金属玻璃切削过程中片状切屑的形成机理.doc

金属玻璃作为一种具 有广阔应用前景的新型材料，在推进其工程应用的过程中，高效率、高精度的加工（包括切削、车削和钻削等）是必不可少的一个环节。然而，对于金属玻璃在切削 过程中的变形行为及其物理机制的研究要远远落后于晶态合金材料，其中对于切屑形成机理的理解至关重要。金属玻璃在切削过程中常常会产生一种独特的连续的片 状切屑，即使是在切削速度非常低的条件下。由于金属玻璃较低的热导率，这种片状切屑一般认为也是由于绝热剪切带的周期形成导致的。但是，与传统晶态材料相 比，金属玻璃具有截然不同的塑性流动机制。因此，基于STZ的自由体积的非线性演化及其动态失稳有可能在片状切屑的形成过程中起重要作用，而这一点在以前 的研究中还未见报道。此外，在金属玻璃切削过程中极限环分叉现象是否仍然存在？如果存在，那么主控机制是什么？对于这些问题的回答不仅对于金属玻璃的应用 至关重要，而且将有助于我们更好地来理解金属玻璃的流动机理，甚至剪切带的形成机制。基于上述考虑，我们进行了Vit 1块体金属玻璃的低速切削实验，发现产生的独特的片状切屑主要归因于刀具前面主剪切区内剪切带的周期形成(见图1）。基于实验观察，考虑在主剪切区内力、 自由体积和温度的平衡，发展了一种热力耦合的正交切削模型来定量表征片状切屑的形成。采用线性扰动分析，揭示了片状切屑形成的临界条件。这种切屑的形成可 以理解为一种自我维持的极限环失稳现象（见图2），即在主剪切区内应力、自由体积和温度的自动反馈。其背后的物理机制是自由体积流和源的对称破缺，而不是 热失稳。相关工作已经发表在Acta Mater 57 (2009) 5730-5738.M.Q. Jiang-Acta Mater 2009投稿及审稿过程见以前博文：/m/user_content.aspx?id=216213Formation mechanism of lamellar chips during machining of bulk metallic glassM.Q. Jiang, L.H. Dai *State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, ChinaReceived 27 November 2008; received in revised form 19 February 2009; accepted 19 February 2009 Available online 28 March 2009AbstractThe unique lamellar chips formed in turningmachining of a Vit 1 bulk metallic glass (BMG) are found to be due to repeated shearband formation in the primary shear zone (PSZ). A coupled thermomechanical orthogonal cutting model, taking into account force, free volume and energy balance in the PSZ, is developed to quantitatively characterize lamellar chip formation. Its onset criterion is revealed through a linear perturbation analysis. Lamellar chip formation is understood as a self-sustained limit-cycle phenomenon: there is autonomous feedback in stress, free volume and temperature in the PSZ. The underlying mechanism is the symmetry breaking of free volumef low and source, rather than thermal instability. These results are fundamentally useful for machining BMGs and even for understanding the physical nature of inhomogeneous flow in BMGs.Keywords: Bulk metallic glass; Lamellar chip; Orthogonal cutting model; Free volume; Limit cycle图1 Vit1金属玻璃切削过程中形成的切屑形貌图2 极限环分叉行为转载一份机械加工/金工实习安全教育材料 金属切削加工中常见的伤害事故 刺割伤：操作人员使用较锋利的工具刃口，如金工车间里正在工作着的车、铣、刨、钻等机床的刀锯，就像快刀一样，能对未加防护的人体部位造成极大伤害。 物体打击：车间的高空落物，工件或砂轮高速旋转时沿切线方向飞出的碎片，往复运动的冲床、剪床等，可导致人员受到打击伤害。 绞伤：机床旋转的皮带、齿轮和正在工作的转轴都可导致绞伤。 烫伤：切削加工下来的切削崩溅到人体暴露部位上导致人员烫伤。 金属切削加工安全操作 穿紧身防护服，袖口不要敞开。