高速切削锯齿形切屑形成机理的研究现状与发展_杨奇彪

(a) 不连续切屑
( b) 波浪形切屑
( c) 有积屑瘤的切屑
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( d) 锯齿形切屑 图 4 周期性切屑[ 19]
Sutter 和 Molinari[ 20] 通过实验观察, 将切屑分为 带状切屑、波纹状切屑和锯齿形切屑。其中带状切 屑又分为有剪切带的带状切屑和无剪切带的带状切 屑; 波纹状切屑分为有剪切带的波纹状切屑和无剪 切带的波纹状切屑; 锯齿形切屑也分为有剪切带的 锯齿形切屑和无剪切带的锯齿形切屑, 具体分类如 图 5 所示。
与普通切削相比, 高速切削单位时间材料去除 率明显提高, 加工成本降低[ 2] ; 随着切削速 度的提 高, 切削力随之减小, 平均可减小 30% 以上[ 3] ; 由于 切屑的排出速度较高, 带走了大量的切削 热( 大约 90% 左右) , 因而传给工件的热量大幅减少, 有利于 减少工件的内应力和热变形, 提高加工精度[ 4] ; 而 且高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的 固有频率, 不会造成工艺系统的受迫振动, 保证了良 好的加工状态, 大大降低了加工表面粗糙度[ 5] 。
步分为三种类型, 如图 3 所示: 图 a 表 示剪切区很 窄, 可视为线性剪切区; 图 b 表示剪切区为扇形剪切 区; 这两种切屑形态均发生在使用锋利刀具( 忽略刃 口圆弧半径) 时。图 c 为刃口圆弧半径较大时的剪 切区情况。周期性切屑进一步分为四种: 不连续切 屑、波浪形切屑、有积屑瘤的切屑和锯齿形切屑[ 19] , 如图 4 所示。不连续切屑是指由于刀刃附近的拉伸 裂纹导致剪切区的剪切失效, 破裂方向与工件自由 表面成 45 , 如图 4a 所示; 由于振动使得切屑的切削 厚度发生周期性变化或者由于切屑沿刀具前刀面速 度的周期性变化导致剪切角周期性变化形成波浪形 切屑, 如图 4b 所示; 图 4c 所示为有积屑瘤的切屑, 切屑与刀具前刀面的粘结逐渐产生的积屑瘤会部分 替代刀具的作用来进行切削, 由于积屑瘤的大小和 形状的循环改变, 切削厚度周期性变化, 使得已加工 表面粗糙度增加; 图 4d 为锯齿形切屑。
3. 1 绝热剪切理论 K lamecki[ 22] 基 于 绝 热 剪 切 理 论, 以 Mer chant[ 23, 24] 的剪切面应在单位切削体积的能量消耗 为最小的方向上这一原理为依据, 得出: 锯齿形切屑 是因为剪切面上的总变形量突变和剪切角的突变而 产生的。 Turley 和 Doyle[ 25] 研究钛合金时认为: 锯齿形切 屑的形成分为 4 个阶段, 具体形成过程如图 6 所示: ( 1) 刀具向前运动, 首先在剪切带 AB 上靠近切削刃 的AA 处形成微小裂纹, 如图 6a 所示; ( 2) 随着刀具 向前运动沿着 A B 发生了绝热剪切失稳, 刀具向前 运动, 切屑从微小裂纹处与已加工表面分离, 开始形 成绝热剪切带, 同时均匀剪切的切屑单元开始形成, 如图 6b 所示; ( 3) 刀具继续向前运动, 新的切屑单元 慢慢形成, 如图 6c 所示; ( 4) 最后, 一个均匀剪切的 切屑单元完全形成, 一个新的剪切带( 虚线部分) 开 始形成同时绝热剪切失稳在两切屑单元之间产生, 如图 6d 所示。
绝热剪切( 又称剪切局部化, 突变性热塑剪切) 是材料在高应变率变性条件下塑性变形局部化的一 种常见现象, 普遍存在于爆炸复合、高速撞击、侵彻、 高速撞击、冲孔、切削、高速成型、冲蚀等涉及冲击载 荷的高速变形过程中。 绝热 是指由于应变速率很 高, 由塑性功转化而来的热量来不及散失而将其过 程近似地认为是一个绝热过程。由于此时大的剪切 变形高度集中在一个相对狭小的区域内, 变形过程 中塑性功转化的热量引起材料局部温升, 导致材料 热软化, 当热软化效应占优势时, 材料就会发生热粘
高, 容易形成锯齿形切屑, 从而使断屑容易; 但由于 切屑锯齿化而产生的切削力波动会引起刀具系统的 振动和工件已加工表面质量的恶化, 同时会加剧刀 具的磨损或破损。研究高速切削时锯齿形切屑的形 成机理有助于正确认识高速切削过程本质, 进而制 定合理的高速切削工艺, 提高切削效率, 保证零件加 工表面质量、降低刀具的磨损 或破损、提高刀具寿 命。因此, 研究高速切削下的锯齿形切屑产生机理 具有重要的意义, 本文通过综合国内外大量文献, 对 高速切削的切屑形态、锯齿形切屑的形成机理等进 行讨论, 以期促进高速切削的推广应用。
Keywords: high speed machining ; serrated chip; chip formation; chip classification
1 引言
切削加工是机械制造业应用最广泛的加工方法 之一, 大力提高切削加工的生产效率和质量, 降低生 产成本, 对适应机械制造业新的发展, 促进国民经济 和社会发展及国防建设有着极其重要的意义, 为适 应高 效、高 精 度加 工 需求, 高速 切削 加 工应 运 而 生[ 1] 。高速切削是加工技术的发展方向, 具有广阔 的应用前景。
Abstract: T he mechanism of serrated chip formation in high speed machining is outlined. Summarize the classification of chip styles in high speed cutting and compare similarities and differences between the two theories: adiabatic shear theory ( AST) and periodic brittle theory ( PBT ) . AST is applied to plastic materials, or brittle materials which are converted to plastic material due to coupler of force thermo chemical in the cutting process, and PBT is applies to brittle materials. The main difference be tween the two theories is that before the material in the chip free surface is damaged whether a large shear zone deformation is pro duced or not. Point out the deficiency of study on the mechanism of serrated chip formation and the development of this field.
