切削速度对2种易切钢材料剪切角的影响

王正智,杨海东,陈鸿运,叶　铮,丁　宁

(1.太平洋财产保险安徽分公司,安徽 六安　237000;2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥　230009)



切削速度对2种易切钢材料剪切角的影响

王正智1,杨海东2,陈鸿运2,叶铮2,丁宁2

(1.太平洋财产保险安徽分公司,安徽 六安237000;2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥230009)

摘要:剪切角是研究切削变形最重要的参数之一。文章结合剪切角基本模型的分析,通过切削力测量试验和快速落刀试验,在不同切削速度下得到了YT15硬质合金刀具切削硫易切钢和钙硫易切钢的理论剪切角值和实际测量值；根据2种方法所得值的差异,对理论剪切角公式进行系数修正,得到适用于加工此类易切钢的剪切角新公式。

关键词:易切钢；快速落刀装置；剪切角；摩擦系数

0引言

金属切削过程的本质是切削层在受到前刀面的挤压后产生的以剪切滑移为主的塑性变形过程,剪切角是剪切滑移面与切削速度间的夹角。在研究切削机理的过程中,剪切角是反映切削加工过程的一个重要参数,直接影响着切屑变形的形态和切屑与前刀面的摩擦,同时影响着切削力的大小、工件加工表面质量,因此剪切角的计算及测量一直倍受国内外专家的关注。人们通常对切削模型作简化处理,利用M.E. Merchant剪切角公式和Lee &Shafer剪切角公式对剪切角进行预测,但结果与实际剪切角存在一定的误差。国内多数研究者通过有限元分析软件对剪切角进行预测[1-3],国外研究者通过大量数据在不同切削条件下研究和分析了剪切角值的规律[4-5],文献[6-7]还深入探讨了斜角切削条件下的剪切角预测。

随着机械工业的快速发展和加工自动化、流水作业线程度的逐步提高,实际生产中对材料的可切削性能以及材料加工精度的要求也不断提高。使用易切钢材料制造生产零件可以延长刀具寿命、减少切削抗力、提高加工表面光洁度、易于排除切屑,可以提高零件的机械加工生产率,还可以使能耗降低、成本降低[8-9],目前已经广泛应用于汽车、航空航天、通用机械、家用电器等产业[10-11]。

本文研究对象为某大型钢构公司生产的新型环保硫系易切钢和钙硫系易切钢类轴件。通过对剪切角模型的分析,利用切削力测量试验,在不同切削速度下分别获得这2种新型环保易切钢的摩擦角和理论剪切角,并对比分析2种材料剪切角的大小变化;利用快速落刀试验等获取切屑金相照片,对比分析理论值和试验值的差异,并通过计算获取不同切削速度下2种易切钢材料剪切角的新公式。本文的研究结果可用于此类易切钢切削过程中剪切角的计算预测。

1剪切角基本模型

在直角自由切削的情况下,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,且两对力的合力共线,将所有力画在切削刃刀尖处,得到直角自由切削力与角度的关系[12]如图1所示。

由图1可得切削力方程为:

(1)

(2)

(3)

根据合力最小原理计算剪切角,得到麦钱特(M.E. Merchant)公式为:

(4)

根据主应力方向与最大切应力方向之间的夹角为45°得到李和谢弗(Lee &Shaffer)公式为:

(5)

其中,F为切削合力;Fp为径向切削力;Fc为主切削力;φ为剪切角;γ0为刀具前角;β为摩擦角;μ为摩擦系数;τ为剪切应力;AD为切削层的截面积。

虽然(4)式和(5)式在定性角度上说明了剪切角φ、刀具前角γ0以及摩擦角β之间的关系,但在定量方面存在差异。本文以试验为基准对此模型公式进行修正,得到2种易切钢材料新的剪切角公式。

2试验设计

2.1试验材料

被加工试样为2种新型易切钢,为方便区分,将试样中钙硫系易切钢称为试样A、硫系易切钢称为试样B。2种试样的初始直径均为110 mm,长度均为280 mm。2种试样材料化学成分及力学性能见表1和表2所列。

表1　2组易切钢试样化学成分质量分数　%

表2　2组易切钢试样力学性能

2.2切削力试验

试验选用型号为31303C的YT15机夹式可转位硬质合金刀具在CA6140车床上进行切削试验,选用Kistler9257B型三向测力仪对切削分力进行实时测量,测力仪由测力台、电荷放大器、数据采集系统以及计算机DynoWare处理软件构成完整切削力采集系统,测力仪工作示意图如图2所示。