留长发的，要戴防护帽。操作时不能使用手套，以防高速运转的部件绞缠手套而把手带入机械，造成伤害。在机床主轴上装卸卡盘时，应在停机后进行，不可用电动机的力量切下卡盘。车削形状不规则的工件时，应装平衡块，并试转平衡后再切削。刀具装夹要牢靠，刀头伸出部分不要超出刀体高度的倍，垫片的形状、尺寸应与刀体形状、尺寸相一致，垫片应尽可能的少而平。除了装有运转中自动测量装置的车床外，其他车床均应停车测量工件，并将刀架移动到安全位置。对切削下来的带状或螺旋装的切削，应用钩子及时清除，不准用手拉。操作车床时，应在合适的位置上安装透明挡板，以防止崩碎切削伤人。用砂轮打磨工件表面时，应把刀具移到安全位置，不要让衣服和手接触工件表面。加工内孔时，不可用手指支撑砂轮，应用木棍支撑，同时速度不宜太快。 为防止切削崩碎伤人，应在合适的位置上安装透明挡板。 持工件的卡盘、拨盘、鸡心夹的凸出部分最好使用防护罩，以免绞住衣服及身体的其他部位。如无防护罩，操作时应注意安全距离，不要靠近。 用顶尖装夹工件时，顶尖与中心孔应完全一致，不能用破损或歪斜的顶尖。使用前应将顶尖和中心孔擦净，后尾座顶尖要顶牢。 禁止把工具、夹具或工件放在车床床身上和主轴变速箱上。 冲压作业常见事故 冲压工作最常见的事故是手指被切断。工件被挤飞伤人。 齿轮或传动机构将操作人员绞伤。 模具起重、安装、拆卸时造成砸伤、挤伤。 冲模或工具崩碎伤人。冲压作业事故原因 私自拆除安全装置或安全装置失效，导致事故发生。停机检修时，未采取保护措施，机器突然启动发生事故。多人操作，动作不协调，发生误操作。 违反操作规程，在压力机正要运行时，用手进入模内进行调整作业。 身体不适、疲惫、体力不支发生误操作。 安全操作压力机 依照安全操作规程进行作业。 整理好机器周围空间，地上杂物冲洗清理干净，以防工作时滑跌或绊倒。 停机检修或因其他原因停机时，应使用安全片或安全塞防止意外滑动事故，并在明显处挂牌警告。 绝对不能私自拆除安全装置或使其功能失效。 服装要整齐，使用指定的作业工具和劳保用品（安全帽、手套、工夹具等）。 两人以上共同作业时，需设置两个以上开关，同时启动时才能有效。 身体不适、疲惫时，禁止作业。 定期检修安全装置。 整理好工作空间，将一切不必要的物件清理干净，以防工作时震落到开关上，造成冲床突然启动发生事故。 每日作业前，检查冲压机（离合器、制动器、安全装置），出现问题应立即进行修补，保证完好。 可能发生的被夹、卷事故 操作机器时精力不集中，想其他事，结果发生误操作，导致事故； 安装、拆卸夹具时，机器突然启动； 上料、取料，装、卸工件时，没有正确使用安全装置； 检查产品、材料时，机器突然启动；加油时，机器突然启动； 试车时，机器突然启动； 清扫铁屑时，戴手套工作；夹卷事故预防措施 机器的旋转轴、传送带等旋转部位要加护罩、安全护栏、安全护板等直接防护，拆掉这些安全装置时，须经上级批准；为防止身体等不慎碰触启动键而使及其启动，启动键应加以防护，做成外包式或凹陷式；作业时，穿戴合适的工作服、戴安全帽、穿防砸鞋等，不得穿裙子、戴手套、围巾，长发不能露在帽外，不得佩带悬吊饰物。 作业前检查服装是否有被卷入的危险（脖子上缠的毛巾、上衣边、裤角等）； 保证作业必要的安全空间； 机器开始运转时，严格实行规定的信号； 机器运转时，禁止用手调整或测量工件，禁止用手触摸机器的旋转部件； 清理铁屑等接近危险部位的作业，应使用夹具（如搭钩、铁刷等）； 停机进行清扫、加油、检查和维修保养等作业时，须锁定该机器的启动装置，并挂警示标志； 感到有危险时，立即操作紧急停车键。 私自拆除安全装置或安全装置失效，导致事故发生。（来源：/Soft/A08/200811/28492.shtml）理解金属玻璃中的锯齿状塑性流动 最近，我们结合分子动力学模拟和连续介质力学建模分析，揭示出金属玻璃中的锯齿状流动行为主要取决于内部不可逆原子重排的程度，而这种重排必然是在时间上非均匀的，而与空间上的非均匀行为（或者剪切带）没有直接关联。本文工作进一步验证了W.H. Jiang在2008年国际塑性上关于非均匀变形的时空特性的猜想图像。相关结果发表在计算材料科学杂志。M.Q. Jiang-CMS-2009Smaller Deborah number inducing more serrated plastic flow of metallic glassM.Q. Jiang a, S.Y. Jiang a, Z. Ling a, L.H. Dai a,b,* a State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, PR Chinab State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, PR Chinaa b s t r a c tSpherical nano-indentations of Cu46Zr54 bulk metallic glass (BMG) model systems were performed using molecular dynamics (MD) computer simulations, focusing specifically on the physical origin of serrated plastic flow. The results demonstrate that there is a