高速切削机理.ppt

1、四.高速切削机理,Contents,一.高速切削加工的理论基础,1931年4月德国物理学家CarlJSMoman最早提出了高速切削(High Speed Cutting)的理论：在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之后，切削温度不但不会升高反而会降低，且该切削速度V 与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料都存在个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，切削加工不可能进行。要是能越过这个速度范围，高速切削将成为可能，从而大幅度地提高生产效率。,萨洛蒙曲线,1.高速切削加工切屑形成特征,与传统切削加工相比，高速切削加工在切屑形成、切

2、削力学、切削热与切削温度、刀具磨损与破损等方面均有不同的特征。在高速加工中，随着切削速度的提高，在切削过程中会发生绝热剪切，从而形成节状切屑(锯齿形切屑)。,1.高速切削加工切屑形成特征,每个分节基本保持一定的厚度,切屑在前刀面积累过程中由于刀具推挤作用而使切屑均匀增厚。锯齿在分节后沿前刀面和剪切面向上滑移的过程中,集中剪切面基本保持一个角度位置,即分节的前后面间保持平行,剪切角被保留了下来。切屑分节自由表面基本保持了原来的长度,没有出现明显的变形。,1.高速切削加工切屑形成特征,2.切削速度对切屑形成的影响,随着切削速度的不断提高，被加工材料在切削过程中发生绝热剪切是必然的。在高速切削过程中

3、，随着切削条件的变化，许多被加工材料，包括钛合金、镍基合金、钢类材料、铝合金、复合材料和高聚物材料等，都会呈现含有重复性绝热剪切带的节状切屑。,2.切削速度对切屑形成的影响,己经进行的实验结果表明，随着切削速度的提高，切屑从带状切屑发展到锯齿形切屑，最后形成沿绝热剪切带几乎完全分离的单元切屑。这是一个包含形变剪切带的孕育和发展、形变剪切带向转变剪切带转化、转变剪切带发展、直到裂纹沿剪切带扩展而导致断裂等一系列阶段的应变率相关过程。,2.切削速度对切屑形成的影响,不同切削速度下的切屑形态(=8,ac=0.27mm),切屑锯齿化,计算切屑锯齿化,随着切削速度的提高，切屑的锯齿化现象越来越严重。为了

4、表征锯齿形切屑的锯齿化程度，一些科学家提出，用式G=(hlh2)hl来描述切屑的锯齿化程度（上式中，G为切屑锯齿化程度，h1为切屑最大厚度，h2为切屑连续部分的高度）随着切削速度和进给量的增加，G 逐渐增大，表明切屑锯齿化程度越来越严重。,计算切屑锯齿化的微观分析图,切屑锯齿化,计算锯齿化程度,将锯齿形切屑简化为下图所示的模型，用Ms来表征锯齿形切屑的锯齿化程度，即Ms=(A1-A2)/A2（式中，A1 为单个切屑的面积，A2 为切屑连续部分的面积。）Ms也被作为高速切削速度的判据：Ms 05时，对应的切削速度范围为普通切削；Ms 05时，对应的切削速度范围为高速切削。,锯齿形切屑描述图,AI

5、SI4340淬硬钢高速切削过程中切屑形成,切屑形成分析举例,AISI4340淬硬钢高速切削过程中切屑形成,a刀具挤压切削层到一定程度时，切削层网格首先在接近刀尖的前刀面处形成局部塑性变形继而发生破裂，如图a所示,AISI4340淬硬钢高速切削过程中切屑形成,b随着切削的进行，刀具继续挤压、剪切切削层，切削层表面处所受应力增大很快，材料在该区域形成较大的塑性变形，随着塑性变形增大，工件在此处发生破裂，如图b所示,AISI4340淬硬钢高速切削过程中切屑形成,c刀具继续向前推进，工件自由表面破裂速度加快，切削层在接近刀尖的前刀面处破裂，同时向工件表面扩展，最终两者会合，形成不连续状单元切屑，如图c

6、、图d所示。,AISI4340淬硬钢高速切削过程中切屑形成,AISI434O淬硬钢，它是一种硬度较高和低热物理特性材料，因此很容易形成不连续状切屑，与理论也很吻合。另外，刀具前刀面首先破裂也是生成此种切屑的一个主要原因。这种不连续状切屑将不断地重复上述3个阶段，不断地产生切屑，是周期性的变化过程。,3.高速切削中切屑形成的机理,（1）.绝热剪切理论,1954 年Shaw 在切削钛合金时首次发现锯齿形切屑,并在同年提出,导致锯齿形切屑的根源可能是绝热剪切,这是首次将绝热剪切与锯齿形切屑联系在一起。以上是早期的研究成果。随后,1981-1982 年,Komanduri 及其合作者在对钛合金和高强度

