切削速度对锯齿形切屑形成的影响规律.pdf

年 月第 卷 第 期机床与液压 ：本文引用格式：张浩，孙非瑀，沈号伦，等切削速度对锯齿形切屑形成的影响规律机床与液压，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）；沈阳理工大学国防科技创新团队培育建设计划资助项目（）作者简介：张浩（），男，硕士研究生，研究方向为切削理论与先进制造技术。：。通信作者：李金泉（），男，教授，研究方向为切削理论与先进制造技术。：。切削速度对锯齿形切屑形成的影响规律张浩，孙非瑀，沈号伦，李金泉（沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳）摘要：为研究 切削加工过程中切削速度对锯齿形切屑破坏程度的影响，对 进行单因素切削试验，分析 的动态行为，并进行有限元仿真，进一步探究锯齿形切屑影响因素以及切屑与切削速度之间的联系。结果表明：在 切削过程中，随着切削速度的提高，切屑的锯齿状越来越明显；通过数值计算得出，的能量势垒随着切削速度增大而降低，而绝热剪切带内部应力、应变随着切削速度提高而增大，切削速度越高越容易形成锯齿形切屑。关键词：高速切削；本构关系；锯齿形切屑；有限元仿真中图分类号：，（，）：，：；前言高速切削加工技术切削速度更快，加工更高效。在切削过程中，较高的速度容易引起刀具损伤破坏，当切削受到高冲击时，容易出现绝热剪切现象，导致切屑锯齿化，引起较高的刀具振动，影响表面质量。因此，研究锯齿形切屑的影响因素具有重要意义。学者对于形成锯齿形切屑的原因有 种看法。提出了绝热剪切理论，在材料切削过程中内部温度上升，在高应变条件下，形成绝热剪切带。和 经过研究发现，提出了不同的周期性断裂理论：锯齿形切屑的形成与热塑性失稳有关，热塑性失稳形成的原因为切削层表层细微的裂纹，这些裂纹逐步扩张，导致几何稳定性失效。王敏杰等得出锯齿形切屑的形成与材料有一定的关系，研究发现，回火硬度的高低与锯齿形状有密切关系。等通过使用不同表面织构刀具进行切削，结果表明凸点织构刀具相比无织构刀具切削时能够减小弯曲半径，更容易产生锯齿切屑。林伟、杨凤双对钛合金锯齿形切屑形成进行有限元仿真，发现较低的切削用量条件下产生锯齿状切屑，并呈周期性断裂。李金泉等对比钛合金 材料与工业纯钛 材料发现，锯齿化程度与绝热剪切敏感性有关，敏感性越强，锯齿形切屑越容易产生。综上所述，学者们对锯齿形切屑的形成原因与机制研究取得了广泛的成果，但对切削速度与切屑锯齿化程度关系的研究还未完善。本文作者通过对 进行单因素车削试验及有限元分析，进一步揭示切削速度对切屑形态的影响，分析产生锯齿形切屑的原因及锯齿形切屑对工件产生的破坏。车削试验试验选用直径为 、长度为 的 棒料。化学成分见表，材料性能参数见表。表 的化学成分 成分含量成分含量余量表 的性能参数 参数数值密度（）屈服强度 抗拉强度 比热容（）热软化系数 热导率（）熔点 热扩散率（）此次试验采用 机床，刀具选择 涂层刀片（型号为），涂层刀具可明显减轻刀具损耗，增加使用寿命，刀片能够满足精加工需求，配套使用型号为 刀杆。该刀具的前角为，后角为，主偏角为，刃倾角为。车削试验采用正交切削方式。为研究切削速度与锯齿形切屑之间对应关系，固定进给量为 ，背吃刀量为 ，选择不同切削速度 、进行试验。结果讨论与分析 车削试验结果分析在进给量 、背吃刀量 不改变情况下，随速度变化的切屑形态如图 所示。在速度 和 时未发现有绝热剪切现象，切屑为带状，但切屑外表面有模糊的且微小的锯齿形状；当 时切屑的锯齿状开始变明显，但锯齿尺寸较小且不均匀；当切削速度 时，锯齿形状明显，尺寸增大，齿形也更平均；时，锯齿状突出，剪切带出现断裂现象。可以看出：切削速度不断提高，切屑将由带状转为锯齿状，锯齿尺寸不断增大。当锯齿化达到一定的程度时，锯齿间会出现断裂。图 随速度变化的切屑形态 ：（）；（）；（）；（）；（）；（）产生上述现象的原因是：工件变形程度与工件变形区总功随着切削速度的加快而增大，变形区温度也随之提高，流失的热量相对较少，剪切带区域的温度升高，致使 产生热软化现象，形成绝热剪切带，出现锯齿形切屑。实际高速切削加工时，应变率非常大，处于第一变形区的材料应变大，会产生硬化现象和塑性功。塑性功进一步产生大量热量，不能及时散发，切削温度急剧增大，造成局部热软化现象。而当这种现象超过应变硬化现象时，容易形成剪切带。当塑性功积聚时，达到剪切带所能承受的最大能量，突破材料能量势垒，形成绝热剪切带。