·1208· 工程科学学报，第39卷，第8期 都是国内外切削加工领域学者研究的重点山，而切削 vatyali)研究表明切削力和切削速度是影响切削能的 能的产生、传递与转化对切削温度的研究尤为重要. 主要因素：印度该塔维史诺第维大学Bhushants]优化 美国圣路易斯大学Ma等]通过改变切削速度、刀具 了车削7075铝合金切削参数，使切削能消耗减少 前角、刀尖半径和刃口半径，来研究切削AS4140过 13.55%;以上成果从不同的角度开展了切削能的研 程中切削能消耗变化规律，得到较大的切削速度和前 究，但至今未见以304不锈钢为加工对象，从基础理论 角，较小刃口半径和刀尖半径有利于切削能的减少的 角度开展的切削能预测研究.本文主要针对自贡硬质 结论：南京航空航天大学Wu等[)试验研究了微切削合金厂304不锈钢专用硬质合金车刀前刀面微坑创新 过程中切削能同负前角之间的关系，结果表明：当有效设计，通过切削能对比研究，预测新型微坑车刀剪切能 负前角没有达到临界值时，切削能随着切削厚度与刃 和摩擦能，建立剪切能和摩擦能的预测模型，并通过切 口半径比值的减小而逐渐增加，当有效负前角超过临 削实验加以验证. 界值后，切削能急剧的增加：英国曼彻斯特大学Blo 1切削能的求解 gun等[4]研究了刀具磨损、刃口钝化半径对切削能的 影响；山东大学Wang等o研究了高速切削7050- 假设材料大变形时不可压缩，切削过程中剪切 T7451铝合金过程中切削能的消耗，研究表明：在试验 变形区速度关系如图1(a)所示，v为切削速度，v.为 的速度范围内，剪切能占到切削能总量的80%，随着 切屑速度，)，为剪切速度，三者形成封闭速度三角形； 切削速度的增加，剪切能的比例降低，摩擦能比例大致 图1(b)为前刀面和剪切区作用于切屑的受力平 保持不变：土耳其伊斯坦布尔技术大学Akyildiz和Li- 衡图. 切屑 切屑 工件 刀具 工件 刀具 b 图1切削过程切屑的受力和速度关系.(a)剪切变形区速度关系：(b)切屑受力平衡图 Fig.1 Relationship between force and velocity of cutting:(a)velocity relation in shear deformation zone;(b)chip stress balance diagram a为切屑厚度，a为切削厚度，d为切削宽度，h,为 根据剪切面切削模型的力学关系理论)]，切削过 切削深度，y。为刀具前角，9，为刀具余偏角，中为工件 程中切屑同时受到第一变形区剪切变形产生的力和前 材料剪切角，∫为进给量，为切屑变形系数，根据连续 刀面摩擦挤压力的作用，两者构成平衡，如图1(b)所 条件得： 示，B为摩擦角，刀具对切屑的作用合力F可分解为 a=f.cos o:, (1) 前刀面上的摩擦力F和正压力F。,工件对切屑的作用 h。 合力F可分解为水平分力F,和垂直分力F,即分别 d=cos (2) 为测力系统采集的主切削力和进给抗力，也可分解为 (3) 剪切面上的切向力F和法向力F,则有： F=F..sin Yo +F,'cos Yo, (6) cos Yo lan中Fg-sinY0 (4) Fn=Fn·cosB, (7) F.=F。·(cos Yo+sin yotan B), (8) 根据图1(a)所示，可知剪切面上的剪应变δ可表 F,=Fn·sin(B-Yo), (9) 示为： F.=F.(cosΦ-sin中tan(B-yo),(10) 8=d cos Yo (5) F F:'tan Yo+F, Fea=sin中cos(中-yo) tan B-F.-F.-F,-lan Y (11)工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 都是国内外切削加工领域学者研究的重点[1] ,而切削 能的产生、传递与转化对切削温度的研究尤为重要. 