高速切削機理

四.高速切削機理Contents高速切削加工中切削力的研究2高速切削機理的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢4高速切削加工中切削熱和切削溫度的研究33高速切削加工理論基礎(chǔ)及其切屑形成的研究31一.高速切削加工的理論根底1931年4月德國物理學(xué)家CarlJ．SMoman最早提出了高速切削(HighSpeedCutting)的理論：在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之后，切削溫度不但不會升高反而會降低，且該切削速度V與工件材料的種類有關(guān)。對于每一種工件材料都存在—個速度范圍，在該速度范圍內(nèi)，由于切削溫度過高，刀具材料無法承受，切削加工不可能進行。要是能越過這個速度范圍，高速切削將成為可能，從而大幅度地提高生產(chǎn)效率。薩洛蒙曲線

斷屑機理及其預(yù)報形成特征切削速度對其影響形成機理及其過程變形基本關(guān)系對切屑的研究高速切削產(chǎn)生切屑1.高速切削加工切屑形成特征與傳統(tǒng)切削加工相比，高速切削加工在切屑形成、切削力學(xué)、切削熱與切削溫度、刀具磨損與破損等方面均有不同的特征。在高速加工中，隨著切削速度的提高，在切削過程中會發(fā)生絕熱剪切，從而形成節(jié)狀切屑(鋸齒形切屑)。1.高速切削加工切屑形成特征每個分節(jié)根本保持一定的厚度,切屑在前刀面積累過程中由于刀具推擠作用而使切屑均勻增厚。鋸齒在分節(jié)后沿前刀面和剪切面向上滑移的過程中,集中剪切面根本保持一個角度位置,即分節(jié)的前后面間保持平行,剪切角被保存了下來。切屑分節(jié)自由外表根本保持了原來的長度,沒有出現(xiàn)明顯的變形。1.高速切削加工切屑形成特征2.切削速度對切屑形成的影響隨著切削速度的不斷提高，被加工材料在切削過程中發(fā)生絕熱剪切是必然的。在高速切削過程中，隨著切削條件的變化，許多被加工材料，包括鈦合金、鎳基合金、鋼類材料、鋁合金、復(fù)合材料和高聚物材料等，都會呈現(xiàn)含有重復(fù)性絕熱剪切帶的節(jié)狀切屑。2.切削速度對切屑形成的影響己經(jīng)進行的實驗結(jié)果說明，隨著切削速度的提高，切屑從帶狀切屑開展到鋸齒形切屑，最后形成沿絕熱剪切帶幾乎完全別離的單元切屑。這是一個包含形變剪切帶的孕育和開展、形變剪切帶向轉(zhuǎn)變剪切帶轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)變剪切帶開展、直到裂紋沿剪切帶擴展而導(dǎo)致斷裂等一系列階段的應(yīng)變率相關(guān)過程。2.切削速度對切屑形成的影響不同切削速度下的切屑形態(tài)(γo=﹣8o,ac=0.27mm)切屑鋸齒化計算切屑鋸齒化隨著切削速度的提高，切屑的鋸齒化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。為了表征鋸齒形切屑的鋸齒化程度，一些科學(xué)家提出，用式G=(hl—h2)／hl來描述切屑的鋸齒化程度〔上式中，G為切屑鋸齒化程度，h1為切屑最大厚度，h2為切屑連續(xù)局部的高度〕隨著切削速度和進給量的增加，G逐漸增大，說明切屑鋸齒化程度越來越嚴(yán)重。計算切屑鋸齒化的微觀分析圖切屑鋸齒化計算鋸齒化程度將鋸齒形切屑簡化為以下圖所示的模型，用Ms來表征鋸齒形切屑的鋸齒化程度，即Ms=(A1-A2)/A2〔式中，A1為單個切屑的面積，A2為切屑連續(xù)局部的面積?！矼s也被作為高速切削速度的判據(jù)：Ms≤0．5時，對應(yīng)的切削速度范圍為普通切削；Ms>0．5時，對應(yīng)的切削速度范圍為高速切削。鋸齒形切屑描述圖AISI4340淬硬鋼高速切削過程中切屑形成切屑形成分析————舉例AISI4340淬硬鋼高速切削過程中切屑形成