在此过程中，切屑出现损伤破坏，释放能量，在能量累积与释放的过程不断循环时，便会形成连续的锯齿形切屑。根据参考文献中形成单位面积剪切带所需的能量势垒公式：（）（）其中：、和分别为材料密度、比热容和热扩机床与液压第 卷散系数，（），为热导率；为剪切应力；为剪切带厚度；为切削厚度；为剪切角；为刀具前角；为切削速度。能量势垒越小，越容易产生绝热剪切带，出现锯齿形切屑。能量势垒与切削速度有关，结合表 及公式（）得到此次试验不同切削参数下 的能量势垒数据，见表。可以看出：能量势垒随着切削速度的增大而减小。所以随着切削速度增大，能量势垒减小，更容易形成锯齿形切屑。表 的能量势垒 切削速度（）进给量（）背吃刀量 能量势垒（）有限元仿真分析为了探讨锯齿形切屑的形成影响因素，进行有限元模拟。在有限元模拟过程中，被加工工件尺寸为 。将工件分为三部分：最上边为切削层，其厚度为 ；其次是分离层，其厚度为切削层厚度的；还有一部分为基体层。工件划分为 个四边形网格，刀具划分为 个三角形网格。为减小仿真复杂程度，刀具的网格划分由密到疏，其中刀尖部分网格划分最密。刀具前角为，刀具后角为，尺寸为 。该二维正交切削模型见图。图 正交切削有限元模型 材料的本构模型是材料本身所固有的属性，（）模型结构简单，且满足大多数金属材料的动态力学性能，得到了广泛应用。该模型能够将应变、应变率以及温度很好地综合到一起，合理地描述材料塑性变形各影响因素之间关系，分析材料的动态力学行为。模型表达式：（）（）其中：为等效应力；为等效应变；为参考应变率；为等效应变率；为参考温度；为熔点温度；、均为材料常数。作者团队在前期工作中已根据试验拟合出本构参数，具体数值参见表。表 的 模型参数 参数值 图、图 分别为切削仿真应力、应变云图。刀具的切削速度分别为 、和 ，进给量为 ，背吃刀量为 。由图 和图 可以看出：应力主要集中在锯齿形切屑的根部区域，应变在刀尖与材料接触的区域内较大。切削仿真应力应变结果见表，可以看出：切削过程中，绝热剪切带内部的应力与应变均随着切削速度的增大而增大，但增大的程度逐渐降低。伴随着切削速度的提高，塑性变形加剧，产生的热量随之增多，导热性较差，热量向外界传递的能力较差，只有较少的热量被传递到刀具和工件，大多热量都被切屑吸收，从而出现热软化现象，当达到绝热剪切条件后，材料内出现剪切滑移现象。测量出锯齿间距可以看出（如图 所示）：切削速度由 增大到 时，锯齿形切屑的间距也随之增大，依次为、。由于工件表层的压应力由残余拉应力变化而来，且逐渐延伸到工件内，测量工件切削表面应力层的厚度（如图 所示）可以发现：应力层厚度随着切削速度的提高也逐渐增大，但增大的幅度较小，仅由 增大到 。因此当应力、应变达到剪切滑移条件后可形成锯齿形切屑，并随滑移强度的增强，锯齿状也更清晰，说明应力和应变对锯齿形切屑的形成具有一定的影响。第 期张浩 等：切削速度对锯齿形切屑形成的影响规律 图 仿真应力云图 ：（）；（）；（）；（）；（）图 仿真应变云图 ：（）；（）；（）；（）；（）表 应力应变仿真结果 速度（）应力 应变 结论（）切削试验分析得出，切削速度增大，切屑逐渐出现锯齿化，并随速度提高锯齿化现象更明显。经计算，的能量势垒随着切削速度的增大而降低，能量势垒越低，承受能量的上限越小，容易造成剪切破坏，导致切屑出现锯齿化现象。（）由仿真结果可知，应力和应变对锯齿形切屑的形成具有一定的影响。随着切削速度增大，塑性变形更加明显，切削表层应力应变也增大，滑移现象加剧，切屑锯齿化程度提高。参考文献：徐九华钛合金切削磨削加工技术研究进展金刚石机床与液压第 卷与磨料磨具工程，（）：，（）：姚远切削参数对高速切削钛合金刀具磨损的影响机械设计与制造，（）：，（）：孙杰，国凯，杨斌钛合金航空结构件加工刀具与工艺技术研究现状航空制造技术，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：王敏杰，段春争，刘洪波正交切削切屑形成中绝热剪切行为的实验研究中国机械工程，（）：，（）：，：林伟，杨凤双 刀具高速切削钛合金 切屑形态研究组合机床与自动化加工技术，（）：，（）：李金泉，徐碧聪，靳硕学，等不同合金元素对钛合金绝热剪切敏感性的影响机理中国科学：技术科学，（）：，（），（）：谷丽瑶，王敏杰，孙传俊高速切削过程绝热剪切局部化断裂的特性试验机械工程学报，（）：，（）：，（）：，：李卫国，邵家兴，寇海波，等材料高温力学性能理论表征方法研究进展固体力学学报，（）：，（）：第 期张浩 等：切削速度对锯齿形切屑形成的影响规律