占刚等：新型硬质合金微坑车刀切削能对比研究与预测 ·1209· 因而，剪切面上的剪应力T,和正应力σ，分别为： 屑的比率，R,是前刀面因摩擦产生热量q,流入切屑的 7=（Eos中-￡sin)sinb 比率 (12) da 切除单位体积金属材料各部分切削能可表示为： g.=Esim中+Fcos中)sin6 (13) F.v N.=pd.a-d.a (14) 车削过程中，不断通过能量输入，使切屑发生变形 和断裂分离，其总能量N,主要包括剪切面上的剪切能 N.=- =T,"6, (15) v.da N,前刀面上的摩擦能N,切削中形成新表面的表面 N Fr've Fr 能V,以及材料通过剪切面时运动量发生变化能 v-d a=da (16) NM,如图2所示.表面能N和运动量发生变化能N 一般较小，忽略不计.R是剪切面产生热量q。流入切 2切削能的对比研究 对比实验刀具采用如图3所示自贡硬质合金提供 切屑 的304不锈钢车刀和经改进设计的新型微坑车刀.新 型微坑车刀微坑边缘距主切刃0.34mm,距副切刃 总输人能量 0.28mm,微坑长为1.17mm,宽为0.75mm,最大微坑 刀具 深度为0.1mm,新型微坑车刀几何角度和工作角度如 变化能 表1所示.实验机床为C6136HK数控车床，测力仪为 R9. (1-R灯n 工件 剪切能 Kistler-9257B,工件为直径60mm的304不锈钢棒料， 摩擦能 (1-R9 工件材料物理机械性能如表2所示.切削参数采用实 、一表面能 际生产推荐参数，切削速度v为l50 m'min-,进给量 图2切削能量消耗 为0.15mmr,切削深度h,为2mm.测力切削实验平 Fig.2 Consumption of cutting energy 台如图4所示. ￥0 (a b (c) d 图3原车刀和新型微坑车刀对比图.(a)原车刀：(b)新型微坑车刀：(c)微坑放大图：(d)微坑二维图（单位：mm) Fig.3 Comparison of new cemented carbide coating tool and ordinary tool:(a)ordinary tool;(b)new micro-pit turning tool;(c)micro-pit en- largement;(d)two-dimensional schematic of micro pits (unit:mm) 表1刀具的几何角度 Table 1 Geometric tool angles () 刀尖角，6， 前角，Y。 后角，0 刃倾角，入， 主偏角，k 余偏角，9 80 8 7 -5 95 -5 表2工件材料性能 Table 2 Material property parameters 密度/(gcm3) 抗拉强度/MPa 硬度，HRC 泊松比 弹性模量/GPa 7.93 520 29 0.24 206 实验过程中，每一切削实验各方向的切削力数据 的切削能，如表3所示 采集3次，求其算术平均值作为所切方向的切削力值： 由表3可知，原车刀F降低8.96%，F,降低 同时，每一实验均收集切屑，且切削足够长度，3次测 4.48%:在同样切削条件下，使用新型微坑车刀进行切 量切屑厚度，取其算术平均值为所测实验的切屑厚度， 削，单位体积输入能量降低8.96%，剪切能降低 由式(1)至式(16)可计算得到原车刀和新型微坑车刀 10.5%,摩擦能降低5.32%.进一步分析发现，由于新占 刚等: 新型硬质合金微坑车刀切削能对比研究与预测 因而,剪切面上的剪应力 子s 和正应力 滓s 分别为: 子s = (Fz·cos 准 - Fy·sin 准)·sin 准 dw·a , (12) 滓s = (Fz·sin 准 + Fy·cos 准)·sin 准 dw·a . (13) 车削过程中,不断通过能量输入,使切屑发生变形 和断裂分离,其总能量 Ns 主要包括剪切面上的剪切能 Nss,前刀面上的摩擦能 Nsf,切削中形成新表面的表面 能 NsA ,以及材料通过剪切面时运动量发生变化能 NsM ,如图 2 所示. 表面能 NsA和运动量发生变化能 NsM 一般较小,忽略不计. R1 是剪切面产生热量 qs 流入切 图 2 切削能量消耗 Fig. 2 Consumption of cutting energy 屑的比率,R2 是前刀面因摩擦产生热量 q浊流入切屑的 比率. 切除单位体积金属材料各部分切削能可表示为: Ns = Fz·v v·dw·a = Fz dw·a , (14) Nss = Fs·vs v·dw·a = 子s·啄, (15) Nsf = Ff·vc v·dw·a = Ff dw·ac . (16) 2 切削能的对比研究 对比实验刀具采用如图 3 所示自贡硬质合金提供 的 304 不锈钢车刀和经改进设计的新型微坑车刀. 新 型微坑车刀微坑边缘距主切刃 0郾 34 mm,距副切刃 0郾 28 mm,微坑长为 1郾 17 mm,宽为 0郾 75 mm,最大微坑 深度为 0郾 1 mm,新型微坑车刀几何角度和工作角度如 表 1 所示. 实验机床为 C6136HK 数控车床,测力仪为 Kistler鄄鄄9257B,工件为直径 60 mm 的 304 不锈钢棒料, 工件材料物理机械性能如表 2 所示. 切削参数采用实 际生产推荐参数,切削速度 v 为 150 m·min - 1 ,进给量 f 为 0郾 15 mm·r - 1 ,切削深度 hp为 2 mm. 测力切削实验平 台如图 4 所示. 图 3 原车刀和新型微坑车刀对比图. (a) 原车刀; (b) 新型微坑车刀; (c) 微坑放大图; (d) 微坑二维图(单位:mm) Fig. 3 Comparison of new cemented carbide coating tool and ordinary tool: ( a) ordinary tool; ( b) new micro鄄pit turning tool; ( c) micro鄄pit en鄄 largement; (d) two鄄dimensional schematic of micro pits (unit: mm) 表 1 刀具的几何角度 Table 1 Geometric tool angles (毅) 刀尖角,着r 前角,酌0 后角,琢0 刃倾角,姿s 主偏角,kr 余偏角,渍r 80 8 7 - 5 95 - 5 表 2 工件材料性能 Table 2 Material property parameters 密度/ (g·cm - 3 ) 抗拉强度/ MPa 硬度,HRC 泊松比 弹性模量/ GPa 7郾 93 520 29 0郾 24 206 实验过程中,每一切削实验各方向的切削力数据 采集 3 次,求其算术平均值作为所切方向的切削力值; 同时,每一实验均收集切屑,且切削足够长度,3 次测 量切屑厚度,取其算术平均值为所测实验的切屑厚度, 由式(1)至式(16)可计算得到原车刀和新型微坑车刀 的切削能,如表 3 所示. 由表 3 可 知, 原 车 刀 Fz 降 低 8郾 96% , Fy 降 低 4郾 48% ;在同样切削条件下,使用新型微坑车刀进行切 削,单 位 体 积 输 入 能 量 降 低 8郾 96% , 剪 切 能 降 低 10郾 5% ,摩擦能降低 5郾 32% . 进一步分析发现,由于新 ·1209·