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摘要：基于高速切削過程絕熱剪切飽和極限理論，結(jié)合鋸齒形切屑絕熱剪切帶的變形和受力條件，以及材料的動(dòng)態(tài)塑性本構(gòu)關(guān)系，建立以切削速度、切削厚度和刀具前角為預(yù)測(cè)變量的高速切削過程絕熱剪切局部化斷裂的預(yù)測(cè)模型，并以淬硬45 鋼和FV520(B)不銹鋼為例，預(yù)測(cè)其發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂的臨界切削條件。通過高速切削試驗(yàn)和金相試驗(yàn)，討論了切削條件對(duì)絕熱剪切局部化斷裂過程的影響規(guī)律和敏感程度，驗(yàn)證了絕熱剪切局部化斷裂的預(yù)測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明：較大切削厚度和較小刀具前角會(huì)降低絕熱剪切局部化斷裂的臨界切削速度，建立的絕熱剪切局部化斷裂預(yù)測(cè)模型能有效預(yù)測(cè)切屑發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂的臨界切削條件。
關(guān)鍵詞：高速切削；絕熱剪切；鋸齒形切屑；斷裂；預(yù)測(cè)
0.前言
切削過程絕熱剪切帶(ASB)的出現(xiàn)預(yù)示著切屑將發(fā)生斷裂分離。已有試驗(yàn)表明[1-4]，隨著切削速度的不斷提高，帶狀切屑會(huì)向著含有ASB 的鋸齒形切屑、到沿ASB 斷裂的分離狀切屑發(fā)展，對(duì)應(yīng)主剪切區(qū)的材料會(huì)依次經(jīng)歷均勻變形、絕熱剪切失穩(wěn)[5-9]、絕熱剪切局部化、絕熱剪切局部化斷裂(ASLF)。因此，絕熱剪切局部化斷裂作為高速切削過程絕熱剪切演化的結(jié)果，難免會(huì)造成切削系統(tǒng)的顫振、刀具的磨損和破損，以及切屑形態(tài)的改變，研究這種斷裂行為有助于深入理解高速切削機(jī)理，促進(jìn)高速切削技術(shù)的更好應(yīng)用。
有學(xué)者對(duì)鋸齒形切屑剪切帶的斷裂行為作了相關(guān)試驗(yàn)和理論研究。KOMANDURI 等[2]通過對(duì)鎳合金的高速切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，主剪切區(qū)的熱集中導(dǎo)致了鋸齒形切屑的斷裂。GENTE 等[10]通過切屑根部試驗(yàn)觀察了鈦合金剪切帶的形成和裂紋的擴(kuò)展。BARRY 等[11]對(duì)合金鋼鋸齒形切屑剪切帶的斷面進(jìn)行了顯微觀察，發(fā)現(xiàn)高溫會(huì)引起剪切帶的韌性斷裂。蘇國(guó)勝[12]通過高速切削試驗(yàn)認(rèn)為材料脆性的增強(qiáng)導(dǎo)致了齒形切屑的斷裂。王敏杰等[1]通過微觀試驗(yàn)觀察了高強(qiáng)度鋼的絕熱剪切演化過程，獲得了鋸齒形切屑斷裂的切削條件。SOWERBY 等[13]提出了利用損傷因子來預(yù)測(cè)鋸齒形切屑形成和裂紋出現(xiàn)。MARUSICH 等[14]采用連續(xù)的網(wǎng)格再劃分和自適應(yīng)性網(wǎng)格技術(shù)，并結(jié)合斷裂因子模擬了切削高強(qiáng)度鋼時(shí)裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)展。XIE 等[7]指出利用流動(dòng)局部化參數(shù)結(jié)合FEM 軟件來判斷鋸齒形切屑的斷裂條件。GUO 等[15]利用JC 損傷模型并結(jié)合FEM 技術(shù)模擬了高強(qiáng)度鋼鋸齒形切屑的斷裂過程。HUA 等[16]通過FEM 仿真技術(shù)分析了鈦合金鋸齒形切屑的斷裂過程。在后續(xù)研究中，王敏杰等[4,17]通過對(duì)淬硬鋼的高速切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，剪切帶的形成和斷裂具有能量相關(guān)性規(guī)律，并提出了絕熱剪切局部化斷裂的飽和極限理論。