高速切削机理

1
以切屑分类为基础，通 过大量的切削试验，建立 切屑折断数据库，与具体 的加工状况一一对应，以 达到切屑形状估计的目的。 这种方法的缺点是切削 试验工作量大、费时费力， 当新的工况出现时需要重 新做试验。
2
运用有限元分析 （FEM）技术对切削过 程中的塑性变形，以及 力、热过程进行建模分 析来判断何时切屑折断。 因为切削过程的复杂 性，这种方法目前还没 有达到实用化程度，尤 其是对实际生产中的三 维切削问题尚不能产生 一般性的结果。
形成切屑的两种理论综述
绝热剪切理论适用于 解释塑性材料或者是 在切削过程中转化为 塑性材料的脆性材料 形成的锯齿形切屑， 而周期脆性断裂理论 适用于解释脆性材料 的切屑形成。 总之，到目前为止， 对锯齿形切屑的形成 机理还未形成统一的 认识，争论的焦点主 要集中在到底是热塑 性失稳导致的集中剪 切，还是裂纹诱发几 何失稳导致的集中剪 切现象
3
基于对切屑形成机理 的分析，运用试验设计 技术建立切屑形成和折 断的数学模型和计算机 仿真，进行切屑形状和 折断的判断。 其结果具有一定的可 外延性。
二.高速切削加工的切削力学
切削力小，在高速铣削加工中，采用小切削量、 高切削速度的切削形式，使切削力比常规切削降 低30％ ，尤其是主轴轴承、刀具、工件受到的 径向切削力大幅度减少。既减轻刀具磨损，又有 效控制了系统的振动，有利于提高加工精度。
2.刀具前角对切削力的影响
不同刀具前角下切削 AISI4340淬硬钢，其 平均切削力值及变化趋 势如表2、右图所示。 随着刀具前角的增大， 切屑厚度压缩比减小， 即变形抗力减小所致， 因此平均切削力都呈下 降趋势。且刀具前角对 切深抗力F 的影响比对 主切削力F 的影响要大 得多。切深抗力F 的下 降值约为前角每增大1º ， 切削力约降低3 ％。
3. 高速切削中切屑形成的机理
高速切削中形成的 锯齿形切屑的解释
绝热剪切理论 (Adiabatic Shear Theory） )
周期脆性断裂理 论 (Periodic Brittle Fracture Theory)
（1）.绝热剪切理论
1954 年Shaw 在切削钛合金时首次发现锯齿 形切屑, 并在同年提出, 导致锯齿形切屑的根源可 能是绝热剪切, 这是首次将绝热剪切与锯齿形切 屑联系在一起。 以上是早期的研究成果。随后, 1981- 1982 年,Komanduri 及其合作者在对钛合金和高强 度钢的切屑形成过程进行了研究，提出一个锯齿 形切屑形成的两阶段模型
（2）.周期脆性断裂理论
周期性断裂理论认为锯齿状切 屑形成是由于从工件自由表面 向切削刃扩展一定距离的周期 性整体断裂造成的。M. C. Shaw对Ti6Al4V进行快停切 削试验发现,一个锯齿状切屑单 元可以分为整体断裂区和裂纹 呈不连续分布的微裂纹区,如图 所示。该理论认为锯齿切屑形 成的机理是断裂力学。由于待 加工表面是不光滑的,而是由一 些微观的隆起、裂纹以及空穴 等组成的粗糙表面,在切削加工 过程中,压应力会引起表面内部 材料的流动,导致自由表面由于 工件脆性而形成裂纹。随刀具 前进,裂纹向切削刃不断扩展,但 由于刀尖附近压应力较大,扩展 裂纹受到抑制,所以在刀尖附近 形成微裂纹。
AISI4340淬硬钢高速切削过程中切屑形成
c．刀具继续向前推 进，工件自由表面 破裂速度加快，切 削层在接近刀尖的 前刀面处破裂，同 时向工件表面扩展， 最终两者会合，形 成不连续状单元切 屑，如图c、图d所 示。
AISI4340淬硬钢高速切削过程中切屑形成
AISI434O淬硬钢，它是一种硬度较高和低热物 理特性材料，因此很容易形成不连续状切屑，与 理论也很吻合。 另外，刀具前刀面首先破裂也是生成此种切屑的 一个主要原因。这种不连续状切屑将不断地重复 上述3个阶段，不断地产生切屑，是周期性的变 化过程。
LOGO
四.高速切削机理
Contents
高速切削加工理论基础及其切 屑形成的研究
高速切削加工中切削力的研究 高速切削加工中切削热和切削 温度的研究 高速切削机理的研究现状及其 发展趋势
