切削速度和刀具磨损对锯齿形切屑形成的影响

机械设计第32卷第12期 * 收稿日期： 2014-03-03； 修订日期： 2015-06-11 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （51275168， 51305134 ） 切削速度和刀具磨损对锯齿形切屑形成的影响 * 邱新义 1，李鹏南1，唐思文2，杨进1 （1湖南科技大学 机电工程学院，湖南 湘潭411201； 2湖南科技大学 先进矿山装备教育部工程研究中心，湖南 湘潭411201） 摘要：锯齿形切屑是金属切削过程中常见的切屑。 在加工淬硬不锈钢的过程中，在较低的切削速度下就可以形成锯齿 形切屑。 锯齿形切屑的形成对机床稳定性、刀具寿命和已加工表面质量有着重要影响。 文中用金属陶瓷刀具铣削马氏体不 锈钢3Cr13Cu，研究切削速度和刀具磨损对锯齿形切屑形成的影响。 结果表明，锯齿间距随切削速度和后刀面平均磨损宽 度（VB）的增加而减少，即切屑上锯齿的形成频率随切削速度和后刀面平均磨损宽度的增加而增加。 用M A Davies的绝热 剪切理论解释后刀面磨损对锯齿形切屑的形成影响，表明用金属陶瓷刀具铣削马氏体不锈钢3Cr13Cu过程中绝热剪切参 与了锯齿形切屑的形成。 关键词：切削速度；刀具磨损；锯齿形切屑；绝热剪切理论 中图分类号：TG7文献标识码：A文章编号：1001-2354（2015）12-0064-04 Effect of cutting speed and tool wear on serrated chip formation QIU Xin-yi1，LI Peng-nan1，TANG Si-wen2，YANG Jin1 （1.School of Electromechanical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201； 2.Engineering Research Center of Advanced Mining Equipment，Ministry of Education，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201） Abstract：Serrated chip was common during metal cutting process In the process of machining hardened steel，the serrated chips could be obtained at the lower cutting speed The formation of the serrated chip had great important implications on the stability of lathe，tool life and quality of the machined surface In the milling operation，the cermet tools were used to mill the martensitic stainless steel（3Cr13Cu）to research the influence of the cutting speed and tool wear on serrated chip formation The results showed that the length between the sawtooth segment tips decreased with the increase of the cutting speed and the mean flank wear（VB） Namely，the sawtooth formation frequency increased with the cutting speed and flank wear VB MA Davies adiabatic shear theory was employed to explain the influence of the VB on the formation of serrated chip This suggested that the adiabatic shear was involved in the serrated chip formation during the milling process of martensitic stainless steel 3Cr13Cu with cermet tools Key words：cutting speed；tool wear；serrated chip；adiabatic shear theory 金属切削加工一直以来是应用最普遍和最重要的 制造方法之一。切削过程中，硬度较高和导热性差的工 件材料，如淬硬钢、合金钢、钛合金、超高强度钢等，在 能够实现的切削条件下易形成锯齿形切屑。 