高速切削过程绝热剪切局部化断裂预测.pdf

第 5 2卷第 5期 2 0 1 6 年 3 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG Vo1 52 NO 5 M a r 201 6 DoI 1 O 39 01 J I E 2 01 6 O 5 1 8 6 J L C 同 速切削过程绝热剪切局部化断裂预测木 谷丽瑶 2 王敏杰 1 大连理工大学精密和特种加工教育部重点实验室大连I 1 6 0 2 4 2 西南交通大学材料科学与工程学院成都6 1 1 7 5 6 1 摘要 基于高速切削过程绝热剪切饱和极限理论 结合锯齿形切屑绝热剪切带的变形和受力条件 以及材料的动态塑性本构 关系 建立以切削速度 切削厚度和刀具前角为预测变量的高速切削过程绝热剪切局部化断裂的预测模型 并以淬硬 4 5钢 和 F V5 2 0 B 不锈钢为例 预测其发生绝热剪切局部化断裂的临界切削条件 通过高速切削试验和金相试验 讨论了切削条 件对绝热剪切局部化断裂过程的影响规律和敏感程度 验证了绝热剪切局部化断裂的预测结果 结果表明 较大切削厚度和 较小刀具前角会降低绝热剪切局部化断裂的临界切削速度 建立的绝热剪切局部化断裂预测模型能有效预测切屑发生绝热剪 切局部化断裂的临界切削条件 关键词 高速切削 绝热剪切 锯齿形切屑 断裂 预测 中图分类号 T G5 0 1 Pr e d ic t io n o f Ad ia ba t ic Sh e a r Lo c a l iz a t io n Fr a c t u r e in Hig h S pe e d M a c h ining G U L i y a o WA NG Mi n j ie 1 K e y L a b o r a t o r y o f Min is t r y o f E d u c a t io n f o r P r e c is io n a n d No n t r a d i t io n a l Ma c h i n in g Da l i a n Un iv e r s it y o f Te c h no l o gy Da l ia n 1 1 6 02 4 2 S c h o o l o f Ma t e r ia l s S c ie n c e a n d E n g in e e r i n g S o u t h we s t J ia o t o n g Un iv e r s ity C h e n g d u 6 1 1 7 5 6 Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e the o r y o f a d ia b a t i c s h e ar s a t u r a t i o n l i mi t c o mb i n i n g wit h t h e d e f o r ma t i o n a n d l o a d i n g c o n d i t i o n s o f a d i a b a t i c s h e ar b and AS B in s e r r a t e d c h i p and d y n a mic c o n s t i t u t iv e r e l a t io n the p r e d ic t io n mo d e l o f a d i a b a t i c s h e ar l o c a l i z a t i o n f r a c t u r e wi t h v a r ia b l e s o f c u t t in g s p e e d c u tti n g d e p th and r a k e ang l e is e s t a b l is h e d Th e c ri t ic a l c u t t i n g c o n d i t i o n o f AS LF o f h ard e n e d 4 5 s t e e l is p r e d i c t e d an d v e ri fi e d t h r o u g h h ig h s p e e d c u tti n g e x p e r i me n t and me t a l l o g r a p h y e x p e ri me n t T h e i n flu e n c e o f c u tt in g c o n d i t i o n s o n a d i a b a t ic s h e a r l o c a l iz a t io n fra c t u r e a ri d the c o rre s p o n d in g s e n s i b il it y are d is c u s s e d Th e r e s u l t s s h o w tha t l a r g e c u tti n g d e p t h a n d s ma l l r ak e a n g l e c a n r e d u c e t h e c ri t ic a l c u tt i ng s p e e d o f a d ia b a t ic s h e ar l o c a l iz