3 1 2 3 4
一.高速切削加工的理论基础
1931年4月德国物理学家CarlJ．SMoman最 早提出了高速切削(High Speed Cutting)的理 论： 在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速 度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之 后，切削温度不但不会升高反而会降低，且该 切削速度V 与工件材料的种类有关。 对于每一种工件材料都存在—个速度范围，在 该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料 无法承受，切削加工不可能进行。要是能越过 这个速度范围，高速切削将成为可能，从而大 幅度地提高生产效率。
绝热剪切
绝热剪切的发生是锯齿形切屑的根本原因，切削 速度和进给量在剪切发生失稳中起着重要作用。 虽然，高速切削产生的绝热剪切带增加了刀具磨 损，影响已加工表面质量；但是，绝热剪切带形 成易于断屑，利于自动化加工。
（2）.周期脆性断裂理论
切削时先从切屑自由表面产生裂纹，并不断向刀 尖扩展，在下一个裂纹产生时，前一个裂纹扩展 停止，依次周期性产生，最终形成锯齿形切屑。 即锯齿形切屑的形成是由从切屑自由表面向切削 刃扩展约一半距离的周期性整体断裂造成的。
1.不同背吃刀量情况下切削力
不同背吃刀量情况下切削力 的值及变化规律分别如表1、 右图所示。右图中，在背吃 刀量不断增加时，平均切削 力都呈上升趋势，且背吃刀 量的增加对主切削力F 的影 响要比对切深抗力F 的影响 要明显。当背吃刀量增加一 倍时，切削力约增加一倍。 这是因为，切削时随着背吃 刀量的增大，剪切角逐步减 小，而从切削力的计算公式 可以得知，随着剪切角的减 小，切削力会逐步增大，同 时剪切角的大小也代表了切 屑变形的程度，所以切削的 变形程度会随着背吃刀量的 增加而逐步增加。
1.高速切削加工切屑形成特征
每个分节基本保持一定的厚度, 切屑在前刀面积 累过程中由于刀具推挤作用而使切屑均匀增厚。 锯齿在分节后沿前刀面和剪切面向上滑移的过程 中, 集中剪切面基本保持一个角度位置, 即分节 的前后面间保持平行, 剪切角被保留了下来。 切屑分节自由表面基本保持了原来的长度, 没有 出现明显的变形。
锯齿状切屑的剪切集中形成机理
第一阶段，主要是主剪 切区域5的应变集中和 剪切失稳,难加工材料在 切削条件下由于应变集 中的作用,导致主剪切区 域热软化效应大于应变 强化效应,使该区域继续 变形的应力降低,从而在 主剪切平面持续产生变 形,使变形进一步集中。 第二阶段,随着刀具的前 进, 3和4处产生强烈剪 切,而1处几乎没有变形 产生,导致处于主剪切区 域5上面的工件材料呈 楔块状向上向前移动,当 前进到一定程Βιβλιοθήκη Baidu,由于强 剪切作用,当前楔块与上 一楔块接触面迅速减小, 从而形成锯齿状切屑。
5.高速切削断屑机理及预报系统的研究
现代世界上很多机械制造行业的发展方向是自动 化、无人化，即实现计算机控制。实现这些理想 的机械制造过程的关键问题之一就是切屑处理问 题。 高速切削时，特别是自动化加工中，长的连绵不 断的带状切屑，连续不断并缠绕于刀具、工件、 刀架上，损坏工件和刀具表面，伤害操作者，不 得不停车，无法正常切削，甚至损坏机床。周期 性的锯齿状或者单元切屑，会造成高速切削力的 高频变化，从而影响加工精度与表面粗糙度和刀 具寿命。因此，分析研究高速切削时的切屑形成 特征具有重要的意义
锯齿形切屑描述图
切屑形成分析————举例
AISI4340淬硬钢高速切削过程中 切屑形成
AISI4340淬硬钢高速切削过程中切屑形成
a．刀具挤压切削层到 一定程度时，切削层 网格首先在接近刀尖 的前刀面处形成局部 塑性变形继而发生破 裂，如图a所示
AISI4340淬硬钢高速切削过程中切屑形成
