[0099] i^n=FrCOS(0 + /?-7〇)COS>ff (3)
[0100] F/=^rCOS(口+/?-/〇)sin^(4)
[010。 式（1)中Ft为剪切面AB的剪切力，F。为作用于剪切面的正压力，F。为作用于前 刀面的正压力，Ff为前刀面与切屑侣基体的滑动摩擦力，TS为零件材料的剪应力，丫。为刀 具前角，P为刀具前刀面和侣基金属底部的摩擦角，？^为剪切角，13为切削深度，(1为工件每 转一周沿进给方向的切屑宽度，即剪切层宽度，r,为切削刃纯圆半径。
[0102] 由于金属材料从零件表面分离变为切屑时，其厚度变大，即由b变为b。。图3为切 屑分离时各几何要素关系。
[0103] 由图3可知：
[0104] 巧）
[0105] 由式妨可获得剪切角资大小。
[0106] 由于在剪切面上发生了金属的滑移变形，最大剪应力发生在剪切面上。根据材料 力学平面应力状态理论，主应力Fts方向与最大剪应力FT方向的夹角为n/4。所W，有
[0107]
(6)
[010引由式（6)可获得摩擦角0大小。
[0109]由于在车削加工时，零件材料的剪应力Ts,刀具前角丫。，切削深度b，切削刃纯圆 半径r,为已知条件，剪切层宽度d大小等于进给量f*l=f，故可求得FI、F。、F。、Ff。
[0110] 为了便于分析，将切削力沿着坐标轴进行分解，可知
[0111]
[0112]
[0113] 式做中F主在XOY坐标平面进一步分解，如图4所示。[0114]
[011引
[0116] 考虑到刀尖圆弧半径r￡的影响，车刀的实际切削主偏角1^,￡要比理论主偏角kf要 小。由于刀尖圆弧半径r￡与切削深度b的大小对比不同，会出现不同的情况，本方法W最 常见的切削深度b远大于刀尖圆弧半径r￡作为一般情况进行分析。在运种情况下，刀具实 际的主偏角kf￡如图5所示。
[0117]由此，可获得主偏角kf￡按下式计算：
[0118]
(11 )
[0119] 由此可知，来自第一变形区，切削力的S个分量与、巧!如下式所示[0120]
(12)
[0121] (13)
[0122] 巧如式（7)所示。
[0123] S2、第II变形区受力分析
[0124] 第II变形区的主摩擦力在分析第I变形区受力情况时已经进行了分析，即Ff。但 是，由于SiC颗粒的存在导致第II变形区的部分摩擦力会出现异常增大的情况，该部分摩 擦力主要是由于从侣基体脱离的SiC颗粒物与刀具前刀面的滚动摩擦产生的，因此，需要 单独建模分析。其正压力F。和滚动摩擦力Fg如图6所示。
[0125] 由于摩擦力是滚动摩擦力，所W，其大小可通过下式获得Fg=KgF。！ （14)
[0126] 式（14)中F。可通过公式（3)计算，Kg为滚动摩擦系数，i为参与滚动摩擦的SiC 颗粒物的数量。
[0127] 式（14)中，i可通过下式计算：
[012 引 i=TA?i(15)
[0129]式中CO1表示经剪切变形后，分布在第II变形区参与滚动摩擦的SiC颗粒的比例， Ta表示剪切层AB所包含的SiC颗粒数。由于剪切层AB所包含的SiC颗粒数TA最终分为3 部分，1)从剪切层拔出分布在第II变形区，比例为《1，2)经刀具挤压后，经準耕区分布在 第III变形区，比例为《2。3)经刀具挤压拔出后，散落在非变形区，比例为《3.因此有：
[0130] O1+0 2+W3二 1 (16)
[0131] 式（15)中的Ta可由式（17)获得。
[0132]
(17)
[0133] 式（17)中P为侣基复合材料中SiC中颗粒物百分数，R为SiC颗粒物的半径。A 为切削层面积，V。为切削速度。
[0134] 式（17)中切削层A面积为
[0135] A=Aa+Ab(18)
[0136] 式（18)中区域A巧FGH)和区域B师I)如图5所示，其面积可通过式（19)和（20) 表不。
[0137] (19)
[013引 (20)
[0139] 其中r￡为刀尖圆弧半径，0如图所示，其中0 1、0 2可由公式（21)、公式（22)求 出。
[0140] (21) (22)[0141]
[014引式（14)中，K历滚动摩擦系数，根据现有文献资料，其计算过程如下：
[0143] (23)
[0144] 式中He为刀具硬度，Ob为工件抗拉强度，OS为工件屈服强度，Ei为工件弹性模 量，Vi为工件泊松比，E2为刀具弹性模量，V2为刀具泊松比。e为SiC颗粒物在刀具的压 入深度，如图7所示，根据现有文献资料，其值可通过公式（24)获得。
[0145] (24)
[0146] 式中O'S为刀具屈服强度。
[0147] 将Fg根据坐标轴进行分解，可知：
[014引 Fz=FnKgisin丫。 (25)
[014引 F"=FnKgicos丫。 (26)
[0150] 其中F。可根据公式（3)求出，Kg可由公式（23)、（24)求出，i可由公式（15)、（16)、 (17)、（18)、（19)、（20)、（21)、（22)求出。
[0151] 对式（26)中Fyy在XOY坐标平面按照图4、图5所示进一步分解，可知：
[0152] 巧=巧 COS*rc (27)
[0153] 巧=^sinAw(2S)
[0154]式（27)、（28)中krE如式（11)所示。
[0155]S3、第III变形区受力分析。
[0156] 第HI变形区，即準耕区。由于刀尖纯圆半径的影响，在準耕区表面的金属材料经 历了由塑性流动到剪切变形的过程。在金属材料逐渐发生剪切的过程中，会产生一个附加 力，运个力称为準耕力，其受力情况如图8所示。準耕力分布在整个刀尖纯圆圆弧上，为了 简化分析準耕力，我们将第III变形区的受力简化为一个準耕面的受力，其受力情况如图8 所示。
