1 引言

在金属切削过程中，刀—屑接触长度直接影响切削的摩擦状况，从而影响切削力、切削温度、切屑形成、刀具磨损和已加工表面质量。此外，刀—屑接触长度与刀片槽型设计也有密切关系。因此，对刀—屑接触长度的研究十分重要。限制接触刀具与自然接触刀具有着不同的切削机理(如Merchant 和Lee-Shaffer 理论中的剪切角公式不适用于限制接触刀具，用该公式计算出的剪切角f远小于试验结果)，已有不少学者对限制接触刀具的独特性能进行了研究。本文研究了限制接触刀具前刀面上的正压力Fn和摩擦力Ff与刀—屑接触长度的关系，探讨了其变化规律，认为根据这一变化规律可间接测量前刀面的刀—屑接触长度L和紧密型接触长度lf1。

图1 限制接触刀具示意图

图2 限制接触刀具前刀面切削力示图

2 切削试验

采用限制接触刀具在车床上对钢管端面进行自由车削(直角自由切削)试验，并测量切削力的变化。试验条件如下：

a 刀具：试验所用限制接触刀具如图1所示。图中l为前刀面限制接触长度(试验中可逐次缩短)。刀具前角g0=5°，后角a0=10°，主偏角kr=90°，刃倾角ls=0°。刀具材料为W18Cr4V。应注意：前刀面台阶高度h的大小应适当(推荐值为h=1.0～1.5mm)，如h过大，将降低刀尖处的强度和刚度；如h过小，则当前刀面宽度小于刀—屑接触长度后，切屑仍可能与刀具前表面接触(即刀—屑二次接触)，从而影响试验结果的准确性。
b 试件：10 号无缝钢管(退火处理，HB100～130)。
c 试验设备：CM6140 精密车床；KISTLER测力仪及电荷放大器。
d切削参数：切削宽度aw=2mm，切削速度v=55.3m/min，切削厚度ac=0.15，0.2mm。

3 试验结果与分析

在切削试验中，限制接触刀具前刀面的切削力如图2 所示。
由图2可得 Fn=Fzcosg0-Fxsing0 (1)
Ff=Fzsing0+Fxcosg0 (2)

根据式(1)、(2)，可将测得的切削力垂直分力Fz和轴向分力Fx换算成刀具前刀面上的正压力Fn和摩擦力Ff。

根据试验数据，得到采用不同切削厚度ac时切削力轴向分力Fx(可换算为摩擦力Ff)和垂直分力Fz(可换算为正压力Ff)随前刀面限制接触长度l的变化趋势，如图3、图4所示。

由图3、图4 可知，Fn与Fz、Ff与Fx具有相同的变化趋势。Ff、Fn均随l的减小而按非线性规律减小。Ff随l减小的变化趋势为：Ff开始缓慢减小，然后急剧减小，当l减小到一定程度后，Ff减小的趋势再次变缓。当Ff开始缓慢减小时，Fn几乎无变化；当Ff急剧减小时，Fn才开始减小，当l减小到一定程度后，Fn减小的趋势也变缓。

图3 Ff随l的变化趋势       图4 Fn随l的变化趋势

试验结果表明，刀—屑接触长度L 对切削力有明显影响。当l>L时，随着l的减小，切削力Ff、Fn的数值不变；当l<L时，切削力则开始随l的减小而减小。由此可推知，切削力开始减小的点(称为第一个拐点)所对应的l即为刀—屑接触总长度L。由图3可知，当ac=0.15mm 时，L=1.66mm；当ac=0.2mm 时，L=1.86mm。

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