高速切削鋸齒形切屑

高速切削中鋸齒狀切屑作者: 郝清龍學(xué)院: 機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)：機(jī)械自造及自動(dòng)化學(xué)號(hào)： 21104043老師：李曼 日期： 2010年4月7高速切削中鋸齒狀切屑郝清龍摘要:描述了高速切削中鋸齒狀切屑的幾何形態(tài)以及物理形態(tài)并且對(duì)高速切削鋸齒形切屑的形成機(jī)理概述，分析鋸齒形切屑形成的兩大理論:絕熱剪切理論和周期性斷裂理論，并對(duì)兩種理論進(jìn)行比較。分析了工件材料切削速度刀具角度等加工參數(shù)對(duì)于鋸齒狀切屑的影響。1前言高速切削技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)，是以高切削速度、高進(jìn)給速度和高加工精度為主要特性加工技術(shù)。目前，高速切削加工技術(shù)正日益成為切削加工的主流技術(shù)。高速加工技術(shù)是指用特定材料刀具和能可靠地實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的高精度、高自動(dòng)化、高柔性的機(jī)床，通過極大的提高切削速度來達(dá)到提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。在高速加工中隨著切削速度的提高，容易形成鋸齒形切屑。鋸齒形切屑的形成雖然使斷屑更容易，但由于切屑鋸齒化而產(chǎn)生的切削力波動(dòng)會(huì)引起刀具系統(tǒng)振動(dòng)，造成工件已加工表面質(zhì)量惡化,同時(shí)還會(huì)加劇刀具的磨損或破損。研究高速切削時(shí)鋸齒形切屑的形成機(jī)理及其表征有助于正確認(rèn)識(shí)高速切削過程的本質(zhì)，進(jìn)而制定合理的高速切削工藝,提高切削效率，保證零件加工表面質(zhì)量，減少刀具的磨損或破損,提高刀具壽命。因此，研究高速切削時(shí)鋸齒形切屑的形成及其表征具有重要意義2鋸齒狀切屑表征鋸齒形切屑是金屬高速切削時(shí)一種典型的切屑形態(tài),隨著切削速度的提高，大多數(shù)金屬將會(huì)逐漸產(chǎn)生鋸齒形切屑，鋸齒形切屑集中剪切帶處常常伴有斷裂現(xiàn)象，而且切削速度越高這種斷裂越明顯。鋸齒形切屑的產(chǎn)生與切削的速度和材料的物理機(jī)械性能有關(guān)。研究表明在以下兩種情況容易形成鋸齒形切屑:一是所謂的“難加工材料”即材質(zhì)硬（強(qiáng)度高）且熱物理性能差（KpC?。┑牟牧希诩庸に俣炔桓邥r(shí)容易形成鋸齒形切屑，如鈦合金在切削深度為0,1mm條件下當(dāng)切削速度小于1m/min時(shí)就能產(chǎn)生鋸齒形切屑;硬度為400BHN的鎳718在較低的切削速度61m/min時(shí)也產(chǎn)生了鋸齒形切屑;二是用較高的切削速度進(jìn)行切削加工時(shí)容易產(chǎn)生鋸齒形切屑。實(shí)踐證明在較高切削速度條件下大多數(shù)金屬材料都能產(chǎn)生鋸齒形切屑。2.1鋸齒狀切屑表征鋸齒形切屑的表征包括幾何表征和物理表征。幾何表征是指鋸齒形切屑產(chǎn)生后，切屑呈現(xiàn)的幾何形狀特征，包括切屑的宏觀形狀（鋸齒化程度）、鋸齒形切屑內(nèi)絕熱剪切帶的寬度、間距、頻率等;物理表征包括鋸齒形切屑的變形、顯微硬度、微觀組織結(jié)構(gòu)等。2.1.1鋸齒形切屑的幾何表征

