高速切削過程工件表層形成機(jī)理研究

張楷強(qiáng) 許廣朔 張洪瑋

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高速切削技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于航空制造、發(fā)電裝備等行業(yè)零件的生產(chǎn)制造中，具有降低加工成本的特點(diǎn)。為此，分析高速切削過程工件表面形成機(jī)理，從而對(duì)高速切削加工過程有一定的了解。

關(guān)鍵詞：高速切削技術(shù);工件表面;形成機(jī)理

隨著高速切削技術(shù)在各種材料生產(chǎn)制造中的廣泛應(yīng)用，對(duì)高速切削加工技術(shù)引起了高度關(guān)注，與普通切削速度下的切削形態(tài)為帶狀切削相比，高度切削條件下的切削形態(tài)有很大不同，典型的形態(tài)為鋸齒形，其形成過程與形成機(jī)理是與帶狀切削是有很大不同的。基于此，分析高速切削過程工件表面形成機(jī)理具有十分重要的意義。

1.高速切削條件下的鋸齒形切削形成過程

鋸齒形切削形成的基本過程主要分為切削鋸齒分節(jié)在前刀面的擠壓變形階段和集中剪切帶階段兩個(gè)方面，由于切削擠壓變形階段伴隨著集中剪切變形的發(fā)生，而集中剪切變形主要起源于主剪切面的刀尖前端，隨著刀具的進(jìn)一步前進(jìn)，主剪切面的自由表面端將會(huì)為產(chǎn)生另一個(gè)集中變形點(diǎn)，通過兩個(gè)集中變形點(diǎn)的相向擴(kuò)展，將形成整個(gè)集中剪切帶。為此，基于高速切削形成過程的研究，首先必須對(duì)鋸齒形切屑根本的獲取進(jìn)行研究，采用快速落刀法，確保切削過程中的加速度與工件速度保持一致，保留切削根部。雖然該方法方便切削過程的控制，但投入成本較高，容易受刀體質(zhì)量的影響。基于此，對(duì)切削形成過程的研究，采用Buda法，其是一種免除使用輔助裝置的切屑根部獲取方法。如圖1所示[1]，表示Buda法獲取切削根部的工作原理。首先需要在薄壁工件上開細(xì)槽，當(dāng)細(xì)槽開設(shè)結(jié)束后，又需要在細(xì)槽里端開圓孔，采用逆銑方式進(jìn)行工件切削，確保主軸回轉(zhuǎn)中心連接在工作圓孔中心。由于Buda法獲取切削根部的前期準(zhǔn)備過程較簡(jiǎn)單，并且成本也較低，能在高切削速度下完成切屑根部的獲取。因此，科學(xué)合理選擇切削方式，以保證切削過程的安全性和切削質(zhì)量。

圖1??Buda法獲取切削根部的工作原理

為此，對(duì)于鋸齒形切屑形成過程中的分析，可以從切削鋸齒分節(jié)在前刀面的擠壓變形階段形成后的狀態(tài)開始，隨著刀具的進(jìn)一步前進(jìn)，首先楔形工件的材料的尖端與刀具接觸，由于受壓應(yīng)力的影響，尖端工件材料將會(huì)發(fā)生擠壓變形，在這個(gè)過程中，雖然剪切面存在有剪切力，但產(chǎn)生的剪切力較小，難以在整個(gè)主剪切面形成塑性剪切變形，而隨著擠壓變形的繼續(xù)進(jìn)行，前刀面將會(huì)產(chǎn)生越來越多的切削層材料，同時(shí)也將積累更多切屑分節(jié)的壓力，導(dǎo)致剪切面產(chǎn)生的剪切力越來越大。當(dāng)前刀面的切削層材料積累到一定程度時(shí)，沿整個(gè)主剪切面的塑性滑移開始，鋸齒分節(jié)的剪切力積累將隨之停止。當(dāng)剪切滑移開始后，受絕熱剪切的作用，剪切面上的剪切抗力將逐漸降低，造成剪切滑移繼續(xù)進(jìn)行而形成集中剪切帶，最終后續(xù)的工件材料將以楔形的狀態(tài)再次進(jìn)入剪切區(qū)，周而復(fù)始，工件表面將不斷產(chǎn)生新的鋸齒分節(jié)[2]。

2.高速切削鋸齒形切削形成的機(jī)理

針對(duì)高速切削鋸齒切削形成過程的研究，有相關(guān)學(xué)者對(duì)鋸齒形切削過程中形成的集中剪切帶的啟動(dòng)和擴(kuò)展進(jìn)行了相關(guān)研究。為此，對(duì)于高速切削鋸齒形切削形成機(jī)理，應(yīng)重點(diǎn)研究切屑轉(zhuǎn)變的力學(xué)條件，即切屑有帶狀向鋸齒形轉(zhuǎn)變的力學(xué)條件。在切削加工時(shí)，從工件材料由剪切去進(jìn)入直到離開剪切區(qū)時(shí)，其所經(jīng)歷的應(yīng)變條件是有限的。將形成帶狀切削時(shí)形成的剪切區(qū)材料的最大應(yīng)變記做，當(dāng)切削層材料在擠壓變形階段時(shí)，若剪切區(qū)材料不滿足最大應(yīng)變值的要求，則不能形成的帶狀切屑時(shí);反之，在滿足條件的情況下，則形成鋸齒形切屑。形成鋸齒形切屑的力學(xué)條件表達(dá)式為：。在切削條件下，鋸齒形切屑形成的力學(xué)如圖2所示[3]。

圖2??鋸齒形切削形成的力學(xué)條件

當(dāng)較高切削速度下切削層中任意一點(diǎn)流經(jīng)第一變形區(qū)時(shí)，在滿足小于最大應(yīng)變力的情況下，剪切力應(yīng)力的變化經(jīng)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，如曲線2所示。而曲線1是較低切削速度小切削層中任意一點(diǎn)流經(jīng)第一變形區(qū)時(shí)的應(yīng)力變化曲線。對(duì)于高切削速度工件表面的應(yīng)力變化，應(yīng)從曲線2的應(yīng)力變化進(jìn)行研究，在未達(dá)到最大應(yīng)變力時(shí)，受絕熱剪切的影響，剪切面的剪切抗力將出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。然而，隨著該處剪切面的繼續(xù)進(jìn)行，在剪切變形中，將形成集中剪切帶。因此，對(duì)于工件的塑性金屬材料的切屑狀態(tài)，其是由帶狀向鋸齒形的轉(zhuǎn)化是隨著切削速度的不斷提高而逐漸呈現(xiàn)出來的，這就意味著剪切滑移所對(duì)應(yīng)的切削速度應(yīng)為金屬材料切屑時(shí)鋸齒形臨界的切削速度。在滿足力學(xué)條件的情況下，才能完善工件表面的切削過程。

3.總結(jié)

隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，與普通切削條件下的帶狀切屑相比，其形成過程及機(jī)理是大不相同的。因此，分析高度切削時(shí)的鋸齒形切屑形成過程及不同切削速度階段的形成機(jī)理具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李鵬南.?高速切削的力學(xué)行為研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2010.

[2]鄭光明.?Sialon-Si_3N_4梯度納米復(fù)合陶瓷刀具的研制及高速切削性能研究[D].山東大

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[3]鄧小野.?鈦合金高速切削加工機(jī)理的仿真研究[D].沈陽理工大學(xué)，2012.