周期性锯 齿状切屑的形成，造成切削力的高频变化，从而影响加 工质量和刀具寿命1。 文献2-4等对锯齿形切屑的形成机理进行了大 量研究，得出两种理论：绝热剪切理论和周期性断裂 理论。 陈明等5通过对不同难加工材料锯齿形切屑的 形貌及微观组织的观察和研究，认为：在加工高碳钢 时，低切削速度下切屑锯齿间并没有出现大变形滑移 组织，而是以脆性断裂为主，高速时，断裂与热剪切的 特征同时存在；而对于钛合金，主要表现出集中剪切 滑移现象。 同样，Barry和Byrne6用快速落刀试验方 法切削BS817M40钢和低合金工具钢（HRC56），认为 切削过程中锯齿形切屑中的白色薄带是因为刀尖向第 第 32 卷第 12 期 2015 年 12 月 Vol.32 No.12 Dec.2015 机械设计 JOURNAL OF MACHINE DESIGN 2015年12月邱新义，等：切削速度和刀具磨损对锯齿形切屑形成的影响 一变形区扩展而形成的， 假设绝热剪切是沿剪切带方 向由外向里产生并往刀尖扩展， 那么剪切区靠上的区 域没有剪切局部化，因此，说明在此区域材料形变强化 起主要作用，所以，他们得出不同的加工条件和材料适 应不同的锯齿形切屑形成机理。 S Ben Salem7和A Molinari8等用切削试验研究 了切削参数对切屑形态的影响， 锯齿频率随着速度的 增加而增加，随着切削深度的增加，切屑锯齿形状越来 越明显，同时，锯齿频率减少。但是，对于切削过程中刀 具磨损对切屑形貌的影响很少涉及。 文中通过研究金属陶瓷刀具铣削马氏体不锈钢 3Cr13Cu， 分析切削过程中切削速度和刀具磨损对锯 齿形切屑形成的影响。 1试验设计 铣削加工所用的工件材料是经热处理的马氏体不 锈钢3Cr13Cu（44HRC），材料的尺寸为150 mm50 mm70 mm，材料的物理性能参数如表1所示。 试验在 四轴三联动立式加工中心KVC800/1上进行。 刀具为 山特维克的通用方肩可转位面铣刀CoroMill R 290 （R290100Q3212L），刀盘直径Dc100 mm，切削刃角 Kr90，刃倾角为12，只安装一个刀片。 刀片型号为 R29012T308MPM 530， 后角为18， 材质是金属陶 瓷。 加工试验装置如图1所示。 铣削方式为插铣，铣削过程不使用切削液，铣削速 度为120，160，200，240 m/min， 进给量f01 mm/r，铣 削深度为1 mm。 每铣削25 mm就用超景深显微镜观 察刀具前后刀面磨损形貌， 并测量刀具的后刀面平均 磨损宽度（VB），当其超过02 mm停止铣削，并收集切 屑用于切屑形貌和自由表面的观察。 2结果与讨论 21切削速度对锯齿形切屑的影响 图2是不同切削速度下的切屑自由表面形貌。 从图 2可知，锯齿形成频率随切削速度的增加而增加。锯齿化 程度Gs通常被用来描述锯齿形切屑的锯齿剧烈程度： Gs= h1-h2 h1 式中：h1齿顶到切屑底部的垂直距离； h2齿底到切屑底部的垂直距离。 表13Cr13Cu的物理性能 弹性模量 E/GPa 切变模量 G/GPa 泊松比 热导率 k/（W/（mK） 比热容 c/（J/（kgK） 218860029246473 图1试验设备安装示意图 测力仪 工件 刀具 （b）v160 m/min （d）v240 m/min 图2不同速度下的切屑表面形貌 250.00 m Lens:X 200 250.00 m Lens:X 200 250.00 m Lens:X 200 Lens:X 200 250.00 m L （a）v120 m/min （c）v200 m/min 65 机械设计第32卷第12期 测量同一条件下切屑自由表面5个相邻锯齿的间 距（如图2c所示），取它们的平均值作为锯齿间距L。 图3是锯齿化程度参数与切削速度之间的关系。 锯齿 间距L随速度的增加而减少，而锯齿化程度随速度的 增加而增加， 其原因在于切削速度的增加使得应变速 率增加，导致工件材料的脆性增强，更易于形成锯齿形 切屑，但切削速度高导致切削温度高，使材料的脆性减 弱，从而材料更加易于出现绝热剪切变形9。 切削速度 增加，应变速率和温度都升高。 在切削速度范围内，可 能温度对材料脆性影响更大，导致L随切削速度的增 加而减少（如图3a所示），而锯齿化程度Gs随着速度 增加而增加（如图3b所示）。 图4是速度240 m/min条件下形成的切屑自由表 面的形貌。 在分割线（锯齿齿底线）两边表现出不同的 形貌， 分割线左边是在锯齿形成过程中塑性滑移形成 的表面，右边是前一次切削形成的表面，且在分割线周 围没有发现断裂韧窝和裂纹10。 图5是速度240 m/min条件下形成的切屑横截面 形貌， 没有任何裂缝或空隙剪切带区域。 这些现象表 明，锯齿形切屑是由突变性的绝热剪切机制形成的。 22刀具磨损对锯齿形切屑形成的影响 在速度120 m/min和160 m/min的切削过程中， 刀具磨损与锯齿形切屑之间的关系如图6所示。 从图 6可知，随着后刀面平均磨损宽度（VB）的增加，锯齿间 距L减少。 