（机械制造及其自动化专业论文）金属切削毛刺形成的数值模拟及控制技术研究.pdf

本学位论文属于 不保密囹。 学位论文作者签名：协；纽 指导教师签名： 沙姨年6 旯l 二日纠| 年6 只 日 分类号塾签q 兰：曼 u d c 鱼2 兰 密级坌珏 编号望蛰堡型塑笪 j 62 ，9 c 侈d 彳锣叼 江荨大擎 博士学位论文 撞查丛究 曲海军 指导小组成员 申请学位级别墟士专业名称狃越剑造厦甚自动丝 论文提交日期2 q ! ! 生垒曰论文答辩日期2 q ! ! 生鱼目兰! 目 学位授予单位和日期迤苤太堂垫! ! 生鱼曰里鱼目 答辩委员会主席 汤塞盛 评阅人 2 0 1 1 年6 月 ji b v ， q uh a i j u n m a j o r ：m e c h a n i c a l m a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i z a t i o n s u p e r v i s o r ：w a n gg u i c h e n g j i a n g s uu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 1 1 摘要 摘要 精密与超精密加工和自动化、智能化加工是先进制造技术的主要发展方向。 金属切削毛刺的形成与形态变化直接影响工件的加工质量和生产效率，已成为制 约精密与超精密加工和自动化加工的关键技术之一。毛刺形成机理及控制技术研 究备受国内外机械工程专家和学者们的高度关注。 本研究基于切削运动刀具切削刃毛刺分类体系，在系统分析了国内外金 属切削毛刺研究的基础上，基于有限元理论建立出毛刺形成与变化的模型，利用 d e f o r m 一3 d 和d e f o r m - - 2 d 对切削方向毛刺、进给方向毛刺、两侧方向毛刺 的形成与变化进行模拟，揭示出毛刺形成与变化的基本规律，初步实现了毛刺形 态与尺寸的预测预报。并结合精密切削加工实际，提出了主动控制毛刺的技术与 方法。其主要研究内容及创新成果有： 1 运用塑性力学理论分别建立出两侧方向、进给方向和切削方向毛刺形成的 有限元模型。利用d e f o r m - - 3 d ( 2 d ) 软件对毛刺形成与变化进行模拟，研究了 切屑应变对加工硬化以及材料性能的影响，揭示出两侧方向切屑应变与其形态的 关系，模拟结果与实验基本吻合，初步实现了毛刺形成与变化的预测预报。 2 基于断裂准则和塑性力学理论建立出切削方向亏缺形成的有限元模型。利 用d e f o r m 一2 d 软件对切削方向亏缺形成进行了深入分析，给出了影响亏缺形成 的主要因素，模拟了切削方向亏缺的形成过程及其变化，系统揭示出切削方向亏 缺形成与变化的基本规律，揭示了刀尖附近的工件材料产生的裂纹以及裂纹扩展 方向与亏缺形成的关系。 3 提出了端面材料支撑刚度变化导致毛刺形态转变的新观点。基于切削运动 刀具切削刃毛刺分类体系，研究了车削加工中一次进给方向毛刺和二次进给 方向毛刺的界限转换及其影响因素，认为在端面材料支撑刚度不足，最后不能维 持切削持续进行的情况下，刀具将终端面材料向进给方向推挤形成一次毛刺；而 刚度足以维持切削直至刀尖附近材料发生剪切断裂的情况下形成二毛刺。 4 发现了毛刺亏缺形态转换中的负剪切现象。依据切削实验和理论分析，发 现了金属切削中的负剪切现象，研究了负剪切区域形成与变化对毛刺亏缺形成与 变化的影响，探讨了裂纹的产生及其扩展方向与工件棱边形态( 毛刺亏缺) 变化 的关系，揭示出负剪切区域的形成与变化的基本规律，给出了切削方向毛刺亏缺 江苏大学博士学位论文：金属切削毛刺形成的数值模拟及控制技术研究 的界限转换条件，为主动控制毛刺形态奠定了基础。 5 开发出少无毛刺加工技术与方法。基于切削实验与数值模拟分析，提出了 主动控制毛刺的新思路，给出了少无毛刺加工的基本原则，提出了工件端面倒角 切削法、工件叠加切削法、挡板切削法等主动控制金属切削毛刺的加工工艺、技 术和方法，并利用d e f o r m - - 3 d ( 2 d ) 软件进行了模拟，进而优选出合理的切削 参数或技术条件，发现抑制亏缺和毛刺就是控制负剪切的形成，抑制两侧方向毛 刺实际就是控制工件的两侧方向应变。为进一步提高控制毛刺的有效性提供了理 论与实验依据。 本研究工作发展了金属切削学和精密和超精密加工工程学理论，为有效地主 动控制与去除毛刺提供了一定的技术支撑和理论指导，在精密加工、柔性制造和 其他自动化加工中具有广阔的应用前景，其应用将带来显著的经济和社会效益。 研究工作是国家自然科学基金资助项目( 5 0 2 7 5 0 6 6 ，5 0 6 7 5 0 8 8 ，5 1 0 0 5 1 9 2 ) 的组成部分之一。 