鋸齒形切屑對切削力影響試驗(yàn)研究

■大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 （遼寧 116024） 劉文靜 高 毅 王敏杰 魏兆成

鋸齒形切屑對切削力影響試驗(yàn)研究

■大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 （遼寧 116024） 劉文靜 高 毅 王敏杰 魏兆成

摘要：高速切削容易產(chǎn)生鋸齒形切屑，而當(dāng)前切削力理論研究還僅以帶狀切屑為基礎(chǔ)，尚未涉及鋸齒形切屑的問題。通過對不銹鋼材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，研究分析了鋸齒形切屑對切削力的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著切削速度增加，切屑形態(tài)由帶狀切屑向鋸齒形切屑轉(zhuǎn)化。切削力在低速時(shí)稍有增大，隨著切削速度增加而快速減小。在鋸齒形切屑形成的臨界點(diǎn)處，切削力下降趨勢有明顯的突變。

金屬切削是機(jī)械加工的最主要方法，隨著機(jī)床、刀具及難加工材料等技術(shù)的不斷發(fā)展，金屬切削加工理論與應(yīng)用研究一直長盛不衰。切屑形成機(jī)理和切削力的研究是金屬切削加工領(lǐng)域的兩大主要基礎(chǔ)課題，早在19世紀(jì)40年代就已有切屑形成機(jī)理和切削力的研究報(bào)道。

切屑形成機(jī)理的研究可大致分為三部分，一是理論分析高速切削鋸齒形切屑產(chǎn)生的臨界判據(jù)、斷裂條件等，二是試驗(yàn)研究鋸齒形切屑形成的微觀形貌、組織相變等，三是應(yīng)用數(shù)值方法模擬鋸齒形切屑的形成過程。然而當(dāng)前切屑形成機(jī)理的研究與宏觀切削力幾乎沒有關(guān)聯(lián)，而實(shí)際加工中關(guān)注最直接的物理量就是切削力。關(guān)于切削力預(yù)報(bào)模型的研究主要有兩大分支，一是基于切削原理的理論分析模型，二是基于試驗(yàn)辨識的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型。然而這兩大分支都假設(shè)切屑是連續(xù)的帶狀屑，而鋸齒形切屑是高速切削加工最顯著的特點(diǎn)，因此現(xiàn)有的切削力模型無法適用于高速切削加工。

高速切削是金屬切削加工技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，因此有必要研究高速切削過程鋸齒形切屑對切削力的影響規(guī)律。不銹鋼材料在國防軍工、能源動力等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，且切削加工中比較容易產(chǎn)生鋸齒形切屑。

本文以沈鼓集團(tuán)葉輪加工常用的特種不銹鋼FV520為研究對象，通過大量正交車削試驗(yàn)，研究分析當(dāng)切屑形態(tài)由帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X形切屑過程中，相應(yīng)切削力的變化規(guī)律。

表1　FV520（B）不銹鋼化學(xué)成分

表2　FV520（B）不銹鋼物理性能

表3　切削速度值

1. 試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)條件。試驗(yàn)材料為FV520（B）不銹鋼，其化學(xué)成分及物理性能如表1、表2所示。切削機(jī)床為CA6140A臥式車床，刀片選用耐磨性好、韌性高且組織比YG6和YG8更為細(xì)小的YD201硬質(zhì)合金刀片，每次試驗(yàn)后更換刀具以保持刀尖鋒利。

（2）試驗(yàn)方案。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下 ：① ap=2mm，f=0.2mm/ r。②ap=2mm，f=0.3mm/r，切削速度如表3所示 ，表中共有10組

不同的切削速度，每組重復(fù)做3次，每組切削參數(shù)均在干切削條件下進(jìn)行車削試驗(yàn)，并取其切屑試樣。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)現(xiàn)場

（3）切削力分析和切屑形態(tài)的觀測。試驗(yàn)中使用壓電晶體動態(tài)測力儀測量切削力，采樣頻率60kHz，取3次試驗(yàn)的平均切削力值作為試驗(yàn)結(jié)果，將切削得到的切屑試樣垂直鑲在牙托粉中，通過研磨、拋光和腐蝕，制成顯微觀察試樣，用LELCSAMEF4A金相顯微鏡進(jìn)行顯微觀察，記錄切屑形態(tài)。

