高速切削锯齿形切屑的形成机理及表征
为了适应机械制造业的发展,提高切削加工的质量和效率,降低加工成本,高速切削加工已被广泛应用于航空航天、汽车、发电装备等行业零件的生产制造。高速切削条件下的切屑形态与普通切削条件下相比会产生很大变化:普通切削条件下切削塑性金属材料大多产生连续带状切屑,而高速切削条件下将会产生锯齿形切屑。锯齿形切屑的形成,使断屑容易;但切屑锯齿化导致的切削力波动会引起刀具系统的振动、工件已加工表面质量恶化,同时会加剧刀具的磨损或破损。因此,研究高速切削时锯齿形切屑的形成机理有助于揭示高速切削过程本质,制定合理的切削加工工艺,提高切削...
为了适应机械制造业的发展,提高切削加工的质量和效率,降低加工成本,高速切削加工已被广泛应用于航空航天、汽车、发电装备等行业零件的生产制造。高速切削条件下的切屑形态与普通切削条件下相比会产生很大变化:普通切削条件下切削塑性金属材料大多产生连续带状切屑,而高速切削条件下将会产生锯齿形切屑。锯齿形切屑的形成,使断屑容易;但切屑锯齿化导致的切削力波动会引起刀具系统的振动、工件已加工表面质量恶化,同时会加剧刀具的磨损或破损。因此,研究高速切削时锯齿形切屑的形成机理有助于揭示高速切削过程本质,制定合理的切削加工工艺,提高切削效率和零件加工表面质量、降低刀具的磨损或破损、提高刀具寿命。
   基于以上原因,本文采用理论分析和实验研究相结合的方法,以三种塑性金属材料淬硬45钢、Al7050和Ti6Al4V为研究对象,对高速切削锯齿形切屑的形成机理及表征进行研究,主要研究内容如下:
   首先,研究塑性金属材料高速切削切屑锯齿化临界切削条件的理论预测并进行实验验证。分析切屑锯齿化临界切削条件下第一变形区材料的变形特点,提出高速切削第一变形区剪切应变、剪切应变率和切削温度的计算方法,揭示切削参数和材料物理力学参数对锯齿化临界切削条件的影响规律,结果表明:工件材料屈服强度和应变硬化模量的增大将促进切屑锯齿化的产生;应变率硬化系数、应变硬化系数、热软化系数、热导率、切削厚度、刀具前角的增大将阻碍切屑锯齿化的产生。
   其次,研究高速直角切削塑性金属材料锯齿形切屑绝热剪切带的形成过程,建立高速直角切削塑性金属材料第一变形区动量守恒方程、能量守恒方程和协调性方程。基于线性扰动分析,将切削速度和切削厚度视为直角切削过程中的基础扰动,提出高速直角切削锯齿形切屑绝热剪切带间距的理论预测方法,并进行实验验证,揭示切削参数对锯齿形切屑绝热剪切带产生的影响规律,结果表明:切削速度的提高促进绝热剪切带的产生,切削厚度的增加阻碍绝热剪切带的产生。随切削速度提高,绝热剪切带间距减小,随切削厚度增加,绝热剪切带间距增大。
   再次,分析高速切削塑性金属材料锯齿形切屑的形成机理,将锯齿形切屑变形分为单元剪切变形和绝热剪切变形,用来对锯齿形切屑进行材料力学表征并建立锯齿形切屑材料力学表征模型。通过高速直角切削实验,分析切削速度对锯齿形切屑变形及其内部参数的影响规律,结果表明:锯齿形切屑绝热剪切变形远大于单元剪切变形,绝热剪切带宽度可近似为绝热剪切带间距的1/10;随切削速度提高单元剪切变形和绝热剪切变形均增大。
   最后,提出高速切削锯齿形切屑几何、机械性能与金属学表征方法:几何表征用锯齿化频率、锯齿化程度、锯齿底角与锯齿顶角来表征,机械性能表征用锯齿形切屑显微硬度来表征,其金属学表征用锯齿形切屑内含量发生重要变化的元素来表征。通过高速直角切削Ti6Al4V、淬硬45钢和Al7050实验,研究切削速度与切屑几何、机械性能与金属学表征之间的关系,研究表明:随切削速度提高,锯齿化频率、锯齿化程度增加,锯齿顶角和锯齿底角减小;随切削速度提高,切屑显微硬度增大;随切削速度提高,锯齿形切屑绝热剪切带和底面的氧化程度增大,淬硬45钢和Al7050中C元素在切削过程中并没有出现明显的扩散现象。
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作者: 杨奇彪
授予学位: 博士
学位授予单位: 山东大学
导师姓名: 刘战强
学位年度: 2012
语 种: chi
分类号: TG506.1
在线出版日期: 2013年6月28日