关键词：精密加工；金属切削；毛刺；进给方向毛刺，切削应变；负剪切；数值 模拟；毛刺和亏缺；毛刺形成机理；界限转换；主动控制技术；刚度；裂 纹扩展方向 i i t ot h et h e o r yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d s ，t h em o d e l so fb u r rf o r m a t i o na r ep r o v i d e d t h e f o r m a t i o na n dv a r i e t yo fc u t t i n gd i r e c t i o nb u r r , f e e dd i r e c t i o nb u r ra n dt w os i d e d i r e c t i o nb u r ra r es i m u l a t e db a s e do ns o f t w a r eo fd e f o r m 3 da n d d e f o r m - 2 d t h eb a s i cl a wo fb u r rf o r m a t i o na n dv a r i t yi sf o u n da n ds i m p l ep r e d i c t i o nm o d e li s p r o v i d e d ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fp l a s t i c ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft w os i d eb u r r , f e e dd i r e c t i o nb u r ra n dc u t t i n gd i r e c t i o nb u r ra r ep r o v i d e db a s e do nt h em e t a lc u t t i n g e x p e r i m e n t t h ef o r m a t i o na n dv a r i e t yo fb u r ra r es i m u l a t e db a s e do ns o f t w a r eo f d e f o r m t h er e l a t i o nb e t w e e nt h es i z eo ft w od i r e c t i o nb u r ra n dt w od i r e c t i o ns t r a i n i sf o u n d t h ei n f l u e n c eo fs t r a i no nf i n i s h e ds u f a c ea n dn a t u r eo fc h i pm a t e r i a la r e i n v e s t i g a t e d t h eb a s i ck n o w l e d g eo f c o n t r o lt w os i d eb u r ri sp r o v i d e d ( 劲a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fp l a s t i ca n dt h ef r a c t u r ec r i t e r i o n ，t h ef i n i t ee l e m e n t m o d e lo ff r a c t u r ef o r m a t i o ni sd e v e l o p e da n dt h ep r o c e s s e so ff r a c t u r ef o r m a t i o na r e s i m u l a t e da n da n a l y z e d t h ei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c he f f e c to ns i z eo fc u t t i n gd i r e c t i o n f r a c t u r ea r ei n v e s t i g a t e d t h eb a s i cl a wo ff r a c t u r ef o r m a t i o na n dv a r i t yi sf o u n d t h e r e l a t i o nb e t w e e nf r a c t u r ea n dt h ec r a c kf o r m a t i o na n dt h eg r o w i