a t io n f r a c t u r e T h e c r it ic a l c u tt in g c o n d it io n o f a d ia b a t ic s h e a r l o c a l iz a t io n fra c t u r e in c h ip c a n b e p r e d ic t e d e f f e c t iv e l y t h r o u g h a d ia b a t ic s h e ar l o c a l iz a t io n f r a c t u r e p r e d ic t io n mo d e 1 Ke y wo r d s h ig h s p e e d ma c h i n in g a d ia b a t ic s h e ar s e rra t e d c h i p f r a c t u r e p r e d ic t io n 0 前言 切削过程绝热剪切带 AS B 的出现预示着切屑 将发生断裂分离 已有试验表 卜 引 随着切削速度 的不断提高 带状切屑会 向着含有 AS B的锯齿形切 屑 到沿 AS B断裂的分离状切屑发展 对应主剪切 区的材料会依次经历均匀变形 绝热剪切失稳f 国家 自然科学基金资助项 目f 5 1 1 7 5 0 6 3 2 0 1 5 0 5 1 5收到初稿 2 0 1 5 1 2 0 5 收到修改稿 绝热剪切局部化 绝热剪切局部化断裂 AS L F 因 此 绝热剪切局部化断裂作为高速切削过程绝热剪 切演化的结果 难免会造成切削系统 的颤振 刀具 的磨损和破损 以及切屑形态 的改变 研究这种断 裂行为有助于深入理解高速切削机理 促进高速切 削技术的更好应用 有学 者对 锯齿 形切屑剪切 带的断裂 行为作 了 相关试验和理论研究 KOMA NDUR I 等 通过对镍 合金 的高速切削试验发现 主剪切区的热集 中导致 了锯齿形切屑 的断裂 G E NT E 等 通过切屑根部 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 6年 3月 谷丽瑶等 高速切削过程绝热剪切局部化断裂预测 1 9 1 对较强的压应力敏感特性 因此 其发生绝热剪切 局部化断裂 的切削速度在较小刀具前角的条件下较 淬硬 4 5钢要低一些 因此 在高速切削条件下具有 导热性好 加工硬化程度高 对压应力敏感的材料 绝热剪切局部化断裂的敏感程度越高 4 2 3 预测结果与试验结果比对 通过高速车削试验将淬硬 4 5钢和 F VS 2 0 B 不 锈钢不同刀具前角和切削厚度条件下的试验结果与 预测结果进行比较 结果如图 1 0 1 1 所示 图中显 示了完全断裂分离和未完全断裂分离的锯齿形切削 速度区域 两条 曲线基本趋势相同 预测结果与试 验结果基本一致 当高于临界切削速度条件进行车 削时 就会产生完全断裂的锯齿 为了分析绝热剪 切局部化断裂临界切削条件预测结果的准确性 采 用相对误差计算公式切削速度 的预测值 与试验 值 的相对误差 一 f 1 1 0 0 f l 5 1 通过计算 淬硬 4 5钢的相对误差基本控制在 士 l 2 的范围内 其中最大误差为 1 1 8 F VS 2 0 B 不锈钢绝热剪切局部化断裂预测结果 的相对误差基 本控制在士 1 5 的范 围内 其中最大误差为一 1 4 2 以上绝热剪切局部化断裂的预报结果 在材料 常用 的高速切削工艺参数范围内 基本满足实际应用 的 要 求 巨 襄 恩 g 息 o 4 O 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 o o o 1 2 0 0 l 4 0 0 切 削速度v mh n i n a 0 一 1 O 域 域 O 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 l 0 0 0 l 2 0 0 1 4 0 0 切削速度v m mi f b Y o 2O 图 1 0 淬硬4 5钢绝热剪切局部化断裂预测结果与试验结果 O 5 O 4 0 3 魁 坠 0 2 尽 O 1 O 5 04 0 3 0 2 O 度 区域 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 l 0 0 0 1 2 0 0 切削速度v 0 n h n i n a Y o 一 1 0 度 区域 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 切 削速度v m mi n b 0 2 O 图 1 1 F VS 2 0 B 钢 绝热剪切局部化断裂的预测结果与试验 经过分析 造成预测结果与试验结果的偏差主 要来源于 在理论方面 由于绝热剪切控制方程 材料动态塑性本构关系 锯齿形切屑的受力和变形 以及在求解过程中应用的理想假设条件和估计方法 等等进行的简化 会使预测模型与实际情况存在一 定的偏差 在试验方面 试验材料在制备过程中存 在的缺陷和均匀程度分布较难控制 热处理过程 中 由于温度不均衡会 出现材料性能的不均匀性等 难 免会对试验数据造成一定的影响 由此可见 高速 切削过程绝热剪切局部化断 裂行为具有一定的复杂 性 其发生过程难免会受到诸多可知和未知因素的 影响 然而 随着高速切削 技术 