direct correlation between macroscopic flow serration and underlying irreversible rearrangement of atoms, which is strongly dependent on the loading (strain) rate and the temperature. The serrated plastic flow is, therefore, determined by the magnitude of such irreversible rearrangement that is inhomogeneous temporally. A dimensionless Deborah number is introduced to characterize the effects of strain rate and temperature on serrations. Our simulations are shown to compare favorably with the available experimental observations.锯齿状流动与时间非均匀原子不可逆重排的内在关联 本文引用地址： /m/user_content.aspx?id=232657金属玻璃中剪切带厚度的预测 Prediction of shear-band thickness in metallic glassesM.Q. Jiang,a W.H. Wangb and L.H. Daia,*aState Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190,Peoples Republic of ChinabInstitute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, Peoples Republic of ChinaReceived 20 November 2008; revised 31 January 2009; accepted 20 February 2009Available online 27 February 2009We derive an explicit expression for predicting the thicknesses of shear bands in metallic glasses. The model demonstrates that the shear-band thickness is mainly dominated by the activation size of the shear transformation zone (STZ) and its activation free volume concentration. The predicted thicknesses agree well with the results of measurements and simulations. The underlying physics is attributed to the local topological instability of the activated STZ. The result is of significance in understanding the origin of inhomogeneous flow in metallic glasses.2009 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.Keywords: Metallic glasses; Shear band; Shear transformation zone; Free volumeFigure 3. Prediction of shear-band thickness W. (a) Dependence of Poissons ratio m and activation free volume concentration n* on W for fixed STZ size d = 1.5 nm. (b) Dependence of n* and d on W for fixed m = 0.36.相关工作发表在 Scripta Materialia 60 (2009) 10041007M.Q. Jiang-SMM-2009金属切削理论发展的历史回顾 摘要本文回顾了金属切削理论发展的历史，将其发展的历史大致划分为三个阶段，并总结了各个阶段的主要成果。关键词切削加工金属切削理论一引言做为机械加工的一种重要方法，金属切削加工具有相当悠久的历史，而且在可以预见的未来，金属切削加工作为一种机械加工方法，都是不可替代的。因而作为研究金属切削加工的基础科学金属切削理论的研究还应该加以重视并继续加强。金属切削理论做为总结分析和指导切削加工实践的一门学科也是古老而又充满活力的。以下我们对金属切削理论发展的历史和各个重要阶段的主要成果加以总结回顾，以便大家对应用力学领域的这一分支有所了解。