n gd i r e c t i o no fc r a c ki s f o u n d t h eb a s i ck n o w l e d g eo fc o n t r o lf r a c t u r ei sp r o v i d e d ( 3 ) av i e w p o i n ti sp r o v i d e da b o u tt h er e a l a t i o nb e t w e e nt h er i g i d i t yo fe n d p a r ta n d b u r rs h a p e ss w i t c h b a s e do nt h em e t a lc u t t i n gb u r r sc l a s s i f i c a t i o ns y s t e mo fc u t t i n g m o t i o na n dc u t t i n ge d g e so ft o o l st h ei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c he f f e c to ns h a p es w i t c ho f p r i m a r yb u r ra n ds e c o n d a r yb u r ra r ei n v e s t i g a t e d i t sc o n s i d e r e dt h a tt h ep r i m a r yb u r r w i l lb ef o r m e di nf i n a ld e v e l o p e ds t a g ei ft h er e m a i n i n gm a t e r i a lh a sn or i g i d i t yt oa l l o w c u t t i n gc o n t i n u a l l yi nf i n a ld e v e l o p e ds t a g ea n ds e c o n d a r yb u r rw i l lb ef o r m e da st h e i m a t e r i a lh a ss u f f i c i e n tr i g i d i t yt oa l l o wc u t t i n gi n t h i sa r e aa r o u n dt h et o o lt i p t h e r i g i d i t yo fr e m a i n i n gp a r t i so n eo ft h em a i nf a c t o r st h a te f f e c to ns h a p e so ff e e d d i r e c t i o nb u r r ( 钔t h en e g a t i v es h e a ri sf o u n d i t sf o u n d t h a tt h ef o r m a t i o na n dv a r i t yo fn e g a t i v e s h e a ri sak e yf a c t o rt h a to ns h a p es w i t c ho fc u t t i n gd i r e c t i o n b u r rb a s e do nt h e o r y a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s t h ef o r m a t i o na n dv a r i t yo fn e g a t i v es h e a rr e g i o na n ds h e a r r e g i o na r ei n v e s t i g a t e db yt h e o r ya n de x p e r i m e n t sa n df o u n d t h a tf r a c t u r ea n dt h ec r a c k f o r m a t i o ni nt h ea r e a rn e a rt h et o o lt i pa n dt h eg r o w i n gd i r e c t i o no fc r a c ka r ei m p o r t a n t f a c t o ro ns h a p es w i t c ho fc u t t i n gd i r e c t i o n b u r r t h eb a s i ck n o w l e d g eo fc o n t r o lc u t t i n g b u