图2　切削力采集示意图

本试验采用干式切削,切削速度v分别选用150、200、300 m/min,背吃刀量为1 mm,进给量为0.1 mm/r,刀具前角为15°、后角为5°。同等切削条件下,为减小误差进行多次试验,最终取平均值作为试验切削力结果。

2.3快速落刀试验

利用快速落刀装置进行试验获取刀具切削时切屑根部试样,进而得到2种易切钢的实际剪切角数值。为方便获得完整切屑根部,在切削试样上加工多个1 mm宽的凸台,如图3所示。切削速度同样选用150、200、300 m/min。快速落刀后,取下每种切削速度下的完整切屑根部,切屑根部经过镶嵌、粗磨、细磨、抛光、金相腐蚀后对切屑根部金相进行观察并拍照。对金相照片进行观察分析,观察切屑变形特点,并得出剪切角。

图3　快速落刀试验的试样

3试验结果分析

3.1摩擦角和摩擦系数

切削过程中,切屑在流出过程中会不断摩擦前刀面,高温高压之下切屑底面与前刀面会发生黏结现象,由此切屑底层的各层金属间产生内摩擦。内摩擦实际就是金属内部的滑移剪切,它与材料的流动应力特性以及黏结面积大小有关,与外摩擦不同,且内摩擦力约占全部摩擦力的85%,即前刀面的刀-屑接触长度是以内摩擦为主,不遵循外摩擦定律[13]。

由(2)式、(3)式及图1可知,在切削过程中,径向切削力、主切削力、前角、摩擦角之间存在定量的数学关系,在前角已知条件下可以得到摩擦角的值,通过摩擦角的计算得到摩擦系数,其中μ代表平均摩擦系数。通过切削力的试验,分别得到刀具切削2类易切钢材料的摩擦角以及摩擦系数,如图4所示。

由图4可知,2种易切钢材料的摩擦角和摩擦系数都随着切削速度的提高逐步降低,试样A摩擦系数由0.8降到0.7,摩擦角由38.7°降到35.1°;试样B的摩擦系数由0.55降到0.51,摩擦角由29°降到27.1°。这主要是因为随着切削速度的提高切削温度也随之上升,高温作用下易切钢材料的塑性会增强,材料的临界剪应力降低,切屑与刀具材料的内摩擦降低,所以摩擦角以及摩擦系数降低。比较试样A和试样B的摩擦角及摩擦系数可以发现,试样A摩擦系数较大,推测原因如下:① A材料的屈服强度较高,故材料临界应力较高,因此材料实际切削中内摩擦较为明显;② 实际切削过程中易形成积屑瘤,黏结现象比试样B严重,故材料的流动性较弱,前刀面内摩擦加剧,故试样A比试样B摩擦系数大。

图4　切削速度对2种材料的摩擦角及摩擦系数的影响

3.2剪切角

2种材料快速落刀试验结果如图5所示(其中,切削速度v从左至右依次为150、200、300 m/min)。

图5　不同切削速度下试样A、B的剪切角

由(4)式和(5)式(麦钱特和李和谢弗剪切角公式)可知,剪切角、刀具前角、摩擦角存在定性、定量数值关系。因此,将麦钱特剪切角公式、李和谢弗剪切角公式以及实际快速落刀试验得到的剪切角数值进行比较,结果见表3所列。

表3　不同切削速度下剪切角φ理论值及试验值　(°)

由表3可以看出,同种材料的同一速度下,3种方法的剪切角值中,麦钱特公式计算的理论值最大,李和谢弗值最小,试验所得值处于两者之间,这与麦钱特公式计算结果偏大、李和谢弗计算结果偏小的长期经验相吻合,即本试验结果可用于实际应用中。3种方法得到的试样A和B的剪切角值都与切削速度保持很好的一致性,即随着切削速度的提高剪切角值都会随之相应增加。这主要是因为随着切削速度的提高,切削温度相应升高,刀-屑接触区域的内摩擦降低,最终改变了剪切角值。另外,随着切削速度的提高,切屑流经刀具前刀面的速率相应提高,内摩擦相应降低,摩擦系数降低,剪切角增加。同等切削速度下,切削试样B的剪切角值大于试样A,且保持较好的一致性。