對(duì)于連續(xù)型帶狀屑，通常使用變形系數(shù)或切削比來度量切屑變形程度。但由于鋸齒形切屑與帶狀切屑之間在變形機(jī)理上存在明顯區(qū)別，變形系數(shù)已經(jīng)不能表達(dá)鋸齒形切屑的變形。通常使用鋸齒化程度和齒距P來定量地表示鋸齒形切屑的變形。齒距P是相鄰兩齒對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的距離，其大小還可能與切削力的周期性波動(dòng)有關(guān)，因此有必要研究其受切削條件的影響規(guī)律。GS的定義如下:。Gs=H-h1)/H(1)Gs為切屑鋸齒化程度,H為切屑最大厚度,h2為切屑連續(xù)部分的高度。2.12鋸齒形切屑的物理表征鋸齒形切屑的物理表征是指對(duì)鋸齒形切屑單元內(nèi)部以及切屑之間的組織結(jié)構(gòu)、物理性能、切屑各部分的應(yīng)變、溫度分布等進(jìn)行的表征。目前,對(duì)鋸齒形切屑物理表征的研究?jī)?nèi)容主要包括鋸齒形切屑的應(yīng)變、鋸齒形切屑的顯微硬度、微觀組織結(jié)構(gòu)等。鋸齒形切屑的產(chǎn)生是由絕熱剪切引起的,剪切帶形成模型如圖2所示，剪切帶平均剪應(yīng)變l—l的表達(dá)式為Ysb=AE8bd由于絕熱剪切失穩(wěn)而引起的鋸齒形切屑內(nèi)部顯微硬度分布不均勻,絕熱剪切帶內(nèi)的微觀組織與剪切帶外的微觀組織明顯不同。絕熱剪切帶分為形變帶和轉(zhuǎn)變帶，由剪切帶中心向外顯微硬度逐漸降低，且剪切帶中心的顯微硬度高于其他部位的硬度，剪切帶的硬度高于基體材料的硬度，尤其是轉(zhuǎn)變帶的硬度比基體硬度高得多。在有些材料(30CrNi3MoV,AISI4340)的絕熱剪切帶內(nèi)觀察到有相變發(fā)生,而在另一些材料(Ti6Al4V[44])中并未觀察到這一現(xiàn)象。隨著切削速度升高，切屑的顯微硬度下降[47,48],絕熱剪切帶內(nèi)硬度分布不均是由于剪切區(qū)產(chǎn)生的高應(yīng)變和高溫使材料組織發(fā)生改變，導(dǎo)致各部位硬度出現(xiàn)差異，總的來說，高應(yīng)變區(qū)硬度〉低應(yīng)變區(qū)硬度＞基體材料硬度。3鋸齒狀切屑形成原理鋸齒形切屑的形成機(jī)理歸納起來大體上有兩種:絕熱剪切理論和周期性斷裂理論。絕熱剪切(又稱剪切局部化，突變性熱塑剪切)是材料在高應(yīng)變率變性條件下塑性變形局部化的一種常見現(xiàn)象，普遍存在于爆炸復(fù)合、高速撞擊、侵徹、高速撞擊、沖孔、切削、高速成型、沖蝕等涉及沖擊載荷的高速變形過程中?！敖^熱”是指由于應(yīng)變速率很高由塑性功轉(zhuǎn)化而來的熱量來不及散失而將其過程近似地認(rèn)為是一個(gè)絕熱過程。由于此時(shí)大的剪切變形高度集中在一個(gè)相對(duì)狹小的區(qū)域內(nèi)，變形過程中塑性功轉(zhuǎn)化的熱量引起材料局部溫升,導(dǎo)致材料熱軟化，當(dāng)熱軟化效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生熱粘塑性本構(gòu)失穩(wěn)，形成絕熱剪切帶。絕熱剪切帶(Adi-abaticShearBand,ASB)是一個(gè)剪切變形高度局部化的窄帶形區(qū)域，寬度一般為102以m量級(jí)，在ASB內(nèi)可以產(chǎn)生101-102量級(jí)的剪應(yīng)變，應(yīng)變率可高達(dá)105-107s-1，溫升可達(dá)102-103K，而且周圍存在大量相對(duì)溫度較低的基體，因此ASB內(nèi)的材料還要經(jīng)受極快的冷卻速率(>105K/s)[21]。