r r f r a c t u r ea n df e e dd i r e c t i o nb u r ra r ep r o v i d e d ( 5 ) t h ei d e a r so fa c t i v eb u r rc o n t r o la r ep r o v i d e d c h a m f e r i n gm e t h o d ，b a c k u p m a t e r i a lm e h o o d ，s u p e r p o s i t i o nm e y h o da n do t h e ra c t i v ec o n t r o lm o t h o d sa r ep r o v i d e d a c c o r d i n gt ot h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e st og e n e r a t em i n i m u m b u r r so nt h ew o r k p i e c e t h em e t h o d sa r ei n v e s t i g a t e db a s e do nd e f o r ms o f t w a r ea n dt h e np r o v i d e st h em o s t o p t i m a lc u t t i n gp a r a m e t e r so rt e c h n i c a lc o n d i t i o n s t h ee s s e n t i a l o fc o n t r o lc u t t i n g b u r r f r a c t u r ei sc o n t r o lt h en e g a t i v es h e a ra n dt h ee s s e n t i a lo fc o n t r o lt w os i d ed i r e c t i o n b u r ri sc o n t r o lt w os i d ed i r e c t i o ns t r a i n as o l i df o u n d a t i o na n de x p e r i m e n t a lg u i d a n c e f o rf u r t h e ri m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc o n t r o l l i n gb u r rf o r m a t i o ni ss e t t h er e s e a r c ha n di t sp r o d u c t i o ne n r i c ha n de x p a n dt h et h e o r yo fm e t a lc u t t i n ga n d p r e c i s i o nm a c h i n i n ge n g i n e e r i n g ，p r o v i d ei m p o r t a n tt e c h n i c a la n dt h e o r e t i c a lg u i d a n c e f o rb u r rc o n t r o l l i n ga n dd e b u r r i n ge f f i c i e n t l y r e s e a r c hr e s u l t sc a nb eu s e dt op r e c i s i o n m a c h i n i n g ，f m sa n do t h e ra u t o m a t i cw o r k i n gw i d e l y , i t sa p p l i c a t i o n w i l l b r i n g r e m a r k a b l ee c o n o m i c a la n ds o c i e t a lb e n e f i t t h i sr e s e a r c hi ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e rt h e p r o j e c tn o 5 0 2 7 5 0 6 6 ，n o 5 0 6 7 5 0 8 8 a n dn o 5 1 0 0 519 2 k e yw o r d s ：p r e c i s i o nm a n u f a c t u r e ；m e t a lc u t t i n g ；b u r r ；f e e dd i r e c