圖2　ap=2mm，f=0.3mm/r時(shí)切屑形態(tài)變化

圖3　ap=2mm，f=0.2mm/r時(shí)切屑形態(tài)變化

2. 試驗(yàn)結(jié)果和分析

圖4　切向力Ft和主切削力Fc的變化曲線

（1）切屑形態(tài)分析。由金相顯微鏡觀測不同切削條件下典型切屑形態(tài)如圖2、圖3所示。由圖可知，切屑由最初的帶狀連續(xù)切屑逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀切屑，且在速度分別達(dá)到v=60m/min和v=136m/min時(shí)，切屑由帶狀切屑向鋸齒形切屑轉(zhuǎn)變，此速度后，鋸齒形切屑的齒形越來越明顯。

（2）切削力分析。試驗(yàn)得到不同切削條件下的切削力結(jié)果如圖4所示。由圖可知，切削力整體呈現(xiàn)先增大后變小的趨勢，試驗(yàn)①和②分別在切削速度為60 m/min和136m/min時(shí)切削力明顯降低。綜合圖2、圖3中切屑形態(tài)的變化過程和圖4中切削力的變化曲線可知，切削力的突變點(diǎn)正是切屑形態(tài)由帶狀向鋸齒狀轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)，隨鋸齒形切屑的齒形越來越明顯，切削力變化也趨于緩慢。

從切削加工機(jī)理以及鋸齒形切屑的形成機(jī)理來分析，切削力隨切削形態(tài)變化的可能原因如下：當(dāng)切削過程中產(chǎn)生連續(xù)帶狀切屑時(shí)，隨著切削速度的提高，切削層材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變率硬化效應(yīng)會大于瞬時(shí)溫升引起的熱軟化效應(yīng)，因此切削力會有一定程度的增大。而當(dāng)鋸齒形切屑開始形成時(shí)，切削層材料絕熱溫升引起的熱軟化效應(yīng)大大超過剪應(yīng)變和剪應(yīng)變率硬化效應(yīng)，使其剪切變形抗力明顯減小；另一方面，鋸齒形切屑的形成有利于材料的斷屑，降低切削變形程

度，從而減小刀具磨損，降低切削力。因此，鋸齒形切屑形成的瞬間會發(fā)生切削力明顯減小的現(xiàn)象。當(dāng)鋸齒形切屑形成后，這種影響越來越小，因此，切削力的變化不再明顯，最終趨于穩(wěn)定。

3. 結(jié)語

通過對FV520不銹鋼車削試驗(yàn)，研究了切屑形態(tài)轉(zhuǎn)變對切削力的影響，結(jié)果顯示，隨著切削速度增加，切屑形態(tài)由帶狀切屑向鋸齒形切屑轉(zhuǎn)化，切削力先小幅增大再迅速減小，在鋸齒形切屑形成的臨界點(diǎn)處，切削力下降趨勢有明顯突變，鋸齒形切屑產(chǎn)生后，切削力下降趨緩，在鋸齒形切屑形成階段，切削力的波形圖與鋸齒形狀基本吻合。這說明鋸齒形切屑對切削力有顯著影響，現(xiàn)有的以帶狀切屑為前提的切削力模型在鋸齒形切屑發(fā)生后已不再適用，迫切需要研究考慮鋸齒形切屑產(chǎn)生建立的切削力模型，以促進(jìn)高速切削技術(shù)的深入應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1] Merchant M E．Mechanics of Metal Cutting Process，Part I，Orthogonal Cutting and A Type 2 Chip[J]．Journal of Applied Physics，1945（16）：267-275．

[2] 李國和.基于線性擾動分析的高速切削過程絕熱剪切預(yù)測研究[D]. 沈陽：大連理工大學(xué)，2009.

[3] 段春爭，王敏杰，李國和，等.高速切削鋸齒形切屑內(nèi)絕熱剪切帶微觀特征研究[J].爆炸與沖擊，2007(1):91-96.

[4] 周澤華. 金屬切削原理[M]. 上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

收稿日期：（20150404）