絕熱剪切理論(AdiabaticShearTheory)又稱為突變性熱塑剪切理論(CatastrophicThermo-plasticShearTheory)。在金屬切削過程中，由于材料絕熱剪切導(dǎo)致產(chǎn)生的失穩(wěn)有兩層含義:一是從力學(xué)上進(jìn)行分析剪切區(qū)材料內(nèi)部在瞬間受力不平衡即內(nèi)切應(yīng)力達(dá)到了材料的抗剪強(qiáng)度而產(chǎn)生了破壞;二是從加工過程中的狀態(tài)來看，此時(shí)剪切區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài),這兩者并不矛盾，后續(xù)的失穩(wěn)判據(jù)都是以這兩種情況為基礎(chǔ)的。周期性斷裂理論(PeriodicBrittleFractureThe-ory)認(rèn)為材料在加工過程中形成鋸齒形切屑是由于在剪切區(qū)外側(cè)自由表面產(chǎn)生了裂紋而導(dǎo)致鋸齒形切屑的形成。3.1絕熱剪切理論Komanduri等最早提出用絕熱剪切理論來解釋高速硬態(tài)車削過程中鋸齒形切屑的形成原因，整個(gè)切屑形成過程分成兩個(gè)階段，在第一階段，剪切變形區(qū)窄帶內(nèi)的絕熱剪切失穩(wěn)和應(yīng)變局部化，導(dǎo)致了沿剪切面的突變性剪切斷裂；第二階段在刀具進(jìn)給的作用下，位于其前方的楔形工件材料隆起并形成切屑片段。Davies等提出鋸齒形切屑形成模型來支持Komanduri的理論。他們認(rèn)為，鋸齒形切屑開始形成時(shí)處于熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱產(chǎn)生速率三者的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)切削速度達(dá)到某一臨界值時(shí)，切屑內(nèi)局部應(yīng)力發(fā)生突變，使這種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)遭到破壞，從而產(chǎn)生鋸齒形切屑。愛爾蘭Dublin大學(xué)的BarryJ和ByrneG通過快速落刀實(shí)驗(yàn)和切屑試樣的冶金觀察的方法研究了硬態(tài)車削淬硬鋼BS817M40(與AISI4340材料性能相近)時(shí)鋸齒形切屑形成的機(jī)理。其研究結(jié)果表明，鋸齒形切屑形成是由于淬硬鋼切削過程中絕熱剪切作用的結(jié)果，其絕熱剪切帶起始于刀尖處，一直延伸到工件自由表面，見圖3。20pm圖3通過快速落刀實(shí)驗(yàn)得到的絕熱剪切帶3.2周期性脆斷理論Shaw和Vyas比較了切削厚度較大條件下鋸齒形狀切屑形成的各種機(jī)理，提出了周期脆性斷裂理論。他們認(rèn)為，鋸齒狀切屑的形成是由切屑從工件自由表面向切削刃擴(kuò)展的周期性整體斷裂造成的，且在一個(gè)整體斷裂區(qū)域形成以后，只有微裂紋區(qū)才會(huì)發(fā)生剪切失穩(wěn)。Konig等對(duì)車削淬硬鋼時(shí)鋸齒形切屑形成機(jī)理也提出了相似的理論，既基于擴(kuò)展的剪切應(yīng)力假設(shè)，來解釋鋸齒形切屑形成機(jī)理。法國(guó)國(guó)立高等工程技術(shù)學(xué)院（ENSAM）的PoulachonG等通過快速落刀實(shí)驗(yàn)研究了車削淬硬鋼100Cr6（與AISI52100材料性能相近）時(shí)鋸齒形切屑形成的機(jī)理，整個(gè)鋸齒形切屑形成的過程被分為了4個(gè)階段，如圖4所示。