高速切削锯齿形切屑形成过程与形成机理研究

摘要

随着高速切削加工技术的日渐成熟和高速机床的推广应用，高速切削开始被广泛应用于航空航天、汽车、发电装备等行业零件的生产制造。高速切削条件下的切屑形态与普通切削速度下的切屑形态有很大不同：普通切削速度下多数塑性金属材料的切屑形态为带状切屑，而在高速切削条件下切屑的典型形态为锯齿形切屑。锯齿形切屑一般被认为是在切屑形成时剪切面周期性剪切失稳导致的。锯齿形切屑在形成时会引起机床加工系统振动，加剧刀具的磨损和破损，并且使工件已加工表面质量变差。但锯齿形切屑容易断屑和排屑，便于实现工件的全自动生产。因此揭示锯齿形切屑产生机理不仅能够为高速机床设计、刀具设计提供理论基础，而且能够指导优化切削工艺、提高工件加工质量和加工效率。
　　 虽然对锯齿形切屑形成机理的研究已有多年，而锯齿形切屑形成时的变形过程、切屑锯齿化临界切削条件预测、切削速度对工件材料机械性能及切屑锯齿化影响规律的研究将有助于进一步揭示高速切削锯齿形切屑的产生机理。
　　 本文以三种工件材料(Inconel718、AerMet100、7050-T7451)为研究对象，通过理论分析和实验观测对不同切削速度阶段锯齿切屑的形成机理进行研究，重点分析工件材料机械性能随切削速度的变化--特别是塑性金属材料塑脆性转变对锯齿形切屑形成过程的影响规律。主要研究内容包括：锯齿形切屑的形成过程；工件材料机械性能转变对切屑锯齿化的影响；不同切削速度阶段锯齿形切屑形态和切屑形成机理；切屑锯齿化临界切削条件预测；以及临界冲击速度下的切屑形成机理等。
　　 首先，建立四节点二阶段高速切削锯齿形切屑形成过程模型，对锯齿形切屑形成过程、集中剪切带的启动和扩展进行研究，提出高速切削切屑锯齿化的力学条件。结果表明在锯齿形切屑分节的挤压变形阶段切屑分节靠近刀尖端发生挤压变形，在挤压变形区域的边缘处伴随发生集中剪切变形，集中剪切变形使集中剪切带首先起始于主剪切面的刀尖端；随刀具向工件的进一步进给在主剪切面的自由表面端产生另一个集中变形点，两集中变形点形成后相向扩展形成整个集中剪切带；切屑发生锯齿化的力学条件是第一变形区工件材料流动应力在(同样切削条件下)形成带状切屑所需的最大应变内出现下降。
　　 其次，探索高速切削加工剪切面材料机械性能转变对切屑形态演化控制机制的影响，揭示切削速度对切屑形态、集中剪切带、切屑分节滑出面断裂的影响规律，通过直角切削实验获得三种工件材料不同切削速度阶段从带状到切屑锯齿分节完全分离之间的切屑图谱，对切屑进行金相学观察。研究结果表明，在切屑锯齿化临界切削速度阶段，集中剪切带内发生塑性剪切滑移而没有断裂，因此此时的切屑锯齿化控制机制是绝热剪切(热塑性剪切失稳)；随切削速度的进一步提高剪切带材料的塑性降低，脆性增加，集中剪切带中断裂程度增加，周期性断裂成为锯齿形切屑形成的主要控制机制。
　　 然后，建立基于第一变形区材料热-力耦合的切屑锯齿化临界切削条件预测模型，提出切削层材料流经第一变形区时应变、应变率、温度的计算方法，对切削层材料流经第一变形区时热-力耦合过程进行模拟，对三种材料的切屑锯齿化临界切削速度进行理论预测，并进行实验验证，揭示切削参数和材料热物理参数对切屑锯齿化临界切削条件的影响规律。研究结果表明工件材料在流经第一变形区时，随着应变的增大应变率沿二次曲线先增大后减小；剪切面上产生的热量用于剪切面温升的比例逐渐降低，剪切面温升随应变的增加而升高速率变缓；随切削厚度增加、刀具前角减小(负前角增大)切屑易于发生锯齿化，反之切屑不易锯齿化；刀具前角对切屑锯齿化临界切削条件的影响比切削厚度对切屑锯齿化临界切削条件的影响明显；材料密度、比热容比材料的热导率对切屑锯齿化临界切削条件产生的影响明显；低速切削阶段热导率对切屑锯齿化临界切削条件的影响比高速切削阶段对切屑锯齿化临界切削条件的影响明显。
　　 最后，提出临界冲击切削速度概念，揭示超高速切削崩碎切屑形成机理，给出基于切屑形态的切削速度范围划分方法，以3000m/min至材料的临界冲击速度或接近材料的临界冲击速度对三种工件材料进行超高速切削实验，研究临界冲击切削速度下刀具的磨损和破损、切削力、切削功率、切削能特征及其与材料性能和切屑形态之间的关系。研究表明随切削速度进一步提高，材料进一步脆化，在材料的临界冲击速度即超高速切削阶段时，节状锯齿形切屑转变为细小崩碎状切屑，形成切屑的机制为冲击崩碎；工件已加工表面和夹杂崩碎切屑使刀具后刀面形成硬质点磨损；切削功率随切削速度提高单调增加；材料的单位切削能、总切削能随切削速度的提高而下降；根据切屑形态及其演化控制机制的不同将切削速度划分为普通切削速度阶段、高速切削速度阶段、超高速切削速度阶段。