的发展和材料特性 研究工作的不断深入 应用此绝热剪切局部化断裂 预测模型可在少做 甚至不做试验的情况下得到绝 热剪切局部化断裂发生的临界切削条件 为今后进 一 步理解锯齿形切屑的绝热剪切局部化断裂行为对 切削实际的作用提供充分的理论和试验依据 5 结论 1 在饱和极 限理论 的基础上 建立 了高速切 削过程绝热剪切局部化断裂的预测模型 预测 了淬 硬 4 5钢和 F VS 2 0 B 不锈钢绝热剪切局部化断裂的 临界切削条件 结果表明 绝热剪切局部化断裂的 临界切削速度随刀具前角的减小 随切削厚度的增 大而减小 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 9 2 机械工程学报 第 5 2卷第 5期 2 切削速度是绝热剪切局部化断裂发生的必 要加载条件 切削速度 的提高会使剪切带能量聚集 程度增大 使锯齿形切屑发生绝热剪切局部化断裂 3 具有导热性好 加工硬化程度高 对压应 力敏感的材料 在高速切削条件下的绝热剪切局部 化断裂敏感程度越高 4 高速切削过程绝热剪切局部化断裂的预测 结果与试验结果基本吻合 验证 了绝热剪切饱和极 限理论及预测模型的正确性 参考文献 1 王敏杰 段春争 刘洪波 正交切削切屑形 成中绝热剪 切行为的试验研究 J 中国机械工程 2 0 0 4 1 5 1 8 1 6 03 1 6 06 WANG Mi n j i e D UA N C h u n z h e n g L I U Ho n g b o E x p e r ime n t a l s t u d y o n a d ia b a t ic s h e a r b e h a v io r in ch ip f o r ma t io n d u r in g o a h o g o n a l cu t t i n g J C h i n a Me ch a n i ca l E n g i n e e r i n g 2 0 0 4 1 5 1 8 1 1 6 0 3 1 6 0 6 2 KOMA NDUR I R S C H R OE DE R T O n s h e a r i n s t a b i l i t y i n ma ch i n i n g a n ick e l 一 一 i r o n b a s e s u p e r a l l o y J H ig h Spe e d M a ch in ing 1 98 4 287 30 7 3 S UN S BRANDT M DARGUS CH M Ch a r a ct e r i s t ics o f cu t t in g f o r ce s a n d ch ip f o rm a t io n in ma ch in in g o f t i t a n iu m a l l o y s J I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f Ma ch in e T o o l s a n d Ma n u f a ct u r e 2 0 0 9 4 9 7 8 5 6 1 5 6 8 4 王敏 杰 谷丽瑶 高速切削过程绝热 剪切局部化 断裂判 据 J 机械工程学报 2 0 1 3 4 8 1 1 5 6 1 6 3 WA NG Mi n j i e G U L i y a o F r a ctur e cri t e r i o n f o r a d ia b a t ic s h e a r l o ca l i z a t i o n d u r i n g h i g h s p e e d cu t t in g p r o ce s s J J o u r n a l o f Me ch a n i ca l En g i n e e r i n g 2 0 1 3 4 8 1 l 5 6 1 6 3 5 R E C HT R C a t a s tr o p h ic t h e rm o p l a s t i c s h e a r J J A p p 1 M ech 1 96 4 31 1 8 9 1 93 6 S E MI A T I N S R AO S S h e a r l o ca l iz a t io n d u r i n g me t a l cu t t in g J Ma t e r S ci E n g 1 9 8 3 6 1 f 2 1 1 8 5 1 9 2 7 XI E J B A YOU MI A Z B I B H F e a mo d e l in g a n d s imu l a t io n o f s h e a r l o ca l iz e d ch ip f o r ma t io n in me t a l cu t t in g J I n t e rna t io n a l J o u rna l o f Ma ch in e T o o l s a n d Ma n u f a ct u r e 1 9 9 8 3 8 9 l 0 6 7 一 l 0 8 7 8 H OU z K 0MA ND UR I R Mo d e l i n g o f t h e rm o me ch a n ica l s h e a r in s t a b il it