a．刀具擠壓切削層到一定程度時，切削層網(wǎng)格首先在接近刀尖的前刀面處形成局部塑性變形繼而發(fā)生破裂，如圖a所示AISI4340淬硬鋼高速切削過程中切屑形成b．隨著切削的進行，刀具繼續(xù)擠壓、剪切切削層，切削層外表處所受應(yīng)力增大很快，材料在該區(qū)域形成較大的塑性變形，隨著塑性變形增大，工件在此處發(fā)生破裂，如圖b所示AISI4340淬硬鋼高速切削過程中切屑形成c．刀具繼續(xù)向前推進，工件自由外表破裂速度加快，切削層在接近刀尖的前刀面處破裂，同時向工件外表擴展，最終兩者會合，形成不連續(xù)狀單元切屑，如圖c、圖d所示。AISI4340淬硬鋼高速切削過程中切屑形成AISI434O淬硬鋼，它是一種硬度較高和低熱物理特性材料，因此很容易形成不連續(xù)狀切屑，與理論也很吻合。另外，刀具前刀面首先破裂也是生成此種切屑的一個主要原因。這種不連續(xù)狀切屑將不斷地重復(fù)上述3個階段，不斷地產(chǎn)生切屑，是周期性的變化過程。3.

高速切削中切屑形成的機理絕熱剪切理論(AdiabaticShearTheory）)高速切削中形成的鋸齒形切屑的解釋周期脆性斷裂理論(PeriodicBrittleFractureTheory)〔1〕.絕熱剪切理論1954年Shaw在切削鈦合金時首次發(fā)現(xiàn)鋸齒形切屑,并在同年提出,導(dǎo)致鋸齒形切屑的根源可能是絕熱剪切,這是首次將絕熱剪切與鋸齒形切屑聯(lián)系在一起。以上是早期的研究成果。隨后,1981-1982年,Komanduri及其合作者在對鈦合金和高強度鋼的切屑形成過程進行了研究，提出一個鋸齒形切屑形成的兩階段模型鋸齒狀切屑的剪切集中形成機理第一階段，主要是主剪切區(qū)域5的應(yīng)變集中和剪切失穩(wěn),難加工材料在切削條件下由于應(yīng)變集中的作用,導(dǎo)致主剪切區(qū)域熱軟化效應(yīng)大于應(yīng)變強化效應(yīng),使該區(qū)域繼續(xù)變形的應(yīng)力降低,從而在主剪切平面持續(xù)產(chǎn)生變形,使變形進一步集中。第二階段,隨著刀具的前進,3和4處產(chǎn)生強烈剪切,而1處幾乎沒有變形產(chǎn)生,導(dǎo)致處于主剪切區(qū)域5上面的工件材料呈楔塊狀向上向前移動,當(dāng)前進到一定程度,由于強剪切作用,當(dāng)前楔塊與上一楔塊接觸面迅速減小,從而形成鋸齒狀切屑。絕熱剪切帶一種是形變帶，帶內(nèi)經(jīng)歷了大塑性變形的回火馬氏體組織，其硬度來源于加工硬化，并且硬度隨著切削速度的變化而受影響；另一種是轉(zhuǎn)變帶，帶內(nèi)經(jīng)歷了組織相變，硬度來自相變硬化并且高于形變帶，不受切削速度影響，轉(zhuǎn)變帶中心區(qū)形成時發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，形成了尺寸為50—100nm的等軸晶體絕熱剪切絕熱剪切的發(fā)生是鋸齒形切屑的根本原因，切削速度和進給量在剪切發(fā)生失穩(wěn)中起著重要作用。雖然，高速切削產(chǎn)生的絕熱剪切帶增加了刀具磨損，影響已加工外表質(zhì)量；但是，絕熱剪切帶形成易于斷屑，利于自動化加工?！?〕.周期脆性斷裂理論切削時先從切屑自由外表產(chǎn)生裂紋，并不斷向刀尖擴展，在下一個裂紋產(chǎn)生時，前一個裂紋擴展停止，依次周期性產(chǎn)生，最終形成鋸齒形切屑。即鋸齒形切屑的形成是由從切屑自由外表向切削刃擴展約一半距離的周期性整體斷裂造成的?！?〕.