7、钢的切屑形成过程进行了研究，提出一个锯齿形切屑形成的两阶段模型,锯齿状切屑的剪切集中形成机理,第一阶段，主要是主剪切区域5的应变集中和剪切失稳,难加工材料在切削条件下由于应变集中的作用,导致主剪切区域热软化效应大于应变强化效应,使该区域继续变形的应力降低,从而在主剪切平面持续产生变形,使变形进一步集中。第二阶段,随着刀具的前进,3和4处产生强烈剪切,而1处几乎没有变形产生,导致处于主剪切区域5上面的工件材料呈楔块状向上向前移动,当前进到一定程度,由于强剪切作用,当前楔块与上一楔块接触面迅速减小,从而形成锯齿状切屑。,绝热剪切带,一种是形变带，带内经历了大塑性变形的回火马氏体组织，其硬度来源于加

8、工硬化，并且硬度随着切削速度的变化而受影响；,另一种是转变带，带内经历了组织相变，硬度来自相变硬化并且高于形变带，不受切削速度影响，转变带中心区形成时发生了动态再结晶，形成了尺寸为50100nm的等轴晶体,绝热剪切,绝热剪切的发生是锯齿形切屑的根本原因，切削速度和进给量在剪切发生失稳中起着重要作用。虽然，高速切削产生的绝热剪切带增加了刀具磨损，影响已加工表面质量；但是，绝热剪切带形成易于断屑，利于自动化加工。,（2）.周期脆性断裂理论,切削时先从切屑自由表面产生裂纹，并不断向刀尖扩展，在下一个裂纹产生时，前一个裂纹扩展停止，依次周期性产生，最终形成锯齿形切屑。即锯齿形切屑的形成是由从切屑自由表

9、面向切削刃扩展约一半距离的周期性整体断裂造成的。,（2）.周期脆性断裂理论,周期性断裂理论认为锯齿状切屑形成是由于从工件自由表面向切削刃扩展一定距离的周期性整体断裂造成的。M.C.Shaw对Ti6Al4V进行快停切削试验发现,一个锯齿状切屑单元可以分为整体断裂区和裂纹呈不连续分布的微裂纹区,如图所示。该理论认为锯齿切屑形成的机理是断裂力学。由于待加工表面是不光滑的,而是由一些微观的隆起、裂纹以及空穴等组成的粗糙表面,在切削加工过程中,压应力会引起表面内部材料的流动,导致自由表面由于工件脆性而形成裂纹。随刀具前进,裂纹向切削刃不断扩展,但由于刀尖附近压应力较大,扩展裂纹受到抑制,所以在刀尖附近形

10、成微裂纹。,形成切屑的两种理论综述,绝热剪切理论适用于解释塑性材料或者是在切削过程中转化为塑性材料的脆性材料形成的锯齿形切屑，而周期脆性断裂理论适用于解释脆性材料的切屑形成。,总之，到目前为止，对锯齿形切屑的形成机理还未形成统一的认识，争论的焦点主要集中在到底是热塑性失稳导致的集中剪切，还是裂纹诱发几何失稳导致的集中剪切现象,4.切屑变形的基本关系,切削速度：切削塑性金属材料时，切削速度对切削变形的影响呈波浪形,进给量：进给量增大，则切削厚度增大，切削变形减小，变形因数减小,背吃刀量：对切屑变形的影响较小,切削用量对切屑变形的影响,4.切屑变形的基本关系,切屑卷曲,切屑沿刀具前面流出的过程中，

11、受到前面的挤压和摩擦而进一步变形，使得切屑底部被挤而伸长，切屑背面相对缩短，切屑就自然会逆时针卷曲。,折断机理,如果刀具的前角较小，则切屑流出过程中受到的挤压和摩擦变大，切屑就会卷得更紧。切屑卷曲过程中，若切屑中的弯曲应力达到材料的弯曲强度极限，则切屑就会自行折断。,5.高速切削断屑机理及预报系统的研究,现代世界上很多机械制造行业的发展方向是自动化、无人化，即实现计算机控制。实现这些理想的机械制造过程的关键问题之一就是切屑处理问题。高速切削时，特别是自动化加工中，长的连绵不断的带状切屑，连续不断并缠绕于刀具、工件、刀架上，损坏工件和刀具表面，伤害操作者，不得不停车，无法正常切削，甚至损坏机床。