[0157]
[015 引 [0159]
[0160]
[0161]
[0162] 对式（32)中在XOY坐标平面按照图4、图5所示进一步分解，可知：
[0163]呼=巧COS*"(34)
[0164]与n=巧SinArc (3巧
[0165]式（34)、（34)中kfe如式（11)所示。
[0166] 因此，最终车削外圆柱面的S个切削力分量，可由式（36)、（37)、（38)。
[0167] 护;=护>巧+与"巧6)
[0168] Fy=F>^+if(37)
[0169] ^^:=片+巧+巧^(3巧。
[0170]W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W作出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法，其特征在于，包括如下步骤： S1、第I变形区AB受力分析： 511、 根据几何关系可得式中，FtS剪切面AB的剪切力，F。为作用于剪切面的正压力，Fn为作用于前刀面的正 压力，Ff为前刀面与切肩铝基体的滑动摩擦力，T零件材料的剪应力，Y。为刀具前角， 0为前刀面和切肩铝基体底部的摩擦角，P为剪切角，b为切削深度，d为工件每转一周沿进 给方向的切肩宽度，即剪切层宽度，rz为切削刃钝圆半径； 512、 通过以下公式计算剪切角炉：513、 根据材料力学平面应力状态理论，主应力Fts方向与最大剪应力FT方向的夹角为 JT/4,通过以下公式计算摩擦角0 ;式中，T3为零件材料的剪应力；y。为刀具前角；b为切削深度；rz为切削刃钝圆半径， 剪切层宽度d大小等于进给量f*l=f; S15、将所得的在XOY坐标平面进一步分解，可得由此可知，来自第一变形区，切削力的三个分量Fj1、6如下式所示52、 第II变形区BD受力分析： S21、通过下式计算滚动摩擦力Fg=KgFni； 式中，通过公式Ffl =巧cos(p+户-/"cos计算，Kg为滚动摩擦系数，i为参与滚 动摩擦的SiC颗粒物的数量； S22j#Fg根据坐标轴进行分解，可知： Fz=FnKgisiny〇；Fxy=FnKgicosy〇； 式中，通过公式F" cos(供+夕-/(J)Cos^计算，Kg为滚动摩擦系数，i为参与滚 动摩擦的SiC颗粒物的数量； S23、将所得的Fxy在XOY坐标平面中进一步分解，可知：53、 第III变形区BC的受力分析： S31、将第III变形区BC的受力简化为一个犁耕面的受力，可得：2. 根据权利要求1所述的车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法，其特征在 于，步骤S21中的i通过下式计算； i=TaW1; 式中，O1表示经剪切变形后，分布在第II变形区参与滚动摩擦的SiC颗粒的比例，Ta 表示剪切层AB所包含的SiC颗粒数。3. 根据权利要求2所述的车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法，其特征在 于，剪切层AB所包含的SiC颗粒数Ta分为3部分； 1) 从剪切层拔出分布在第II变形区，比例为 2) 经刀具挤压后，经犁耕区分布在第III变形区，比例为 3) 经刀具挤压拔出后，散落在非变形区，比例为 因此有w1+w2+?3=1〇4. 根据权利要求2所述的车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法，其特征在 于，所述步骤S21中Ta通过下式计算：式中，P为铝基复合材料中SiC中颗粒物百分数，R为SiC颗粒物的半径；A为切削层 面积，V。为切削速度。5. 根据权利要求4所述的车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法，其特征在 于，通过下式计算切削层面积A: A=Aa+Ab其中，rE为刀尖圆弧半径，0如图所示，其中0p02可由通过下式所得：O6. 根据权利要求1所述的车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法，其特征在 于，步骤S21中的滚动摩擦系数Kg通过以下公式计算：式中，Hb为刀具硬度，〇b为工件抗拉强度，〇s为工件屈服强度，E1为工件弹性模量，Vi为工件泊松比，E2为刀具弹性模量，V2为刀具泊松比；e为SiC颗粒物在刀具的压入深度。7. 根据权利要求6所述的车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法，其特征在 于，所述SiC颗粒物在刀具的压入深度e通过下式获得：式中，〇 's为刀具屈服强度。
【专利摘要】本发明公开了一种车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法，包括第I变形区AB受力分析、第II变形区BD受力分析和第III变形区BC的受力分析三个步骤；通过切削变形区的受力分析来预测切削力，不需要通过大量的切削实验来进行。并且，充分考虑了切削变形区中SiC颗粒物对切屑、刀具、零件的影响，研究切削力的各个来源，并进行准确的预测。
【IPC分类】B23Q17/09
【公开号】CN105127839
【申请号】CN201510489954
【发明人】王进峰, 吴学华, 赵爱林, 刘渊
【申请人】华北电力大学（保定）
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月8日