t i o nb u r r ；c u t t i n g s t r a i n ；n e g a t i v es h e a r ；b u r r f r a c t u r e ；s h a p e ss w i t c h ；a c t i v eb u r rc o n t r o l ； r i g i d i t y ；g r o wd i r e c t i o no f c r a c k i v 1 3 1 4 1 5 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第三章 3 1 1 2 2 毛刺的测量5 1 2 3 毛刺形态与尺寸的预测预报5 1 2 4 毛刺的仿真8 1 2 5 毛刺的抑制。9 尚存在的主要问题1 0 本课题研究的主要内容及意义。1 1 本章小结1 2 毛刺形态分类及其形成的力学机制1 3 金属切削毛刺的分类1 3 2 1 1 奥岛毛刺分类体系1 3 2 1 2 l k g i l l e s p i e 毛刺分类体系1 4 2 1 3 中山一雄毛刺分类体系1 4 2 1 4 王贵成毛刺分类体系1 6 毛刺的基本外观形态与特征1 8 金属切削层的变形2 0 2 3 1 切削中的三个变形区2 0 2 3 2 变形系数一2 1 2 3 3 几个主要因素对切屑变形的影响2 1 剪切与切屑以及毛刺的关系2 2 2 4 1 剪切与切屑的关系2 2 2 4 2 剪切与毛刺的关系2 2 本章小结。2 3 毛刺形成的有限元模拟及预测2 5 有限元基础2 5 3 1 1 有限元软件d e f o r m 简介。2 5 3 1 2 毛刺形成模拟材料的非线性2 6 3 1 3 非线性迭代的收敛判据2 9 3 1 4 材料的流动应力模型一2 9 3 1 5网格的划分和网格重划分3 3 3 1 6 切屑与刀具的接触和摩擦的设置3 4 v 1 1 3 3 江苏大学博士学位论文：金属切削毛刺形成的数值模拟及控制技术研究 3 1 7 断裂准则3 5 3 1 8 数值仿真的工作流程3 5 3 2 进给方向毛刺模拟分析及其预测预报3 6 3 2 1 进给方向毛刺的有限元模型3 6 3 2 2 进给方向毛刺形成过程3 7 3 2 3一次毛刺和二次毛刺的形成过程比较4 3 3 2 4 影响进给方向毛刺尺寸的因素4 4 3 2 5 进给方向毛刺的预测预报4 8 3 3 两侧方向毛刺形成机理模拟。5 4 3 3 1 两侧方向毛刺形成的有限元模型5 4 3 3 2 两侧方向毛刺的形成机理。5 5 3 3 3 两侧方向毛刺的尺寸与剪切应变的关系5 6 3 3 4 伴随的加工硬化5 7 3 3 5 切屑材料性能的变化5 9 3 4 切削方向毛刺形成过程模拟6 0 3 4 1 切削方向毛刺形成的有限元模型6 0 3 4 2 切削方向毛刺形成的有限元模拟6 1 3 4 3 影响毛刺尺寸的因素6 6 3 5 本章小结7 0 第四章金属切削亏缺形成与变化规律。7 3 4 1 亏缺形成的有限元模型。7 3 4 2 切削方向亏缺形成的有限元模拟7 4 4 3 切削方向毛刺和亏缺的判别准则7 7 4 4 影响亏缺的因素7 8 4 4 1 切削厚度的影响7 8 4 4 2 钝圆半径的影响7 9 4 5 本章小结8 0 5 1 毛刺的基本形态8 1 5 1 1 削方向毛刺的基本形态8 1 5 1 2 两侧方向毛刺的基本形态8 2 5 1 3 进给方向毛刺的基本形态。8 3 5 2 进给方向一次毛刺与二次毛刺的界限转换8 4 5 2 1 界限切削深度a o i 8 4 5 2 2 界限进给量f i 8 5 5 2 3 进给方向毛刺形态的预报8 6 5 3 毛刺和亏缺的界限转换。8 7 5 3 1 负剪切的形成8 7 5 3 2 界限剪切应变岛9 1 v i 9 1 9 2 9 2 9 4 9 4 9 7 6 1 影响金属切削毛刺形成的主要因素9 9 6 2 抑制毛刺金属切削加工技术的基本原则1 0 0 6 3 抑制毛刺切削加工的常用方法及应用1 0 0 6 3 1 工件终端倒角法1 0 2 6 3 2 挡板抑制毛刺法1 0 7 6 3 3 工件叠加法抑制切削方向毛刺1 0 9 6 3 4 工件叠加法抑制两侧方向毛刺。1 1 0 6 3 5 工件叠加法抑制进给方向毛刺。1 1 2 6 3 6其他方法抑制毛刺1 1 3 6 4 本章小结1 1 3 第七章研究结论及发展展望。 1 1 5 7 1 主要研究结论1 1 5 7 2 尚待进一步深入研究的问题及发展展望1 1 6 参考文献1 1 9 致谢1 2 5 攻读博士学位期间发表的论文及成果1 2 7 论文1 2 7 参与专利1 2 8 参与项目1 2 8 v n 第一章绪论 第一章绪论 本章摘要：本章概括了国内外金属切削毛刺形成机理实验研究、毛刺的测量，形 态与尺寸预报，有限元模拟，毛刺控制与去除等方面的研究现状，并指出了目前需 要解决的问题，进而提出了本论文的主要研究内容及其意义。 