三维复杂槽型车刀片测量方法及切屑折断机理的研究
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摘要
金属切削加工正向着高度自动化和无人化的方向发展，这就要求对切屑进行有效的处理。切屑处理主要表现为切屑的折断控制。为了对切屑的折断进行准确的预报，提高自动化进程水平，本文对三维复杂槽型车刀片的切屑折断界限进行了研究。
槽型参数是研究三维槽型切屑折断界限的基础，但三维槽型越来越复杂，通过一般手段无法测得槽型参数。因此，为了获得精确的三维复杂槽型车刀片的断屑槽参数，本文首先从三维形貌测量技术入手，介绍了三维形貌测量仪的功能，对现有的三维测量技术进行分析研究。
本文从上向弯曲切屑折断界限理论出发，推导出刀片九个参数二维槽型切屑流出圆半径及极限进给量的理论预报公式；根据横向卷曲短螺卷屑形成过程中切屑动力学及其折断判据理论，得出了极限背吃刀量的理论预报公式；并进行了系统的试验研究。
在二维槽型切屑折断界限研究的基础上，对三维槽型断屑进行了深入的研究。首先，对PCD刀具应用断屑器切削铝合金进行研究，建立了刀片的几何槽型参数与极限进给量之间的关系，推导出了数学模型，并进行试验验证；其次，对三维复杂槽型断屑原理进行分析，建立了三维槽型的切屑折断理论预报公式；最后，针对三维复杂槽型车刀片的切屑折断的理论分析，进行切屑折断试验。
The development of metal cutting is to ensure high production with high automation and unmanned participant, which demands a reliable treat with chips. Control of chip-breaking is the key of treat with chips. And it is essential to study chip breaking limits of 3D non-uniform groove cutting tools in order that we can make a precise prediction of chip-breaking with different insert groove.
The groove parameters is the base to study 3D groove chip-breaking limits. But the more complex the shape of 3D groove is, the more difficult to get the groove parameters with general method. So we introduce the function of 3D Profile Measurement Instrument and research 3D Measurement systems that have existed combining with the technology of 3D profile measurement in order to get accurate insert groove parameters of 3D non-uniform groove cutting tools.
Based on the theory of up-curl chip breaking limits, we get the theoretic predictive formula of chip's curling radius of two-dimensional groove chips which can be defined by nine parameters and the theoretic predictive formula of Critical feed-rate; based on the chips dynamics and its breaking criterion theory of the transverse up-curl chips' forming course, we get the theoretic predictive formula of Critical depth-of-cut and did a series of systemic experiment study.
Based on the study of chip-breaking limits about two-dimensional groove, we research chip-breaking limits about 3D groove. Firstly, we establish relation between cutting parameters and the critical feed rate, obtain the predictive formula and test it after having studied chip breaking when PCD tool cutting aluminum alloy with chip-breaker. Secondly, based on the analysis of 3D groove breaking mechanism, we
establish the chip-breaking theoretic predictive formula of 3D groove. Finally, in order to test the chip-breaking theoretic formula of 3D groove inserts, we do a series of chip-breaking experiments.
槽型参数是研究三维槽型切屑折断界限的基础，但三维槽型越来越复杂，通过一般手段无法测得槽型参数。因此，为了获得精确的三维复杂槽型车刀片的断屑槽参数，本文首先从三维形貌测量技术入手，介绍了三维形貌测量仪的功能，对现有的三维测量技术进行分析研究。
本文从上向弯曲切屑折断界限理论出发，推导出刀片九个参数二维槽型切屑流出圆半径及极限进给量的理论预报公式；根据横向卷曲短螺卷屑形成过程中切屑动力学及其折断判据理论，得出了极限背吃刀量的理论预报公式；并进行了系统的试验研究。
在二维槽型切屑折断界限研究的基础上，对三维槽型断屑进行了深入的研究。首先，对PCD刀具应用断屑器切削铝合金进行研究，建立了刀片的几何槽型参数与极限进给量之间的关系，推导出了数学模型，并进行试验验证；其次，对三维复杂槽型断屑原理进行分析，建立了三维槽型的切屑折断理论预报公式；最后，针对三维复杂槽型车刀片的切屑折断的理论分析，进行切屑折断试验。
The development of metal cutting is to ensure high production with high automation and unmanned participant, which demands a reliable treat with chips. Control of chip-breaking is the key of treat with chips. And it is essential to study chip breaking limits of 3D non-uniform groove cutting tools in order that we can make a precise prediction of chip-breaking with different insert groove.
The groove parameters is the base to study 3D groove chip-breaking limits. But the more complex the shape of 3D groove is, the more difficult to get the groove parameters with general method. So we introduce the function of 3D Profile Measurement Instrument and research 3D Measurement systems that have existed combining with the technology of 3D profile measurement in order to get accurate insert groove parameters of 3D non-uniform groove cutting tools.
Based on the theory of up-curl chip breaking limits, we get the theoretic predictive formula of chip's curling radius of two-dimensional groove chips which can be defined by nine parameters and the theoretic predictive formula of Critical feed-rate; based on the chips dynamics and its breaking criterion theory of the transverse up-curl chips' forming course, we get the theoretic predictive formula of Critical depth-of-cut and did a series of systemic experiment study.