周期脆性斷裂理論周期性斷裂理論認(rèn)為鋸齒狀切屑形成是由于從工件自由外表向切削刃擴展一定距離的周期性整體斷裂造成的。M.C.Shaw對Ti6Al4V進行快停切削試驗發(fā)現(xiàn),一個鋸齒狀切屑單元可以分為整體斷裂區(qū)和裂紋呈不連續(xù)分布的微裂紋區(qū),如下圖。該理論認(rèn)為鋸齒切屑形成的機理是斷裂力學(xué)。由于待加工外表是不光滑的,而是由一些微觀的隆起、裂紋以及空穴等組成的粗糙外表,在切削加工過程中,壓應(yīng)力會引起外表內(nèi)部材料的流動,導(dǎo)致自由外表由于工件脆性而形成裂紋。隨刀具前進,裂紋向切削刃不斷擴展,但由于刀尖附近壓應(yīng)力較大,擴展裂紋受到抑制,所以在刀尖附近形成微裂紋。形成切屑的兩種理論綜述絕熱剪切理論適用于解釋塑性材料或者是在切削過程中轉(zhuǎn)化為塑性材料的脆性材料形成的鋸齒形切屑，而周期脆性斷裂理論適用于解釋脆性材料的切屑形成?？傊?，到目前為止，對鋸齒形切屑的形成機理還未形成統(tǒng)一的認(rèn)識，爭論的焦點主要集中在到底是熱塑性失穩(wěn)導(dǎo)致的集中剪切，還是裂紋誘發(fā)幾何失穩(wěn)導(dǎo)致的集中剪切現(xiàn)象4.切屑變形的根本關(guān)系切削速度：切削塑性金屬材料時，切削速度對切削變形的影響呈波浪形進給量：進給量增大，那么切削厚度增大，切削變形減小，變形因數(shù)減小背吃刀量：對切屑變形的影響較小切削用量對切屑變形的影響4.切屑變形的根本關(guān)系切屑卷曲切屑沿刀具前面流出的過程中，受到前面的擠壓和摩擦而進一步變形，使得切屑底部被擠而伸長，切屑反面相對縮短，切屑就自然會逆時針卷曲。折斷機理如果刀具的前角較小，那么切屑流出過程中受到的擠壓和摩擦變大，切屑就會卷得更緊。切屑卷曲過程中，假設(shè)切屑中的彎曲應(yīng)力到達材料的彎曲強度極限，那么切屑就會自行折斷。5.高速切削斷屑機理及預(yù)報系統(tǒng)的研究現(xiàn)代世界上很多機械制造行業(yè)的開展方向是自動化、無人化，即實現(xiàn)計算機控制。實現(xiàn)這些理想的機械制造過程的關(guān)鍵問題之一就是切屑處理問題。高速切削時，特別是自動化加工中，長的連綿不斷的帶狀切屑，連續(xù)不斷并纏繞于刀具、工件、刀架上，損壞工件和刀具外表，傷害操作者，不得不停車，無法正常切削，甚至損壞機床。周期性的鋸齒狀或者單元切屑，會造成高速切削力的高頻變化，從而影響加工精度與外表粗糙度和刀具壽命。因此，分析研究高速切削時的切屑形成特征具有重要的意義〔1〕.高速切削斷屑機理切屑折斷的方法很多，例如采用具有一定幾何參數(shù)的刀具、斷屑槽、斷屑器，在工件上預(yù)置溝槽、斷續(xù)進給，也可采用振動切削、電腐蝕、特殊裝置以及高壓噴射液體等方法進行斷屑。但是直到目前為止，除了個別情況外，在生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的仍然是斷屑槽斷屑，因為它簡單易行，使用可靠〔2〕.高速切削預(yù)報系統(tǒng)切削加工中切屑的形成和折斷是非常復(fù)雜的過程，有諸多不同的影響因素。屑的可斷性是受很多因素影響的復(fù)雜物理現(xiàn)象，當(dāng)?shù)镀坌拖喈?dāng)復(fù)雜且在不同的切削條件下切削時，預(yù)測切屑折斷就更加復(fù)雜。因此有必要建立切削試驗數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并采用以知識為根底的系統(tǒng)分析方法來預(yù)報切屑的折斷過程。對切屑折斷預(yù)報的研究方法1