1 1金属切削毛刺研究背景 随着科学技术的迅速发展，先进机械制造技术朝着精密化、智能化和自动化 方向发展，对机械加工的精度和表面质量的要求越来越高。比如在精密液压元件， 气压元件、航空航天设备等精密装置的制造中，对部分零件的棱边形态提出了明 确的要求，零件的加工精度已经达到纳米级。对工件的棱边质量也越来越高，特 别是在微细加工中毛刺问题特别突出。有关统计数据表明，去毛刺所用的工时占 全部工时的5 1 0 【1 】，这样既降低了加工质量，消耗了生产时间，又降低了生产 效率。毛刺的控制与去除技术已成为现代机械制造技术的两大方向一精密与超精 密加工和柔性加工的关键技术之一。近年来，毛刺形成机理、控制技术研究和去 除方法备受国内外机械工程专家和学者们的高度关注。 金属切削毛刺的形成机理及变化规律的研究涉及到多个学科领域，比如材料 科学、工程力学、金属切削学和控制理论，计算机工程学等多个学科领域，它对 于丰富和发展精密加工工程学和金属切削理论、提高现代制造水平、促进机械工 业技术进步具有重要的学术价值，抑制毛刺的新技术、新工艺和新方法等在精密 加工、柔性制造系统和其他自动化加工中具有重要意义和重大的应用价值。 在金属切削中，工件的边、角、棱等部位上被切削层金属在刀具前刀面和切 削刃的作用下产生大的塑性变形，部分切削层金属逐渐脱离了切削区域，并在切 屑与工件切削表面断裂分离的过程中使其一部分残留在工件的边、角、棱或已加 工表面上形成金属切削毛刺。同时，在切削加工中被切削层金属产生了裂纹并随 着刀具的移动向刀具以下的工件材料内部扩展，导致裂纹以上材料和加工母体分 离，产生了材料的过切，得到的工件实际边界小于理论边界，这种棱边状态称为 亏缺或负毛刺，通常把金属切削毛刺和亏缺统称为毛刺。图1 1 所示为几种常用切 削加工中所生成的毛刺的主要形式。 由图1 1 【2 l 可以看出，毛刺的产生使零件的棱边状态发生了改变，降低了零件 江苏大学博士学位论文：金属切削毛刺形成的数值模拟及控制技术研究 的尺寸精度和形位精度，影响了零件的性能，严重影响了零件的加工质量。 c a ) a i m g s i 0 5 铣削：( b ) a i m g s i 0 5 镗削；( c ) s b 3 7 k 刨削；( d ) a i m g s i 0 5 磨削；( e ) c 1 5 车削 图1 1 金属切削加工中的毛刺形态 机械加工中产生的毛刺给工件( 零部件) 的后继加工、装配、运输及使用等 带来的危害如下【2 】： ( 1 ) 影响工件的尺寸精度、形位精度和表面质量等； 毛刺会破坏零件的棱边和表面质量，从而影响零件的形位精度和表面粗糙度。 ( 2 ) 影响下一道工序的定位； 毛刺如果垫在零件的定位基准面上，夹紧后不是真正的基准面接触，而是成 为点接触，严重影响了加工精度。毛刺也威胁到以后的热处理工艺，易使零件在 热处理的过程等过程中发生产生裂纹，降低了零件的疲劳强度，从而影响了零件 的使用性能。尤其是承受高负荷的零件和高速运动的零件。 ( 3 ) 影响工件的测量； 毛刺的存在给零件的检测方面带来麻烦，降低检测的精度或者使检测超差而 使本应合格的产品成为废品。 ( 4 ) 影响装配，甚至无法装配； 毛刺的存在可能使配合零件之间发生干涉甚至卡死，也可能划伤已加工表面， 破坏表面质量，尤其是在自动化装配的中，毛刺的存在影响了装配的自动化的进 程。 ( 5 ) 毛刺脱落后产生负毛刺，影响工件精度； 毛刺的脱落有可能形成负毛刺，亏缺和毛刺一样能影响零件的精度，因此毛 2 食窿翰亿 l 。一 f 陛一 百追i 医 乃r。r一 爵k 液压元件和气压元件中的毛刺会影响零件的控制质量，导致误动作等事故， 也会影响零部件之间的密封性能。 ( 7 ) 在使用过程中脱落的毛刺会导致传动受阻，增大磨损和短路等； 毛刺脱落后进入液压或气压系统的回路中，会影响液体或气体的流动，造成 堵塞，降低工作性能，甚至使运动件卡死。当零部件做机械运动或振动时，毛刺 的存在和脱落的毛刺会加剧运动件的磨损，使运动受阻失灵。毛刺的脱落也会造 成应力集中，从而影响零件的使用寿命。对于电器元件来说毛刺的存在会破坏导 线，进而造成断路或短路。 ( 8 ) 加速刀具的磨损； 毛刺的存在会加速刀具的磨损，影响刀具的使用寿命，比如车削的过程中沿 着主切削刃产生的两侧方向毛刺就会磨损切削刃。 ( 9 ) 去毛刺耗费大量的时间和费用； 毛刺的去除一般采用手工操作，去除效率很低，耗用了大量的人力 和时间，从而花掉了大量的去除费用。 ( 1 0 ) 在加工、运输中会威胁操作人员的安全； 毛刺的存在对加工人员，搬运工和装配工的安全都带来很大的威胁，容易划 伤操作人员。 ( 1 1 ) 影响工件的美观。 工件上毛刺的存在对涂装很不利，影响了油漆的附着力，表面涂镀不均匀， 影响了零部件的外观。 1 2 金属切削毛刺的研究进展 1 2 1毛刺形成机理研究 1 9 5 8 年，日本京都大学奥岛教授等人开始注意到了毛刺对加工质量的影响， 结合刨削加工和车螺纹加工等，根据毛刺的不同形状把毛刺分为几个类型，开始 了毛刺形成及其控制方法的研究，并提出了若干控制毛刺形成的方法【3 】。 1 9 7 3 年，美国犹他州立大学的l k g i l l e s p i e 将金属切削毛刺按形成机理分为 泊松毛刺、翻卷毛刺、撕裂毛刺和切断毛刺四种类型。研究认为钝圆半径和摩擦 3 。江苏大学博士学位论文：金属切削毛刺形成的数值模拟及控制技术研究 是影响毛刺的主要因素，并利用变形理论推出了泊松毛刺的理论计算公式，从而 开始了毛刺形成机理的研究【4 】o 1 9 8 2 年，岩田一明用s e m 观察了铝材料的正交切削实验下毛刺的形成过程； 在不同的切削条件下，发现了三种类型的毛刺：由于塑性弯曲形成的正毛刺、由 于沿负剪切区域产生裂纹使切屑被撕裂而形成负毛刺及部分切屑仍留在工件终端 部形成的毛刺，如图1 2 所示。岩田认为负剪切区的形成以及沿变形区域的裂纹扩 展是毛刺形成重要影响因素【5 1 。 ( a ) 正毛刺 ( b ) 负毛刺 ( c ) 滞留毛刺 图1 2 铝加工中的毛刺 1 9 8 7 年，k a z u on a k a y a m a 对黄铜进行了切削实验，根据实验中产生的不同毛 刺形式对毛刺的形态按刀具切削刃和毛刺伸展方向的不同分为8 种基本形态，实 验表明：影响毛刺尺寸的主要因素有切削厚度，润滑状态，剪切应变，支撑刚度 等【6 】。 1 9 8 8 年，王贵成建立了切削运动一刀具切削刃的毛刺分类体系，系统的开展 了两侧方向毛刺、进给方向毛刺及切削方向毛刺形成机理及控制的切削试验研究， 系统研究了毛刺形成变化的基本规律，研究了毛刺形态转换的基本界限条件，并 提出了若干减小和抑制毛刺的技术、工艺和方法【2 】。 2 0 世纪9 0 年代以来，美国加利福尼亚伯克利分校机械工程学院自动化研究室 的d a d o m f e l d 教授等分别开展了t i m 6 a i - - 4 v 、舢一6 0 6 1 及黄铜等材料的钻削、 铣削形态和切削条件间的毛刺控制图表，根据图表可以实现对毛刺形态的控制【7 o l 。 2 0 0 5 年，上海交通大学的马春翔等人研究了振动车削过程中进给方向毛刺的 形成情况，把椭圆振动车削、普通振动车削和普通车削过程中形成毛刺的尺寸进 行了对比，并且对振动车削抑制车削进给方向毛刺的机理进行了一些分析【1 1 】。 2 0 0 5 年，a n d r e yt o r o p o v 、s u n g l i mk o 和b y u n g k w o nk i m 进行了车削a 1 6 0 6 1 4 第一章绪论 - - t 6 实验、研究了进给量、切削速度、切削深度、端面角等因素对进给方向毛刺 的影响【1 2 1 。 1 2 2 毛刺的测量 毛刺的研究、抑制，去除以及少无毛刺加工都需要对毛刺进行测量，所以多 种多样的测量方法不断出现。根据各种情况需要测量的毛刺特征主要有毛刺高度， 毛刺厚度，毛刺硬度，毛刺体积等，在这些特征中最常用的是毛刺高度和毛刺厚 度【1 3 1 。 精确的测量毛刺可以使用金相方法，该方法不但可以测量毛刺硬度、材料组 织结构变化，也可以测量卷曲毛刺的高度和厚度，但是该方法是破坏性的，金相 截面的制备比较耗时，也只能测量到一个截面的状况【1 4 1 。 毛刺测量的光学方法比较多，拍照法，显微法，激光法等是使用比较多的光学 方法，t o s h i h i r o 给出了一个去毛刺机器人的视觉系统的基础分析【1 5 1 ，该系统装有一 个拍照传感器和一个脉冲发射器；l e e 根据去毛刺的力学模型给出了二维图像描述 毛刺的办法；s h i m o k u r ak 给出了一个激光测量毛刺高度和厚度的方法【1 6 】。 l e e 给出了一种利用电容传感器毛刺在线测量系统【1 7 1 ，在超精密铣床上安装非 接触测量传感器来沿着已加工棱边测量毛刺形态，j o n e ss 也用这种装置来定量测 量毛刺尺寸f 1 8 】。 1 2 3 毛刺形态与尺寸的预测预报 金属切削加工是金属在刀具前刀面和切削刃的作用下，产生剪切滑移的变形 过程，毛刺形成于切肖0 加工，其形成与变化也非常复杂。因此，目前国内外有关 金属切削毛刺形态和尺寸的定性及定量的研究成果还不多见。