二金属切削理论发展主要阶段对金属切削理论的研究可以追溯到十七世纪，1679年Hooke把他包括6个主要工作的一组报告汇集一起，出了一个单行本论刀具切 削（lectionesculeriannae）1，这本书中至少包括了Hooke的两个重要的科学发现，一是提出了以其名字命名的定理，这就是 著名的应力与应变成正比的弹性定理。另一个发现是Hooke直觉地理解到振动着的弹簧与一个单摆是动力等价的。但真正作为一门学科来研究的话，金属切削理 论研究大致从1850年算起2。回顾金属切削理论研究一百多年的历史，根据研究重点的不同，可以分为以下三个时期：第一研究阶段可称为力学或切屑形成机理时期（MechanicsorChipFormationPeriod），大致为1850-1900年 五十多年的时间。1774年，J.Wilkinson发明了第一台金属镗床，提高了汽缸的加工精度，减少了汽缸和活塞间的蒸汽泄漏，从而使得J.Watt 的蒸汽机的应用成为可能，从这一典型事例中我们可以知道金属切削加工在当时社会生产中具有非常重要的地位，是当时最先进的加工方法。这一阶段的初期，金属 切削理论主要研究方向是研究切削过程中的切削力和消耗的切削能量，主要的研究者有H.Cocquihat3,Wiebe4和 Joessel5。1851年，H.Cocquihat研究了在铸铁，黄铜和石头等材料上钻孔时，切去一定体积材料所需要的功。1864 年，Joesse探讨了刀具几何角度对切削力的影响。在这一时期的后半段，主要的研究方向是塑性剪切和切屑形成机理。Timme6，7，8在1870 年提出切屑是经过剪切面的剪切变形而形成的。Tresca9，10于18641872年间在一系列金属挤压实验基础上提出了最大剪应力屈服准则， 可以认为是塑性本构关系实验与理论研究的开始。到1873年和1878年Tresca又提出切屑的形成是工件材料受刀具挤压，从而在垂直切削方向的平面发 生剪切变形的过程。在这一时期也开始了切削模型的研究，在1881年，Mallock11提出了类似于卡片模型的理论，而Zvorkin12则在 1893年建立了剪切角关系式，他假设剪切面是剪应力最大面。值得注意的还有塑性力学Durcker公设的提出者Durcker13等力学家的工作。 回顾这一阶段的历史，可以发现，切削理论的研究一开始就是和力学的研究有着紧密的关系，金属切削过程中所遇到的问题既给力学家们提供了新的课题，也为他们 提供了验证其力学理论可靠而又简便的试验手段。考察自然科学的发展史，在当时力学起着先导和基础的作用，处于自然科学的前沿地位。所以金属切削理论的研究 起点是很高的，也是居于当时自然科学的前沿地位。这也跟金属切削加工在当时社会生产中的地位相适应。第二研究阶段可称为切削可加工性时期（MachinabilityPeriod），大致从1900-1930年共约30年时间。在这一时期随着社会生 产力的发展，金属切削加工技术也有了长足的进步，新的刀具材料和加工工艺不断出现。例如，1898年Taylor和White发明高速钢。1930年前 后人们又发明了硬质合金。新的刀具材料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应用范围越来越广。以高速钢的应用为例，Trent在他的名著 MetalCutting中写到“高速钢刀具的出现引起了金属切削实践的革命，大大提高了机械加工车间的生产率，并要求完全改变机床的结构，据估 计，在最初几年，美国的工程制造业，由于使用了价值二千万美元的高速钢而增加了八十亿美元的产值。”与此同时，生产实际也给金属切削研究者带来了许多急需 解决的问题，例如刀具的耐用度，加工表面质量，切屑的排除等等。这一时期金属切削理论主要的成果有，1907年Taylor14在整整工作了26年切 除了3万吨切屑，掌握了10万个以上的实验数据的基础上，在他经典的论文“OntheArtofCuttingMetal”中提出了著名的刀具 耐用度公式，第一个研究了切削速度和刀具耐用度之间的关系。这一公式对今天预测刀具耐用度仍有重要的指导意义。有些学者认为金属切削理论的研究是从 Taylor开始，虽不确切，但Taylor的工作确实是金属切削理论史上一个重要的里程碑。而切削可加工性（Machinability）这一概念则是 二十世纪20年代中期首先由Herbert,Rosenhain和Sturney15提出，在这一时期切削加工性主要是指切削速度与刀具耐用度之间 的关系，而对切削表面质量，切屑去除和尺寸精度等的研究还不深入。切削加工性被看作是与材料的硬度，韧性等有关的材料的一个重要特性。在这一时期还开始关 注刀屑温度的重要性并进行了初步的研究。第三研究阶段从二十世纪30年代至今，可以称之为理论推广应用时期（AmplificationandApplicationPeriod）,传 统意义上的金属切削理论研究在二十世纪六七十年代达到高峰。在这一时期总结了上两个时期的研究成果，将切屑成形机理与切削可加工性的关系的研究发展到了一 个新的高度。而在实验手段和理论应用于生产方面也达到了前所未有的水平，这一时期比较重要的工作有：Bisacres和Chao16，17在40 年代中期首先研究了切削过程中的切削温度分布，提出了温度参数的概念（其中为切削速度，为切削厚度，为热导率）。以后还有 Trigger，Lowen等人的工作，这在以后的章节中还要加以详述。在正交切削模型的研究方面，Pisspen、Merchant、Lee和 Shaffer、Shaw以及Oxley等都做了重要的开创性工作。