(fù)雜槽型刀片切削時的切屑折斷曲線如圖2所示。圖中AB、BC、CD、DE、EF、FA六部分組成的封閉曲線。其中AB、BC、CD是切屑折斷界限的范圍下限，這個范圍之外切屑

35、未折斷；DE、EF、FA是切屑折斷界限的范圍上限，超出這個范圍，一是在加工時產(chǎn)生憋屑和振動；二是超出了刀片的承受能力，容易損壞機床和刀具。 以下針對具有典型非直槽、凸以下針對具有典型非直槽、凸曲面斷屑單元的三維槽型刀建立曲面斷屑單元的三維槽型刀建立了切屑折斷界限的數(shù)學(xué)模型。了切屑折斷界限的數(shù)學(xué)模型。切屑三維卷曲折斷切屑三維卷曲折斷切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的折斷學(xué)切屑的折斷學(xué) 切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的折斷學(xué)切屑的折斷學(xué) 切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的折斷

36、學(xué)切屑的折斷學(xué) 切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑的折斷學(xué)切屑的折斷學(xué) 通過上述的分析可知，在三維復(fù)雜槽型刀片切削過程中，由于刀片具有凸曲面、斜槽等斷屑幾何單元，使得槽型對刀片的約束作用加強，在上向卷曲部分，在小切深的情況下，凸曲面對切屑起到約束作用，切屑的卷曲半徑減??；隨著切深的增大，斜槽對切屑的約束作用逐漸明顯，由于斜槽的存在，實際作用槽寬遠小于理論斷屑槽寬，切屑的卷曲半徑減小。切屑卷曲半徑的減小導(dǎo)致切屑變形加劇，使得切屑易于折斷，從而在圖2中曲線AB部分斜率為0。由于凸曲面的存在，一方面在小切深小進給量的情況下切屑發(fā)生橫向卷曲；另一方面，此時復(fù)雜槽型車刀片在刀尖部分

37、存在最小槽寬，因此在小切深的情況下，切屑變形已經(jīng)很劇烈，導(dǎo)致切屑易于折斷，從而在圖2中曲線CD的斜率為無窮大。結(jié)論：切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑折斷試驗切屑折斷試驗 刀片：山特維克(Sandvik)的QM斷屑槽刀片，型號為TNMG160408-QM。 最大進給量為0.4mmr，最大切深為3.0mm。 在圖中給出了該刀片的詳細幾何參數(shù)以及關(guān)鍵部位的剖面圖。 這種斷屑槽沿刀尖的角平分線上槽形均為對稱分布，而且兩面都有斷屑槽，這是目前新型復(fù)雜斷屑槽的一個共同特點。切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑折斷試驗切屑折斷試驗 圓棒料外圓縱向干切削數(shù)控車床CA

38、K6150-Di工件材料為45鋼切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑折斷試驗切屑折斷試驗 當(dāng)0.1mm ap 0.5mm時，刀尖部分的凸曲面不起作用，切屑自然卷曲形成亂屑或者長而不斷的切屑；當(dāng)ap = 0.5mm時，凸曲面與刀尖圓弧所形成的斷屑槽起到斷屑的作用，此時切屑發(fā)生橫向卷曲,使得切屑在小切深的情況下就容易折斷，因此此部分存在了最小極限切深acr ；切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v切屑折斷試驗切屑折斷試驗 當(dāng)0.5mm ap 1.5mm時，凸曲面與刀尖圓弧相對的部分起主要斷屑作用，隨著切深的逐漸增加，切屑折斷曲線呈下降趨勢；當(dāng)ap = 1.5mm時

39、，此時凸曲面與主切削刃相對的部分起主要的斷屑作用，此時等效槽寬最小,故存在最小極限進給量fcr ；當(dāng)1.5mm 3.0mm時,切屑是由于憋屑導(dǎo)致折斷，也就是說超出了該刀片的有效斷屑范圍，故不加以討論。從圖可以看出，試驗獲得斷屑范圍曲線與理論的斷從圖可以看出，試驗獲得斷屑范圍曲線與理論的斷屑范圍曲線基本符合。屑范圍曲線基本符合。切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v斷屑預(yù)報試驗斷屑預(yù)報試驗 斷屑預(yù)報系統(tǒng)斷屑預(yù)報系統(tǒng) 1.1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 當(dāng)用戶輸入數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)首先檢測用戶輸入數(shù)據(jù)是否合理，此時，系統(tǒng)會根據(jù)用戶選擇和輸入的參數(shù)，隨時更新輸入和輸出界面。當(dāng)進行系統(tǒng)更新時，用戶也需要

40、在此部分輸入以更新參數(shù)列表和刀片信息。 當(dāng)用戶輸入正確的參數(shù)之后，系統(tǒng)首先根據(jù)用戶輸入的參數(shù)，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)的工件材料和刀片槽型；根據(jù)刀片槽型選取相應(yīng)的切屑折斷界限模型；依據(jù)該切屑折斷界限模型和用戶輸入的參數(shù)計算切屑范圍及切屑形狀，并從數(shù)據(jù)庫中提取切削折斷圖表；最后在輸出部分，把預(yù)報結(jié)果輸出給用戶。切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v斷屑預(yù)報試驗斷屑預(yù)報試驗 斷屑預(yù)報系統(tǒng)斷屑預(yù)報系統(tǒng) 2.2.切屑形狀的分類切屑形狀的分類根據(jù)不同的切削形狀和長度，本預(yù)報系統(tǒng)把切屑分為六類，包括： 兩種非斷屑，代號為5和6； 四種斷屑，代號為1，2，3和4。切屑控制理論（理論切屑控制理論（

41、理論+實例）實例）v斷屑預(yù)報試驗斷屑預(yù)報試驗 斷屑預(yù)報系統(tǒng)斷屑預(yù)報系統(tǒng) 3.3.切屑折斷圖與切屑折斷矩陣切屑折斷圖與切屑折斷矩陣 對于數(shù)據(jù)庫中已有的復(fù)雜斷屑槽刀片，要預(yù)報加工過程中所產(chǎn)生的切屑形狀，需要定義一組標(biāo)準(zhǔn)切削條件，在該組條件下，使用該刀片進行一組切削試驗，以獲得全局的切屑折斷圖表樣本。通過切削試驗可獲得不同刀片加工不同材料的切屑折斷圖表，在數(shù)據(jù)庫中如果存放每種刀片加工每種材料的整個切屑折斷圖表，會增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲和加載時間，故該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用切屑折斷圖表矩陣來存放切屑折斷圖表，矩陣使用表中的切屑分類代號作為其中的元素。切屑控制理論（理論切屑控制理論（理論+實例）實例）v斷屑預(yù)報試驗斷屑預(yù)報試驗 斷屑預(yù)報系統(tǒng)斷屑預(yù)報系統(tǒng) 4.4.切屑折斷曲線切屑折斷曲線 對于數(shù)據(jù)庫中沒有的復(fù)雜