切削木屑卷曲形态控制的物理探究

张媛媛,王 强*,童 逊,王韬宇

(1.扬州大学 物理科学与技术学院,江苏 扬州 225009;2.扬州中学,江苏 扬州 225009)

在木材加工过程中经常要用到切削工艺,切屑卷曲往往会形成各种各样形态各异的有趣状态,如发条状切屑、板状切屑和螺旋状切屑。这既与切削材料有关,也与切削工艺有关,其中蕴含着丰富、深刻的物理内容[1-3]。在切削的过程中,木块的切削层受到刀片的挤压会发生弹性形变,而脱离木块表面时又会发生塑性形变,所形成的切屑沿着刀具前刀面排出[4]。在此过程中所施加的切削力往往并非完全连续,而是时有间断,呈现脉冲状态[5]。切削时如果木屑能够有足够的时间恢复原状,就会发生弹性形变;一般情况下,外力足够大且切削足够快速,使得形变不能完全恢复到原来的状态,就会出现塑性形变。一方面,所施加的切削力使得木板表面微观分子排布出现了变化,分子不再处于原来的平衡状态而导致分子力的产生,从而在宏观上产生弹性形变,并产生了力图恢复原状的应力;另一方面,木屑脱离刀面和木板束缚后,由于木屑内部的应力作用而发生塑性形变,并保持卷曲样态[6]。但是为什么切屑卷曲会呈现出形态各异的多种形态呢?其中的具体物理机制值得深入探究。

1 梁弯曲模型:发条形切屑的形成机理

1.1 发条形切屑

当切削木屑刀片的水平前进方向垂直于刀刃走向,即直角切削时,会形成发条形切屑。需要注意的是,实验中发现当木屑的厚度在一定范围时,才会出现这状态,如图1(a)所示;如果木屑过薄就极易断裂;而过厚则会出现不弯曲的板条形木屑,如图1(b)所示。另外在切削过程中发现,新切的木屑很容易发生持续形变,要及时测量完所有参数。究其原因,新切的木屑暴露在空气中很容易失去水分从而改变杨氏模量Y,并导致曲率的变化。

图1 (a)发条形切屑(b)板条形木屑

1.2 梁弯曲模型

图2 发条形切屑形成机制:梁弯曲模型

(1)

可见,在切削外力T恒定条件下,木屑的弯曲半径与木屑厚度的二次方和木屑的宽度成正比;当木屑越厚、宽度越宽时,木屑越不容易弯曲。

1.3 实验验证

在刀片倾角为30°的条件下进行直角切削,获得卷曲圈数较多的发条形木屑,如图3(a)所示。可以发现,越靠近外层木屑曲率半径越大,弯曲程度也越小。如图3(b)所示,在俯视示意图的螺旋线中,按照由外向内的螺旋次序找出7个标志点,对这7层木屑的厚度、宽度进行测量,测量时用到游标卡尺。测量数据在表1中给出。

图3 (a)发条形切屑实验验证(b)测量点的确定

表1 木屑测量点的实验数据

从实验数据中不难发现,越接近外层木屑的厚度越大,曲率半径也越大。在切削过程中,我们基本保证木屑的宽度不发生明显变化;因此,在切削力相同的情况下,切削的木屑厚度越大,木屑的弯曲程度越小,正好符合厚度与曲率半径的关系式。

根据发条型切屑的曲率半径公式,能够进一步猜想:厚度越大,就越能形成形变量很小的切屑,即板状切屑;实验结果的确证实了这一猜想。但是,在实际操作过程中,刀片倾角较小(如20°)的直角切削很难切出厚度较大的木块,除非施加很大的力;增大刀片倾角到50°左右时,便能轻易切出一小块板状切屑。在切削研究中,这一切屑过程叫压缩型切屑[2]。实验表明,发条状切屑和压缩型切屑大约在45°倾角处出现分界。

2 切应力模型:螺旋状切屑的形成机理

2.1 螺旋状切屑

直角切削始终产生的是二维发条状切屑,使得木屑受到横向的力与纵向的力叠加,或斜角切削时,才能形成螺旋状切屑。如图4所示,通过调节切削参数,可以控制所形成螺旋状切屑的半径和螺距。

图4 螺旋状切屑

2.2 切应力模型

下面深入分析螺旋状切屑的形成机理。如图5(a)所示,图中展示了切削初始阶段切削方向(刨刀的前进方向)与刀刃法向互成角度θ的情形。这种斜向切削运动可以看成由沿着刀刃方向的侧移运动和沿着前进方向的纵向运动相叠加所形成的合运动。将沿着切削方向的切削力T分解为垂直与刀片方向分力T1=Tcosθ和平行于刀片方向分力T2=Tsinθ,其中分力T1垂直于刀片方向,其切削运动形态与发条状情况类似,我们重点研究平行于刀片的分力T2对木屑形态的影响。

(a)

(b)

如图5(b)所示,当下层木屑发生微小侧移时,侧移前和侧移后的厚度可以视为相等,均取为h;此时厚度方向的偏转角记作dφ,有dz=hdφ,可以理解为单位厚度情况下的偏转位移。所以有公式:

(2)

从式(2)可以得出结论:如果用偏移角φ来表征侧移程度,它应该与宽度和厚度的乘积成反比,与施力大小T成正比,与sinθ也成正比。以上结论同样适用于螺距的分析。

2.3 实验验证

表2 螺旋状切屑形成机理的实验验证

h·sinθ

h·sinθ

3 结 论

结合实验结果讨论了木材发条状切屑和螺旋状切屑的形成原因,此分析过程同样适用于钢材等其他切削材料。切屑卷曲状态研究是以生产生活中的实际问题为载体,可以为物理专业大学生科创训练提供有价值的参考案例。如何使物理专业大学生在物理学习中突破思维定式的影响,提高理论推导和实验研究的能力,并提高学生解决综合、复杂、真实物理问题的能力,是在其科创训练工作中迫切需要解决的问题[8]。大学与中学相比物理学习最显著的差异,其实并不全在于知识内容的拓展加深,还在于学习过程需要具有研究性,需要从生产生活的观察中自主地提出问题,在科学探究中解决问题;通过提高物理实验的趣味性、应用性和挑战度,可以促进其实践能力和创新能力培养[9]。