Based on the study of chip-breaking limits about two-dimensional groove, we research chip-breaking limits about 3D groove. Firstly, we establish relation between cutting parameters and the critical feed rate, obtain the predictive formula and test it after having studied chip breaking when PCD tool cutting aluminum alloy with chip-breaker. Secondly, based on the analysis of 3D groove breaking mechanism, we
establish the chip-breaking theoretic predictive formula of 3D groove. Finally, in order to test the chip-breaking theoretic formula of 3D groove inserts, we do a series of chip-breaking experiments.
引文
1 郑敏利．切屑形成与折断过程及其预报系统．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2001
2 李振加．切屑折断过程与槽型CAD专家系统．北京：机械工业出版社，1996：117
3 王频、胡荣生．近年来国内外切屑控制理论的研究与进展．工具技术， 1993 27(10)：1～5
4 王立江等．PCD刀具断续切削铝合金时力学特性的试验研究．汽车工艺与材料，2001，2：4~7
5 汤铭权等．切屑折断极限进给量的预报．硬质合金，1992，9(2)：111~116
6 曹麟详，汪慰军．三坐标测量机的现状、发展与未来．宇航计测技术，1996， 12(2)：15～19
7 林洪桦．我国三坐标测量机发展的几点建议．计量技术，1999，(10)：13～15
8 韦有双等．虚拟现实与系统仿真[J]．计算机仿真，1999，16(2)：63~66
9 王富生．基于差动共焦显微探测原理的三维测量技术研究．哈尔滨工业大学博士学位论文，2001：1～3
10 安卫．国外三坐标测量机技术发展动态．航空精密控制技术，1996，32(4)： 37～40
11 Waldele F，Bitter B, Busch K．Testing of Coordinate Measuring machine Slftware． Precision Engineering，1993，(2)：121～123
12 Caskey G，Hair Y，Hochen R，et al．Sampling Techniques for Coordinate Measuring Machines．Proceedings of the 1991 NSF Design and Manufacturing Systems Conference，Austin，Texas，USA，1991：779～786
13 张国雄．三坐标测量机的发展趋势．中国机械工程，2000，11(1-2)：222-226
14 Bosch JA．Coordinate Measuring Machines and Systems．New York，
USA：Marcel Dekker Inc.，1995
15 Breyer K H, Pressel H G． Paving the Way to Thermally Stable Coordinate Measuring Machines．Progress in Precision Engineering， Brauunsweig， Germany，1991. Berlin, Germany，Springer-Verlag，1991：56～76
16 Quin. JC， 冯明超．坐标测量机的最新进展．工具技术， 1994， 28(2)：42～45
17 王滔，费敏锐．虚拟现实技术及其在工业工程中的应用．微计算机信息，2000,16(4)：3~7
18 Dinesh K.Pai，Juhani Siira，Kees van den Doel．Interactive Simulation of Physical Systems in Virtual Environments．SIVE，1995：169~171
19 X.Daniel Fang．Using Virtual Reality in Engineering Education．Proceedings of the 58th Annual American Society of Engineering Education，1996，10：IVA-1.1~IVA-1.9
20 Nakayama. K，Ogawa. M．Basic rules on the form of chip in metal cutting．Annals of the CIRP，1978,27(1)：17~21
21 Nakayama. K，Arai. M．Comprehensive chip form classification based on the cutting mechanism．Annals of the CIRP1992，41(1)：71~74
22 中山一雄．金属切削加工理论．李云芳译．北京：机械工业出版社，1985
23 Li Zhenjia，Qu Guimin，Xu Yihong．Forecast of breaking length of side curling short-spiral chips．Chinese Journal Mechanical Engineering，1999,12(4)：297~302
24 李振加．切屑折断过程研究．北京：机械工业出版社，1996李振加等．横向卷曲C形屑折断数学模型及试验研究．机械工程学报，1997,33(1)：33~38
25李振加，曲贵民，董丽华等．横向卷曲短螺卷屑折断数学模型与折断判据．机械工程学报，1996，32(6)：105~110
26郑敏利，李振加，韦银利等．形成切屑向上弯曲非折断插入区的理论
研究．机械工程学报，2001，37(8)：106~109
27 Kharkevich. A，Patri K Venuvinod．Basic geometric analysis of 3-D chip forms in metal cutting．Machine Tool & Manufacture，1999，39：751~769
28 陈永洁，方宁，师汉民等．切屑的三维卷曲流动．华中理工大学学报，1993，21(4)：1~6
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30 R. Ghosh．Chip Breakability Assessment Using a Chip-groove Classification System in Finish Turning．Trans of the ASME，1995：679～701
31 王磊. Delphi 5.0编程．北京：科学出版社，2000
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36 李振加等．横向卷曲C形屑折断数学模型及试验研究．机械工程学报，1997,33(1)：33~38
37 李振加等．切屑空间运动轨迹及其约束方程的研究．机械工程学报，2001,37(12)：42~46
38 张中民，李振加等．切屑折断界限的理论研究．机械工程学报，2002，38(8)：74~79
39 周泽华等．金属切屑原理．第二版．上海：上海科学技术出版社，1997：15~33
40 张幼桢．金属切削理论．北京：航空工业出版社，1988：50~64
41 李振加等．切屑折断机理及其应用．大连：大连理工大学出版社，1990，
42 王平．数控机床可转位刀片断屑槽、断屑机理的研究及其应用．大
连理工大学博士学位论文，1994
43 汤铭权． 适合数控机床加工中心等自动化生产的最佳切屑形状及其控制. 组合机床与自动化加工技术，1992, (4)：37～43
44 新井实．切りくず处理の基础と应用．东京日刊工业新闻社，1990
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