美国圣路易斯大学 Ma 等[2] 通过改变切削速度、刀具 前角、刀尖半径和刃口半径,来研究切削 AISI4140 过 程中切削能消耗变化规律,得到较大的切削速度和前 角,较小刃口半径和刀尖半径有利于切削能的减少的 结论;南京航空航天大学 Wu 等[3] 试验研究了微切削 过程中切削能同负前角之间的关系,结果表明:当有效 负前角没有达到临界值时,切削能随着切削厚度与刃 口半径比值的减小而逐渐增加,当有效负前角超过临 界值后,切削能急剧的增加;英国曼彻斯特大学 Balo鄄 gun 等[4鄄鄄5]研究了刀具磨损、刃口钝化半径对切削能的 影响;山 东 大 学 Wang 等[6] 研 究 了 高 速 切 削 7050鄄鄄 T7451 铝合金过程中切削能的消耗,研究表明:在试验 的速度范围内,剪切能占到切削能总量的 80% ,随着 切削速度的增加,剪切能的比例降低,摩擦能比例大致 保持不变;土耳其伊斯坦布尔技术大学 Akyildiz 和 Li鄄 vatyali [7]研究表明切削力和切削速度是影响切削能的 主要因素;印度该塔维史诺第维大学 Bhushan [8] 优化 了车削 7075 铝合金切削参数,使切削能消耗减少 13郾 55% ;以上成果从不同的角度开展了切削能的研 究,但至今未见以 304 不锈钢为加工对象,从基础理论 角度开展的切削能预测研究. 本文主要针对自贡硬质 合金厂 304 不锈钢专用硬质合金车刀前刀面微坑创新 设计,通过切削能对比研究,预测新型微坑车刀剪切能 和摩擦能,建立剪切能和摩擦能的预测模型,并通过切 削实验加以验证. 1 切削能的求解 假设材料大变形时不可压缩,切削过程中剪切 变形区速度关系如图 1 ( a) 所示,v 为切削速度,vc为 切屑速度,vs为剪切速度,三者形成封闭速度三角形; 图 1( b) 为 前 刀 面 和 剪 切 区 作 用 于 切 屑 的 受 力 平 衡图. 图 1 切削过程切屑的受力和速度关系. (a) 剪切变形区速度关系; (b) 切屑受力平衡图 Fig. 1 Relationship between force and velocity of cutting: (a) velocity relation in shear deformation zone; (b) chip stress balance diagram ac为切屑厚度,a 为切削厚度,dw为切削宽度,hp为 切削深度,酌0为刀具前角,渍r为刀具余偏角,准 为工件 材料剪切角,f 为进给量,孜 为切屑变形系数,根据连续 条件得: a = f·cos 渍r, (1) dw = hp cos 渍r , (2) 孜 = ac a , (3) tan 准 = cos 酌0 孜 - sin 酌0 . (4) 根据图 1(a)所示,可知剪切面上的剪应变 啄 可表 示为: 啄 = dd忆 ed = cos 酌0 sin 准·cos(准 - 酌0 ) . (5) 根据剪切面切削模型的力学关系理论[9] ,切削过 程中切屑同时受到第一变形区剪切变形产生的力和前 刀面摩擦挤压力的作用,两者构成平衡,如图 1( b)所 示,茁 为摩擦角,刀具对切屑的作用合力 Fry可分解为 前刀面上的摩擦力 Ff和正压力 Fn ,工件对切屑的作用 合力 Frs可分解为水平分力 Fz和垂直分力 Fy,即分别 为测力系统采集的主切削力和进给抗力,也可分解为 剪切面上的切向力 Fs和法向力 Fns,则有: Ff = Fz·sin 酌0 + Fy·cos 酌0 , (6) Fn = Fry·cos 茁, (7) Fz = Fn·(cos 酌0 + sin 酌0·tan 茁), (8) Fy = Fry·sin (茁 - 酌0 ), (9) Fs = Fz·(cos 准 - sin 准·tan (茁 - 酌0 )), (10) tan 茁 = Ff Fn = Fz·tan 酌0 + Fy Fz - Fy·tan 酌0 . (11) ·1208·