b．随着切削的进行， 刀具继续挤压、剪切 切削层，切削层表面 处所受应力增大很快， 材料在该区域形成较 大的塑性变形，随着 塑性变形增大，工件 在此处发生破裂，如 图b所示
切削加工中切屑的形成和折断是非常复杂的过程， 有诸多不同的影响因素。屑的可断性是受很多因 素影响的复杂物理现象，当刀片槽型相当复杂且 在不同的切削条件下切削时，预测切屑折断就更 加复杂。因此有必要建立切削试验数据库系统， 并采用以知识为基础的系统分析方法来预报切屑 的折断过程。
对切屑折断预报的研究方法
（1）.高速切削断屑机理
切屑折断的方法很多，例如采用具有一定几何参 数的刀具、断屑槽、断屑器，在工件上预置沟槽、 断续进给，也可采用振动切削、电腐蚀、特殊装 置以及高压喷射液体等方法进行断屑。但是直到 目前为止，除了个别情况外，在生产上广泛应用 的仍然是断屑槽断屑，因为它简单易行，使用可 靠
（2）.高速切削预报系统
4.切屑变形的基本关系
切削速度： 切削塑性金属材料时， 切削速度对切削变形的影响呈波浪形 进给量： 进给量增大，则切削厚度增大， 切削变形减小，变形因数减小
切削用量对切屑 变形的影响
背吃刀量： 对切屑变形的影响较小
4.切屑变形的基本关系
切屑卷曲 切屑沿刀具前面流出的过 程中，受到前面的挤压和 摩擦而进一步变形，使得 切屑底部被挤而伸长，切 屑背面相对缩短，切屑就 自然会逆时针卷曲。 折断机理 如果刀具的前角较小，则 切屑流出过程中受到的挤 压和摩擦变大，切屑就会 卷得更紧。切屑卷曲过程 中，若切屑中的弯曲应力 达到材料的弯曲强度极限， 则切屑就会自行折断。
2.切削速度对切屑形成的影响
不同切削速 度下的切屑 形态 (γº=﹣8º , ac=0.27m m)
切屑锯齿化
计算切屑锯齿化
随着切削速度的提高，切屑 的锯齿化现象越来越严重。 为了表征锯齿形切屑的锯齿 化程度，一些科学家提出， 用式 G =(hl—h2)／hl来描述切 屑的锯齿化程度（上式中， G为切屑锯齿化程度，h1为 切屑最大厚度，h2为切屑连 续部分的高度） 随着切削速度和进给量的增 加，G 逐渐增大，表明切屑 锯齿化程度越来越严重。
绝热剪切带
一种是形变带，带内 另一种是转变带，带 经历了大塑性变形的 内经历了组织相变， 回火马氏体组织，其 硬度来自相变硬化并 硬度来源于加工硬化， 且高于形变带，不受 并且硬度随着切削速 切削速度影响，转变 度的变化而受影响； 带中心区形成时发生 了动态再结晶，形成 了尺寸为50— 100nm的等轴晶体
萨洛蒙曲线
高速切削产生切屑
形成特征
切削速度 对其影响
断屑机理 及其预报
对切屑的研究
形成机理 及其过程
变形基本 关系
1.高速切削加工切屑形成特征
与传统切削加工相比， 高速切削加工在切屑 形成、切削力学、切 削热与切削温度、刀 具磨损与破损等方面 均有不同的特征。在 高速加工中，随着切 削速度的提高， 在切 削过程中会发生绝热 剪切，从而形成节状 切屑(锯齿形切屑)。
1.高速切削加工切屑形成特征
2.切削速度对切屑形成的影响
随着切削速度的不断提高，被加工材料在切削过 程中发生绝热剪切是必然的。 在高速切削过程中，随着切削条件的变化，许多 被加工材料，包括钛合金、镍基合金、钢类材料、 铝合金、复合材料和高聚物材料等，都会呈现含 有重复性绝热剪切带的节状切屑。
计算切屑锯齿化的微观分析图
切屑锯齿化
计算锯齿化程度
将锯齿形切屑简化为下图所 示的模型，用Ms来表征锯齿 形切屑的锯齿化程度，即 Ms =(A1-A2)/A2（式中， A1 为单个切屑的面积，A2 为切屑连续部分的面积。） Ms也被作为高速切削速度的 判据：Ms ≤0．5时，对应 的切削速度范围为普通切削； Ms >0．5时，对应的切削 速度范围为高速切削。
2.切削速度对切屑形成的影响
己经进行的实验结果表明，随着切削速度的提高， 切屑从带状切屑发展到锯齿形切屑，最后形成沿 绝热剪切带几乎完全分离的单元切屑。这是一个 包含形变剪切带的孕育和发展、形变剪切带向转 变剪切带转化、转变剪切带发展、直到裂纹沿剪 切带扩展而导致断裂等一系列阶段的应变率相关 过程。