12、周期性的锯齿状或者单元切屑，会造成高速切削力的高频变化，从而影响加工精度与表面粗糙度和刀具寿命。因此，分析研究高速切削时的切屑形成特征具有重要的意义,（1）.高速切削断屑机理,切屑折断的方法很多，例如采用具有一定几何参数的刀具、断屑槽、断屑器，在工件上预置沟槽、断续进给，也可采用振动切削、电腐蚀、特殊装置以及高压喷射液体等方法进行断屑。但是直到目前为止，除了个别情况外，在生产上广泛应用的仍然是断屑槽断屑，因为它简单易行，使用可靠,（2）.高速切削预报系统,切削加工中切屑的形成和折断是非常复杂的过程，有诸多不同的影响因素。屑的可断性是受很多因素影响的复杂物理现象，当刀片槽型相当复杂且在不同的切削

13、条件下切削时，预测切屑折断就更加复杂。因此有必要建立切削试验数据库系统，并采用以知识为基础的系统分析方法来预报切屑的折断过程。,对切屑折断预报的研究方法,二.高速切削加工的切削力学,切削力小，在高速铣削加工中，采用小切削量、高切削速度的切削形式，使切削力比常规切削降低30，尤其是主轴轴承、刀具、工件受到的径向切削力大幅度减少。既减轻刀具磨损，又有效控制了系统的振动，有利于提高加工精度。,1.不同背吃刀量情况下切削力,不同背吃刀量情况下切削力的值及变化规律分别如表1、右图所示。右图中，在背吃刀量不断增加时，平均切削力都呈上升趋势，且背吃刀量的增加对主切削力F 的影响要比对切深抗力F 的影响要明显

14、。当背吃刀量增加一倍时，切削力约增加一倍。这是因为，切削时随着背吃刀量的增大，剪切角逐步减小，而从切削力的计算公式可以得知，随着剪切角的减小，切削力会逐步增大，同时剪切角的大小也代表了切屑变形的程度，所以切削的变形程度会随着背吃刀量的增加而逐步增加。,2.刀具前角对切削力的影响,不同刀具前角下切削AISI4340淬硬钢，其平均切削力值及变化趋势如表2、右图所示。随着刀具前角的增大，切屑厚度压缩比减小，即变形抗力减小所致，因此平均切削力都呈下降趋势。且刀具前角对切深抗力F 的影响比对主切削力F 的影响要大得多。切深抗力F 的下降值约为前角每增大1，切削力约降低3。,3.刀尖圆弧半径对切削力的影响

15、,不同刀尖圆弧半径下切削力的值及其变化规律如表3、右图所示。由图可见，在刀尖圆弧半径不断增大时，切削力总的趋势是上升的，且刀尖圆弧半径对切深抗力F 的影响比对主切削力F 的影响明显。rw在002005 mm 之间时，平均切削力的变化较慢；在005O1 mm之间时，平均切削力都急剧升高，但切深抗力F 的变化幅度要比主切削力F 的变化幅度要大；在0102 mm之间时，平均切削力的增加趋势又逐渐趋于平稳。,三.切削热和切削温度,一定的工作材料对应有一个临界切削速度，其切削温度最高，在常规切削范围内切削温度随着切削速度的增大而升高；当切削速度达到临界切削速度后，切削速度再增大，切削温度反而下降，如图所

16、示，人们将该曲线称为萨洛蒙曲线。,萨洛蒙曲线,这个理论给人们一个非常重要的启示：加工时如果能超过图中所示的白区，而在高速区进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速加工，从而大大地减少加工时间，成倍地提高机床的生产率。这一理论的发现为人们提供了一种在低温低能耗条件下实现高效率切削金属的方法。,切削热的产生,切削加工过程中有大量的热产生，切削热主要来源于切屑的塑性变形功和刀屑界面处的摩擦功。高速切削过程中，工件热变形小。在高速切削时，大部分的切削热来不及传给工件就被高速流 的切屑带走，因此加工表面的受热时间短，不会由于温升导致热变形，有利于提高表面精度，加工表面的物理力学性能也比普通加工方法要好在高速切削条件下9598切削热将被切屑带走，切削力也可降低30，因此，采用很高切削速度进行加工可以取得与使用切削液相同效果。,切削热公式,切削加工过程中有大量的热产生，切削热主要来源于切屑的塑性变形功和刀屑界面处的摩擦功。切削热除少量散发在周围介质中外，大部分传入刀具、工件和切屑中。切削温度的升高引起刀具磨损和工件变形。,左式中，k：导热率；Q：热源生热率；：材料密度；C：比热；算子：,切削温度测量方