y in ma ch in i n g J I n t J Me ch S ci 1 9 9 7 3 9 f 1 1 1 1 2 7 3 1 2 7 5 9 1 GUOHE L MI NJ I E W CHUNZHE NG D Ad i a t l a t ic s h e a r cr i t i ca l co n d i t i o n i n t h e h ig h s p e e d cu t t i n g J J Ma t e r Pr o ce s s Te ch 2 0 0 9 2 0 9 3 1 3 6 2 1 3 6 7 1 0 G E NT E A HO F F ME I S T E R H E V A NS C C h i p f o rm a t io n in ma ch in in g T i6 a 1 4 v a t e x t r e me l y h ig h cu ttin g s p e e d s J C ir p A n n Ma n u f T e ch n 2 0 0 1 5 0 1 4 9 5 2 1 1 B AR R Y J B Y R NE G T h e me ch a n is ms o f ch i p f o rm a t i o n in ma ch i n in g h a r d e n e d s t e e l s J J o u r n a l o f Manu f a ct u r in g S cie n ce a n d E n g i n e e ri n g 2 0 0 2 1 2 4 3 5 28 5 35 1 2 苏国胜 高速切削锯齿形切屑形成过程与形成机理研 究 D 济南 山东大学 2 0 1 1 S U Gu o s h e n g E v o l u t io n a n d me ch a n is ms o f s a w t o o t h ch ip f o rm a t i o n i n h i g h s p e e d ma ch in in g D J i n an S h a n d o n g Un iv e r s it y 2 0 1 1 1 3 S O WE R BY R C HAN DR AS E KA R AN N Ap r o p o s a l for t h e o n s e t o f ch i p s e g me n t a t io n i n ma ch i n i n g J Ma t e ria l s S cie n ce a n d En g in e e ri n g 1 9 8 9 1 1 9 2 1 9 2 2 9 1 4 MAR US I C H T OR T I Z M Mo d e l l in g and s imu l a t io n o f h i g h s p e e d ma ch i n i n g J I n t e rna t io n a l J o u r n a l for N u me ri ca l Me t h o d s i n E n g i n e e ri n g 1 9 9 5 3 8 2 1 36 75 3 6 94 1 5 G UO Y YE N D A F E M s t u d y o n me ch a n is ms o f d i s co n t in u o u s ch i p f o rm a t io n in h a r d ma ch i n i n g J J M a t e r P r o ce s s T e ch 2 0 0 4 1 5 5 1 3 5 0 1 3 5 6 1 6 J I AN G H u a S HI VP U RI R P r e d ict i o n o f ch i p mo r p h o l o g y a n d s e gm e n t a t io n d u r in g t h e ma ch in in g o f t it a n iu m a l l o y s J J o u rna l o f Ma t e r i a l s P r o ce s s i n g T e ch 2 0 0 4 1 5 0 1 2 1 2 4 1 3 3 1 7 谷 丽瑶 王敏杰 孙传 俊 高速 切削过程绝热 剪切局部 化断裂特性试验研究 J 机械工程学报 2 0 1 4 5 0 1 3 1 4 2 1 4 7 GU L iy a o WANG Mi n iie S U N C h u a n j u n E x p e rime n t a l s tud y o n ch a r a ct e r is t ics o f a d ia b a t ic s h e a r l o ca l iz a t io n fra ct u r e i n h i g h s p e e d ma ch i n i n g J J o u r n a l o f Me ch a n i ca l E n g i n e e r in g 2 0 1 4 5 0 1 3 1 1 4 2 1 4 7 1 8 李国和 基于线性扰动分析的高速切削过程绝热剪切 预测研究 D 大连 大连理 工大学 2 0 0 9 LI Gu o h e P r e d i