当前刀面崩刃发生后，锯齿形切屑的锯齿 间距L会有所增大。 M A Davies10认为，在锯齿形切削形成的临界处， 切屑处于热传导、 热对流和热产生速率三者的动平衡 状态，当切削速度的提高打破这一动平衡时，锯齿形切 屑就形成了。对切削模型做一定假设后（如将刀具假设 为绝对刚性的非导热楔形体等），将切屑变形方程进行 无量纲化处理，得出无量纲参数导热速率和产生热 速率q的方程： =k/cvtan 0ac q=/c0 ! 式中：0周围环境温度； 材料剪切强度； k热导率； c比热容； 密度； ac切削厚度； 0刀具楔角； v切削速度。 （a）锯齿间距切削速度 100150200250 间距L/m 速度/（m/min） 250 200 150 100 50 100150200250 Gs 速度/（m/min） 0.45 0.40 0.35 （b） 锯齿化程度切削速度 图3锯齿化程度参数与切削速度之间的关系 图4自由表面形貌（v240 m/min，f01 mm/r，ap1 mm） 50.00 m Lens:X 500 20.00 m Lens:X 2000 图5横截面形貌（v240 m/min，f01 mm/r，ap1 mm） Lens:X 500 Lens:X 1000 0.100.150.200.25 间距L/m 后刀面平均磨损宽度/mm 240 220 200 180 160 140 120 120 m/min 160 m/min 图6刀具磨损与切屑锯齿间距L的关系 66 2015年12月 降低和增大q都会加大锯齿形切屑形成的趋 势。 文中刀具为导热非刚体。 当后刀面平均磨损宽度 （VB）一定时，整个切削系统稳态时的切削温度会表现 出周期性的振荡特性。切削过程中，切削热的产生和传 导如图7所示。A是第1变形区，B是第2变形区，C 是第3变形区。在此切削过程中，刀具的前刀面磨损较 小，假定A区和B区产生的温度不变。 后刀面的平均 磨损宽度（VB）增加，导致后刀面与工件已加工表面接 触面积增加，后刀面与已加工表面的摩擦力增大，C区 切削温度升高。Fouriers导热定律11为： =-A鄣t 鄣x 式中：沿x方向传递的热量； A垂直于x方向的截面面积； 鄣t 鄣x 物体沿x方向的温度变化率。 根据Fouriers导热定律， 刀具后刀面平均磨损 宽度（VB）增加后，整个切削系统会达到一个新的稳 态。 刀具后刀面平均磨损宽度（VB）增加，铣削力增 加，导致C区的温度升高 12，且接触面积增大，单位 时间内传入刀具的热量增加，使得新稳态系统中切屑 与刀具之间的温度差减小， 单位时间切屑传入刀具的 热量减少，既导热速率降低。 因此，增大了锯齿形切 屑形成的趋势，L随后刀面平均磨损宽度（VB） 的增加 而减少。而前刀面出现崩刃后，前刀面与刀具之间的摩 擦力增大，切削温度进一步升高，材料软化加剧，导致 剪切区的破坏，是L有所增加的原因。 3结论 通过金属陶瓷刀具铣削3Cr13Cu马氏体不锈钢， 研究切削速度和刀具磨损对锯齿形切屑形成的影响， 并探求刀具磨损对锯齿形切屑形成的影响机理。 结果 表明：锯齿间距随切削速度的增加而减少；随着后刀面 平均磨损宽度（VB）的增加，锯齿之间的间距减少；M A Davies的绝热剪切理论能够解释后刀面磨损对锯齿形 切屑形成的影响， 能够说明用金属陶瓷刀具铣削马氏 体不锈钢3Cr13Cu过程中绝热剪切是锯齿形切屑形 成的重要原因。 参考文献 1杨奇彪，刘占强，苏国胜高速切削锯齿形切屑形成机理的 研究形状与发展J工具技术，2011，45（3）：311 2Klamecki B E Catastrophe theory models of chip formation J Journal of Engineering for Industry，1982，104：369 374 3Manyindo B M，Oxley P L B Modeling the catastrophic shear type of chip when machining of stainless steelJ Proceedings of the Institute of Mechanical Engineering， 1986，200：349358 4Vyas A，Shaw M C Mechanics of saw-tooth chip formation in metal cuttingJ Journal of Manufacturing Science and En- gineering，1999，121：163172. 5陈明，安庆龙，刘志强高速切削技术基础与应用M上 海：上海科学技术出版社，2012 6Barry J，Byrne G Chip formation，acoustic emission and sur- face white layers in hard machiningJ CIRP-Manufacturing Technology，2002，51（1）：6570 7Ben Salem S，B