其研究結(jié)果表明，鋸齒形切屑的形成是由于淬硬鋼切削過程中周期脆性斷裂作用的結(jié)果，絕熱剪切帶起始于工件自由表面的初始裂紋處，隨著刀具的進(jìn)給一直延伸到切削刃。階段1 階段己 階段- 階段4圖4鋸齒形切屑形成階段大多數(shù)材料的延性（或者說脆性）會(huì)隨著變形速度的提高而降低（脆性增強(qiáng)材料的脆延性發(fā)生改變將直接導(dǎo)致鋸齒形切屑的形成機(jī)理發(fā)生改變。在某個(gè)切削速度下，材料塑性處于一個(gè)特定的位置（保留了一定的延性），當(dāng)切屑在前刀面積累到一定的程度后，沿整個(gè)剪切面將發(fā)生塑性剪切滑移,由于發(fā)生塑性剪切滑移的速度較快，少量的塑性變形后積累了大量的塑性變形熱，剪切區(qū)的溫升較高。熱軟化作用使得剪切面的剪切抗力下降，促使剪切變形進(jìn)一步在已形成的剪切面上集中而形成集中剪切帶，切屑在前刀面積累過程中少量變形的切屑（主要是擠壓變形且集中在刀尖一側(cè)）沿剪切面滑出后形成鋸齒 這便是鋸齒形切屑形成的熱塑性剪切失穩(wěn)（也常稱絕熱剪切失穩(wěn)）機(jī)理。隨著切削速度的進(jìn)一步提高，材料逐漸變脆，這時(shí)材料在失效前發(fā)生塑性變形很小，材料失效是以韌性斷裂的形式出現(xiàn)。當(dāng)切屑在前刀面積累到一定的程度后,由于刀具的推擠而在剪切面上產(chǎn)生的剪切力大于當(dāng)前材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度（隨變形速度變化）下整個(gè)剪切面的剪切抗力，于是已積累的切屑開始沿剪切面向外滑移，由于此時(shí)材料的延性已大大降低，在產(chǎn)生微量的塑性變形后就會(huì)在剪切帶內(nèi)靠近自由側(cè)產(chǎn)生微孔洞的形核、長(zhǎng)大、連接最后形成裂紋，整個(gè)剪切面的剪切抗力也隨之降低，這促使著剪切變形在剪切帶處進(jìn)一步集中。正如NakayamaK.所言,在自由表面處由于較小的凈水壓力,斷裂容易從那里發(fā)生［7］。但沿剪切面向內(nèi)（刀尖一側(cè)）剪切面上的凈水壓力會(huì)越來越大，材料的塑性也會(huì)越來越好，所以其內(nèi)部仍可保持熱塑性剪切失穩(wěn)的失效機(jī)理。隨著切削速度的進(jìn)一步提高，熱塑性剪切失穩(wěn)機(jī)理產(chǎn)生的集中剪切帶長(zhǎng)度會(huì)越來越短。隨著切削速度（變形速度）的提高，形成鋸齒形切屑的機(jī)理也在發(fā)生變化，這個(gè)變化的趨勢(shì)就是逐漸由熱塑性剪切失穩(wěn)機(jī)理向周期性斷裂機(jī)理過渡，隨切削速度的進(jìn)一步提高，切削鋸齒分節(jié)逐漸由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變;切削速度（變形速度）、材料動(dòng)態(tài)性能、散熱條件之間的動(dòng)態(tài)平衡將決定材料以何種機(jī)制失效。4加工工藝對(duì)切屑的影響4.1材料硬度對(duì)切屑形態(tài)和切屑變形的影響材料硬度越高，越容易產(chǎn)生鋸齒形切屑，切屑鋸齒化程度越高，齒距越小；材料硬度越高，剪切帶越易由形變帶發(fā)展為轉(zhuǎn)變帶。首先，材料的硬度越高，導(dǎo)熱系數(shù)就越低，熱特性越差，剪切變形在主剪切區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量集中化程度越高，使熱軟化效應(yīng)加劇。