日本的工藤英明，臼井英治利用视塑性方法构造滑移线场，从而建立切削方程式的新方法 也值得加以重视。我国的金属切削理论研究者也作出了重要的贡献。这一时期研究重点是切削过程中出现的各种现象及其发生机理的研究，例如剪切角关系、切削温 度分布和刀具磨损、切屑卷曲机理以及积屑瘤形成机理等等。金属切削机理的研究可以说是在六七十年代到八十年代初期达到高峰期，新理论，新方法不断涌现，计 算机技术的飞速发展及其广泛应用使得金属切削机理的研究有了新的强有力的工具。在这一时期还出现了英国金属学家Trent的 MetalCutting、美国金属切削理论家Shaw的MetalCuttingPrinciples等全面总结性介绍金属切削理论 和实验技术的经典著作。八十年代以后随着计算机技术，自动控制技术在金属切削生产中的广泛应用，金属切削加工的研究重点逐步转向切削加工与计算机技术和自 动控制技术相结合方面。对金属切削过程本身现象发生机理的研究相对较少。作者认为要更好地应用计算机技术、自动控制技术于金属切削加工的生产实际中，还是 应该重视金属切削基础理论的研究。而且随着生产力的进一步发展，新材料、新工艺的不断涌现以及计算机技术和自动控制技术的在金属切削加工中更为广泛深入的 应用，必将为金属切削基础理论的研究开拓新的方向，提出新的要求。三结束语以上简要回顾金属切削理论的发展史，不难发现金属切削理论应该是属于应用力学的一个分支，它是一门古老的基础学科，曾经处于力学的前沿地位，为当时力学的 发展作出了很大的贡献。更为重要的是金属切削理论作为切削加工的理论基础，始终是与社会生产实际结合在一起的。它既是生产实践活动的客观总结，又对生产实 践起着重要的指导作用。这正是金属切削理论之所以能够得到长期不断发展的根本原因。回顾历史，展望未来，作者认为金属切削理论今后的发展方向主要有以下两个方面：1 紧密联系生产实际，研究解决不断涌现的新材料的切削加工机理和加工方法以及切削加工向精密化、自动化和智能化发展过程中所碰到的各种问题。在实验和理论分析计算等方面应用计算机作为一种强有力的工具，以求得到更为精确的理论结果，开拓新的研究领域。2 金属切削过程是一个复杂的动态过程，它具有比常规力学试验大得多的变形和高得多的应变率。金属切削过程中既有弹性变形，又有塑性变形，还有很高的切削温度 和复杂的摩擦条件，所以金属切削过程的力学实质到目前为止还有许多未能彻底搞清楚的地方，对金属切削力学机理的研究必将有助于力学的发展和进步，这已经被 前人的实践所证明，也必将被未来的实践所证实。例如，当前力学研究的前沿之一是对在高应变率下材料动态力学性能的研究，切削过程正是这样一个大应变和高应 变率的过程，运用切削方法可为研究这一动态过程的力学特性提供方便可靠的实验手段。研究切削过程中材料的变形机理应该成为这一研究方向的重要内容。总之，金属切削机理研究并不是已经没有可以值得研究的内容，相反，在这一领域里还有许多值得我们去研究探讨和加以完善的内容。参考文献1 石光绮译.RobertHook.DictionaryofScientificBiography.力学与实践.第3卷.第三期，1981.3:70-732 A.Henkin,J.Datsko.TheInfluenceofPhysicalPropertiesonMachinability.Trans.ASME,1963:321-3283 H.Cocquilhat.ExperiencessurlaResistanceUtileProduitesdansleForage.AnnalesdesTrarauxPublicsenBelgique.Vol.10,1851:1994 F.Wiebe.HandbuchderMaschinen-Kunde18585 Jossel.VersucheubergunstigesteFormundVerwendungderSchneid-WerkzengeVonStandpunctederOeconomiederBetriebeskraft.Zeitschrift,OesterreichischenIngenieurundArchitekenVereins,1865:1526 K.P.Panchenko.RusskieUcheniyeOcnovopolozhnikiHaukiORezaniiMetallovMashgiz.Moscow,19527 I.A.Timme.Soprotivleniemetallovidrevarezaniyu.St.Peterburg,18708 I.A.Timme.MemoirssurleRabotageSt.Peterburg.18779 H.Tresca.MemoirssurleRabotagedesMetaux.BulletindelaSocietedEncouragementPourlIndustrieNationale.St.Peterburg.,187710 H.Tresca.OnFurtherApplicationsoftheFlowofSolids.ProceedingsI.Mech.E.1878:30111 A.Mallock.TheActionofCuttingTools.ProceedingsoftheRoyalSocitey.Vol.33,1881:127-13912 K.A.Zvorikin.RabotaIUsilie,NeobkhodimiedlayaOtdele-nayaMetallicheskikhStruzhek.Moscow,189