以切屑分類為基礎(chǔ)，通過大量的切削試驗，建立切屑折斷數(shù)據(jù)庫，與具體的加工狀況一一對應(yīng)，以達到切屑形狀估計的目的。

這種方法的缺點是切削試驗工作量大、費時費力，當(dāng)新的工況出現(xiàn)時需要重新做試驗。2

運用有限元分析（FEM）技術(shù)對切削過程中的塑性變形，以及力、熱過程進行建模分析來判斷何時切屑折斷。

因為切削過程的復(fù)雜性，這種方法目前還沒有達到實用化程度，尤其是對實際生產(chǎn)中的三維切削問題尚不能產(chǎn)生一般性的結(jié)果。3

基于對切屑形成機理的分析，運用試驗設(shè)計技術(shù)建立切屑形成和折斷的數(shù)學(xué)模型和計算機仿真，進行切屑形狀和折斷的判斷。

其結(jié)果具有一定的可外延性。二.高速切削加工的切削力學(xué)切削力小，在高速銑削加工中，采用小切削量、高切削速度的切削形式，使切削力比常規(guī)切削降低30％，尤其是主軸軸承、刀具、工件受到的徑向切削力大幅度減少。既減輕刀具磨損，又有效控制了系統(tǒng)的振動，有利于提高加工精度。1.不同背吃刀量情況下切削力不同背吃刀量情況下切削力的值及變化規(guī)律分別如表1、右圖所示。右圖中，在背吃刀量不斷增加時，平均切削力都呈上升趨勢，且背吃刀量的增加對主切削力F的影響要比對切深抗力F的影響要明顯。當(dāng)背吃刀量增加一倍時，切削力約增加一倍。這是因為，切削時隨著背吃刀量的增大，剪切角逐步減小，而從切削力的計算公式可以得知，隨著剪切角的減小，切削力會逐步增大，同時剪切角的大小也代表了切屑變形的程度，所以切削的變形程度會隨著背吃刀量的增加而逐步增加。2.刀具前角對切削力的影響不同刀具前角下切削AISI4340淬硬鋼，其平均切削力值及變化趨勢如表2、右圖所示。隨著刀具前角的增大，切屑厚度壓縮比減小，即變形抗力減小所致，因此平均切削力都呈下降趨勢。且刀具前角對切深抗力F的影響比對主切削力F的影響要大得多。切深抗力F的下降值約為前角每增大1o，切削力約降低3％。3.刀尖圓弧半徑對切削力的影響不同刀尖圓弧半徑下切削力的值及其變化規(guī)律如表3、右圖所示。由圖可見，在刀尖圓弧半徑不斷增大時，切削力總的趨勢是上升的，且刀尖圓弧半徑對切深抗力F的影響比對主切削力F的影響明顯。rw在0．02～0．05mm之間時，平均切削力的變化較慢；在0．05～O．1mm之間時，平均切削力都急劇升高，但切深抗力F的變化幅度要比主切削力F的變化幅度要大；在0．1～0．2mm之間時，平均切削力的增加趨勢又逐漸趨于平穩(wěn)。三.切削熱和切削溫度一定的工作材料對應(yīng)有一個臨界切削速度，其切削溫度最高，在常規(guī)切削范圍內(nèi)切削溫度隨著切削速度的增大而升高；當(dāng)切削速度到達臨界切削速度后，切削速度再增大，切削溫度反而下降，如下圖，人們將該曲線稱為薩洛蒙曲線。薩洛蒙曲線這個理論給人們一個非常重要的啟示：加工時如果能超過圖中所示的白區(qū)，而在高速區(qū)進行切削，那么有可能用現(xiàn)有的刀具進行高速加工，從而大大地減少加工時間，成倍地提高機床的生產(chǎn)率。這一理論的發(fā)現(xiàn)為人們提供了一種在低溫低能耗條件下實現(xiàn)高效率切削金屬的方法。切削熱的產(chǎn)生切削加工過程中有大量的熱產(chǎn)生，切削熱主要來源于切屑的塑性變形功和刀—屑界面處的摩擦功。高速切削過程中，工件熱變形小。在高速切削時，大局部的切削熱來不及傳給工件就被高速流的切屑帶走，因此加工外表的受熱時間短，不會由于溫升導(dǎo)致熱變形，有利于提高外表精度，加工外表的物理力學(xué)性能也比普通加工方法要好在高速切削條件下．95％～98％切削熱將被切屑帶走，切削力也可降低30％，因此，采用很高切削速度進行加工可以取得與使用切削液相同效果。切削熱公式切削加工過程中有大量的熱產(chǎn)生，切削熱主要來源于切屑的塑性變形功和刀—屑界面處的摩擦功。切削熱除少量散發(fā)在周圍介質(zhì)中外，大局部傳入刀具、工件和切