主要有： 1 9 8 7 年，河村末久等基于平面应变理论及v o nm i s e s 屈服准则，建立了正交 切削工件两侧方向毛刺根部厚度理论预测模型【1 9 1 ，如图1 3 所示，假设离切削表面 最深处e 点的应力满足v o nm i s e s 屈服准则6 ；一0 1 6 2 + f f ；o ：时，该点到切削面的 距离k 为两侧方向毛刺厚度b 。并由不同条件下的试验结果对理论模型进行了分 析，与实验结果吻合。研究结果表明：毛刺厚度随着切削厚度和刀具前角的增加 而增加；随着刀尖钝圆半径、切削力的增加、材料的屈服极限的增摩擦角及剪切 面上应力的减小而减小。 5 江苏大学博士学位论文：金属切削- l * , i 形成的数值模拟及控制技术研究 c ， 图1 3 河村的平面应力模型 ，o - = 一l _ _ o _ o s i n 0 9 2 ( 0 2 0 1 ) + s i n 2 0 5 一s i n 2 0 , + c o s 0 9 ( c o s 2 0 5 一c o s 2 0 , ) 】 l 2 万 i 吼一丢【s i 蚴 2 ( 晓一日) + s i n 2 最_ s i n 鸩) + c 0 s 0 9 ( 4 l i l 篑+ c o s 2 0 , 一c o s 弛) 】 _ 一争蚴( c o s 2 0 , 堋s 2 0 5 ) m s 0 9 一0 2 ) + s i n 2 0 2 “n2 0 , 1 a 。1 i 吼= 半+ ( 孚) 2 + 2 l 吒= 半一( 孚) 2 + 2 1 9 9 6 年，s l k o 利于弹塑性断裂理论，对毛刺及亏缺的形成机理进行了理论 分析，建立了金属切削亏缺形成的界限准则刚。他认为刀尖的等效应变超过某值 时在该处产生裂纹，由裂纹的扩展和刀具的推挤最终使切屑与工件分离形成亏缺。 g l c h e r n 在运用s m e 试验的基础上，继续扩展了这一理论，并指出当刀具接近工 件的终端面，工件终端面发生变形，在工件的终端面就会形成负剪切变形区，若 裂纹未沿着负剪切变形区扩张则会在塑性弯曲变形和塑性剪切变形的作用下形成 毛刺【1 7 1 。 1 9 9 6 ，g l c h e r n 利用最小能量原理提出了基于几何力学的二维正交切削模 型，得出了负剪切角理论计算公式；推出了对塑性材料切削加工时形成毛刺高度h 及根部厚度曰的理论预报模型；分析了刀尖处应力状态，认为在该应力超过某值 时，将会沿着负剪切面产生裂纹，从而形成亏缺1 2 0 1 。在此基础上，s l k o 建立了 斜角切削时毛刺和亏缺的形成模型。以塑性断裂准则为依据，提出了裂纹产生条 件；推出了裂纹产生角度和初始位置的求解公式【2 1 】。 6 第一章绪论 1 9 9 9 年，j k i m 根据不锈钢材料的钻削试验制定了钻削毛刺的控制图表，如图 1 4 所示。将毛刺按照对钻头直径的比例分为三种形态：优化均匀毛刺( i 型) 、 均匀毛刺( i i 型) 和冠型毛刺；研究认为影响钻削毛刺形成的主要因素为：钻头 直径、进给速度及主轴转速将毛刺分为三个不同区域；使用者可以根据图表的f 和s 来预测毛刺的形态，利用图表对毛刺形态进行控制和预测【2 2 】。 在运用钻削毛刺控制图表( d b c c ) 的基础上，基于i n t e m e t 网络s m i n 和j k i m 开发了的钻削毛刺专家系统，系统以钻削试验数据建立数据库，以d b c c 为推理 判别依据，以j a v a 应用程序为手段，实现了毛刺形态的预报预报，并且可以根据 所期望毛刺形态对切削条件进行优化选择，从而对毛刺的形成进行控制【2 3 1 。 1 0 0 奶5 0 0 s = l05 dn ，f = ，d ；，d ：钻头直径，n ：主轴转速，厂：进给速度， 图1 4 钻削毛刺控制图表 2 0 0 0 年，a n d r e yt o r o p o v 和s u n g - l i mk o 建立了一个考虑了热和力的预测切削 方向毛刺尺寸的数学模型以1 。 2 0 0 3 年以来，王贵成以直角自由切削试验为基础，建立了两侧方向毛刺形成 的数学力学模型，系统揭示出两侧方向毛刺与切屑剪切应变的关系，得出了两 侧方向毛刺形态转换的界限条件，实现了两侧方向毛刺的预报【2 5 1 。2 0 0 4 年，又先 后运用弹塑性力学理论，针对二维和三维切削加工，初步建立了金属切削毛刺形 成的数学力学模型，在一定范围内实现了毛刺形成的预报和控制【2 6 加。 2 0 0 6 年a n d r e yt o r o p o v 、s u n g l i mk o 建立了一个预测进给方向毛刺尺寸的力 学模型。此模型是在实验的基础上得到的基于进给量、切削速度、端面角、切削 深度的模型【溯。 7 江苏大学博士学位论文：金属切削毛刺形成的数值模拟及控制技术研究 1 2 4 毛刺的仿真