4.2刀具前角對(duì)切屑形態(tài)和切屑變形的影響刀具前角越小，越容易產(chǎn)生鋸齒形切屑，切屑鋸齒化程度越高，齒距越??；刀具前角越小，剪切帶越易由形變帶發(fā)展為轉(zhuǎn)變帶。因?yàn)榈毒咔敖菧p小，前刀面對(duì)工件材料的壓應(yīng)力增加，同時(shí)主剪切區(qū)內(nèi)剪應(yīng)變?cè)龃?，切削熱增多，切削溫度升高，絕熱剪切行為更加明顯，切屑變形程度增大。4.3切削速度對(duì)切屑形態(tài)和切屑變形的影響切削速度越高，越容易產(chǎn)生鋸齒形切屑，切屑鋸齒化程度越高，齒距越?。磺邢魉俣仍礁?，剪切帶越易由形變帶發(fā)展為轉(zhuǎn)變帶。這是因?yàn)橐环矫?，切削速度的增加?huì)使得應(yīng)變率增大；另一方面，單位時(shí)間內(nèi)金屬切除量成比例的增多會(huì)增大消耗的功，使切削熱增加。切削速度的提高使切屑變形時(shí)間變短，切削熱生成更快且不容易擴(kuò)散。這些變化都會(huì)加劇絕熱剪切，增大切屑變形程度。4.4切削厚度對(duì)切屑形態(tài)和切屑變形的影響切削厚度越大，切屑鋸齒化程度越大。這是由于切削厚度增大，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量不容易擴(kuò)散，材料失穩(wěn)時(shí)釋放的能量變大，切屑變形程度更高。兩組切削條件不同切削厚度下的齒距對(duì)比可以看出，切削厚度越大，齒距越大。這是由于切削厚度增大，切屑厚度也會(huì)隨之增大，進(jìn)而改變切屑的其它幾何尺寸5研究方向在高速切削過程中，由于工件受到熱軟化和加工硬化的作用，切屑不僅在幾何形狀上發(fā)生了變化,而且其物理性能也隨之改變。工件、刀具、切削用量等因素對(duì)鋸齒形切屑的形成具有至關(guān)重要的影響。由于鋸齒形切屑形成的復(fù)雜性,仍未完全研究透徹,以下幾方面仍然有待進(jìn)一步研究：鋸齒形切屑形成后,切屑內(nèi)部的變形分布不均勻。目前對(duì)其變形的表征還停留在鋸齒形切屑產(chǎn)生后再測(cè)量計(jì)算的階段，在切屑產(chǎn)生之前對(duì)其變形進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是今后的研究方向之一。鋸齒形切屑內(nèi)部的顯微硬度分布不均?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象的機(jī)理研究仍停留在猜測(cè)階段,需要深入研究這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。鋸齒形切屑內(nèi)產(chǎn)生絕熱剪切帶時(shí)，剪切帶內(nèi)部和外部的組織結(jié)構(gòu)明顯不同。仍需進(jìn)一步研究絕熱剪切帶的形成及斷裂演化機(jī)制。參考文獻(xiàn)艾興，等.高速切削加工技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003.楊奇彪，劉戰(zhàn)強(qiáng)，蘇國(guó)勝,張克國(guó).高速切削鋸齒形切屑表征的研究現(xiàn)狀綜述[J],工具技術(shù)，2011,45(5)：3-7.段春爭(zhēng)，王敏杰,李國(guó)和，蔡玉俊.高速切削鋸齒形切屑內(nèi)絕熱剪切帶微觀特征研究[J],爆炸與沖擊,2007,27(1):92-95.楊奇彪，劉戰(zhàn)強(qiáng),蘇國(guó)勝.高速切削鋸齒