2种计算剪切角的理论公式均与实际试验值存在一定的差异,因此不能直接用来计算2种易切钢材料的剪切角,而需要对其进行修正。此处以麦钱特公式为例对其进行修正,从而得到2种易切钢材料的剪切角新理论公式。因为本次试验过程中切削速度v为变量,因此新的剪切角公式必然包含切削速度v。又因为试验剪切角值随切削速度大致呈线性关系,因此设定剪切角公式如下:

(6)

本试验中保持刀具前角γ0不变,因此(6)式中存在2个变量,即切削速度v和摩擦角β,为得到此公式的具体数值,先将此式与麦钱特公式计算结果比较得到偏差值,再通过Origin8.0对偏差值进行线性拟合,结果如图6所示。

通过拟合结果,最终得到2种易切钢的剪切角的修正公式为:

(7)

(7)式作为本次试验2种易切钢材料剪切角理论公式更具代表性,误差更小,同时适用于此类易切钢材料切削条件变化及刀具角度变化时的剪切角计算。

图6　切削角偏差值与线性相拟合线

4结论

(1)在剪切角模型的分析中,摩擦角作为一个重要参数可通过切削力测量得到,其与刀具材料及角度、切削参数以及试样材料有关,切削不同材料摩擦角存在差异性。

(2)本文结合理论公式计算和快速落刀试验发现,当切削速度在150～300 m/min时,随着切削速度的增加,摩擦角逐渐减小,剪切角相应增加,且两者几乎保持线性增减关系。

(3)切削试验中,刀具切削钙硫系易切钢(试样A)时径向切削力与主切削力比值较大,其摩擦角β明显高于硫系易切钢(试样B),剪切角φ低于硫系易切钢。

(4)本文基于传统剪切角模型,通过试验数据的分析及拟合线段,对麦钱特理论公式进行了参数修正,建立起与切削速度相关的理论公式,该公式更适用于YT15硬质合金刀具切削此类易切钢材料的剪切角计算与预测。

[参考文献]

[1]谢峰,赵吉文,张崇高,等.剪切角理论研究有限元新方法探索[J].中国机械工程,2003,14(18): 1539-1541.

[2]杨国权,王春,李国和.一种新的剪切角预报方法的研究[J].机床与液压,2007,35(3):61-63,93.

[3]付秀丽,艾兴,刘站强，等.高速切削加工航空铝合金7050-T7451剪切角模型研究[J].中国机械工程,2007,18(2):220-224.

[4]Toropov A,Ko S L,Toropov A,et al. Prediction of shear angle for continuous orthogonal cutting using thermo-mechanical constants of work material and cutting conditions[J]. Journal of Materials Processing Technology,2007,182(1):167-173.

[5]Marinov V R. Hybrid analytical-numerical solution for the shear angle in orthogonal metal cutting—Part I: theoretical foundation[J]. International Journal of Mechanical Sciences,2001,43(2):399-414.

[6]李世杰,房京.三元剪切角新模型的研究[J].河北工业大学学报,1999,28(6):81-86.

[7]Shamoto E,Altntas Y. Prediction of shear angle in oblique cutting with maximum shear stress and minimum energy principles[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering,1999,121(3):399-407.

[8]袁武华,王峰.国内外易切削钢的研究现状和前景[J].钢铁研究,2008,3(6):56-62.

[9]Xu J,Liu Z,Guo G,et al. An investigation on wear mechanism of high-speed turning of free-cutting steel AISI 1215 using uncoated and multi-layer coated tools[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2012,67(1/2/3/4):517-533.

[10]蒋光辉,古隆建,施哲,等.易切削钢现状与发展趋势[J].四川冶金,2006,28(5):10-14.

[11]陈洪星,周平,陈爱洁,等.汽车用易切削钢的开发[J].中国冶金,2001(3):32-33.

[12]庞丽君,尚晓峰.金属切削原理[M]. 北京：国防工业出版社,2009:36-50.

[13]谭美田.金属切削微观研究[M].上海：上海科学技术出版社,1988:30-57.

(责任编辑胡亚敏)

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

基金项目：合肥工业大学产学研校企合作资助项目(W2014JSKF0698)

作者简介：王正智(1969-),男,安徽六安人,太平洋财产保险安徽分公司工程师; 杨海东(1970-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.006

中图分类号:TG50

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)06-0746-05