综述文 献资料 表明[ 6- 15] : 随 着切削 速度的 提
基 金 项 目: 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 50975162、50935003、 50828501) ; 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 ( 973 计 划 2009CB724401) ; 山东省自然科学杰出青年基金资助项目( JQ200918) 收稿日期: 2010 年 10 月
塑性本构失稳, 形成绝热剪切带。绝热剪切带( Adi abatic Shear Band, ASB) 是一个剪切变形高度局部化 的窄带形区域, 宽度一般为 102 m 量级, 在 ASB 内 可以产生 101- 102量级的剪应变, 应变率可高达 105 - 107s- 1, 温升可达 102- 103K, 而且周围存在大量相 对温度较低的基体, 因此 ASB 内的材料还要经受极 快的冷却速率( > 105K / s) [ 21] 。
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高速切削锯齿形切屑形成机理的研究现状与发展
杨奇彪, 刘战强, 苏国胜
山东大学; 高效洁净机械制造教育部重点实验室( 山东大学)
摘要: 概述高速切削锯齿形切屑的 形成机 理, 总结 高速切 削切 屑形 态的分 类, 分析 锯齿形 切屑 形成的 两大 理
论: 绝热剪切理论和周期性断裂理论, 并对两种理论进行比较, 认为 绝热剪切理论适用于塑 性材料或 者是在切削 过
( a) 锋利刀刃线性剪切区
( b) 锋利刀刃扇形剪切区
型切屑
型切屑
( c) 不锋利刀刃扇形剪切区 图 3 稳定状态的连续性切屑[ 18]
图2
型切屑 、 、 型切屑[ 17]
Shaw 等人[ 18] 将切屑分为两大类: 稳定状态的连 续性切屑和周期性切屑。稳定状态的连续性切屑是 指发生了集中剪切但只在剪切区有塑性流动, 经过 剪切区之后再没有塑性变形形成的切屑, 可以进一
( a) 无剪切带的带状切屑
( b) 有剪切带的带状切屑
( c) 无剪切带的波纹状切屑
( d) 有剪切带的波纹状切屑
( e) 无剪切带的锯齿形切屑
( f) 有剪切带的锯齿形切屑
图 5 切屑形态的分类[ 20]
3 高速切削锯齿形切屑的形成机理
锯齿形切屑的形成机理归纳起来大体 上有两 种: 绝热剪切理论和周期性断裂理论。
程中由于力热 化学耦合作用而转化为塑性材料的脆性材 料, 周期性 断裂理论 适用于 脆性材 料, 两 种理论 的主要 区
别在 于在材料自由表ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ产生破坏之前剪切区是否产生 了大的 变形。指出 锯齿形 切屑形 成机理研 究的不 足并对 该
领域的发展提出自己的观点。
关键词: 高速切削; 锯齿形切屑; 切屑形成; 切屑分类
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工 具技 术
(a) 连续型切屑
( b)连续有积屑瘤切屑
( c) 不连续切屑 图 1 Ernst 的切屑分类图[ 16]
Lemaire 和 Backofen[ 17] 通过正交切削 Fe - 18. 5 Ni- 0. 5 回火马氏体钢观察切屑组织结构时, 根据 切屑形成原因的不同, 将不连续切屑分为三类( 如图 2 所示) : 型切屑是指切屑没有形成新的组织, 从 靠近刀尖的区域开始出现不规则的裂纹导致 型切 屑的形成; 型切屑是指切屑从靠近刀尖开始断裂, 逐渐延伸到第一变形区而产生的切屑, 切屑在产生 过程中沿着第一变形区出现奥氏体( 出现新的组织, 发生了相变) 的窄带; 型切屑是指切屑直接在第一 变形区产生剪切而形成有绝热剪切带的切屑。
2 高速切削的切屑形态分类
Ernst [ 16] 最早将切屑分为三类: 连续型切屑、连 续有积屑瘤切屑和不连续切屑。连续型切屑是在切 削过程中应变、应变率和温度都保持稳定的无振动 条件下产生的切屑, 如图 1a 所示; 连续有积屑瘤切 屑是由于动态平衡系统存在一个停滞区域造成的, 如图 1b 所示; 不连续切屑产生了周期性的振动, 如 图 1c 所示。
绝热剪切理论( Adiabat ic Shear Theory) 又称为突 变性热塑剪切理论( Catastrophic Thermo- plast ic Shear Theory) 。在金属切削过程中, 由于材料绝热剪切导 致产生的失稳有两层含义: 一是从力学上进行分析 剪切区材料内部在瞬间受力不平衡即内切应力达到 了材料的抗剪强度而产生了破坏; 二是从加工过程 中的状态来看, 此时剪切区处于不稳定状态, 这两者 并不矛盾, 后续的失稳判据都是以这两种情况为基 础的。周期性断裂理论( Periodic Britt le Fracture The ory) 认为材料在加工过程中形成锯齿形切屑是由于 在剪切区外侧自由表面产生了裂纹而导致锯齿形切 屑的形成。
中图分类号: TG506
文献标志码: A
Current Situation and Development of Mechanism of Serrated Chip Formation in High Speed Machining
Yang Qibiao, Liu Zhanqiang, Su Guosheng