切削過程絕熱剪切變形條件和能量的計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于主剪切區(qū)的塑性變形環(huán)境，切削速度的提高意味著熱集中和能量的提高，其結(jié)果必然會(huì)導(dǎo)致絕熱剪切的發(fā)生和鋸齒形切屑的形成。之后，當(dāng)切削速度的提高使剪切帶能量超過其所能承受的最大范圍時(shí)，就會(huì)以發(fā)生斷裂和毀壞的形式釋放能量，使相鄰鋸齒沿剪切帶斷裂分離。
本文以絕熱剪切飽和極限理論為基礎(chǔ)，結(jié)合絕熱剪切變形條件和材料動(dòng)態(tài)塑性本構(gòu)關(guān)系，建立高速正交切削過程絕熱剪切局部化斷裂臨界切削條件的預(yù)測(cè)模型，以淬硬45 鋼和FV520(B)不銹鋼為例，進(jìn)行絕熱剪切局部化斷裂臨界切削條件的預(yù)測(cè)。通過高速車削試驗(yàn)和金相試驗(yàn)，將預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，分析切削速度、切削厚度和刀具前角及材料特性對(duì)絕熱剪切局部化斷裂的影響規(guī)律和敏感程度，進(jìn)一步驗(yàn)證絕熱剪切行為的能量相關(guān)性規(guī)律及預(yù)測(cè)方法的正確性。
1.高速切削過程絕熱剪切局部化斷裂預(yù)測(cè)模型
(1) 絕熱剪切局部化斷裂力學(xué)判據(jù)。根據(jù)絕熱剪切飽和極限理論[4,17]，高速切削過程中主剪切區(qū)材料在受熱軟化及刀具擾動(dòng)的作用下會(huì)引發(fā)熱塑性波的傳播，建立Lagrange 坐標(biāo)系如圖1 所示，熱塑性區(qū)材料在正交切削條件下滿足的連續(xù)介質(zhì)控制方程為
圖2 鋸齒形切屑幾何形態(tài)測(cè)量
3.高速切削過程絕熱剪切局部化斷裂預(yù)測(cè)過程
根據(jù)式(1)——(14)構(gòu)成的絕熱剪切局部化斷裂預(yù)測(cè)模型，剪切帶的剪應(yīng)變主要由刀具前角和切削厚度決定，剪應(yīng)變率主要由切削速度決定。剪切帶的壓應(yīng)力、剪應(yīng)力、溫度和能量取決于切削速度、刀具前角和切削厚度。不同切削條件下剪切帶能量的理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，圖3 中隨切削速度和進(jìn)給量的增大，剪切帶能量的聚集程度也逐漸升高，并最終達(dá)到飽和極限。因此，通過輸入材料熱物理參數(shù)、動(dòng)態(tài)塑性結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合剪切帶能量計(jì)算模型，就能夠得出達(dá)到飽和極限時(shí)的臨界切削條件。
圖3 淬硬45 鋼不同切削條件下剪切帶的能量
根據(jù)上述基本思想，計(jì)算出淬硬45 鋼和FV520(B)不銹鋼絕熱剪切局部化斷裂的臨界切削條件計(jì)算結(jié)果分別如圖4 所示。圖4 中曲面為絕熱剪切局部化斷裂的臨界切削條件，曲面上側(cè)和下側(cè)分別代表切屑發(fā)生和未發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂的速度區(qū)域，結(jié)果表明兩種材料絕熱剪切局部化斷裂的臨界切削速度隨刀具前角的減小、切削厚度的增大而減小。
圖4 絕熱剪切局部化斷裂預(yù)測(cè)結(jié)果
4.高速切削試驗(yàn)驗(yàn)證與討論
4.1 試驗(yàn)條件和過程
為了滿足高速正交切削條件的試驗(yàn)要求，采用OKUMA MULTUS-BW400 車銑復(fù)合加工中心進(jìn)行干式車削試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5 所示。采用的切削參數(shù)為切削速度：0——1 400 m/min，切削厚度：0.2——0.5 mm，背吃刀量：2 mm. 淬硬45 鋼選用PCBN刀片，F(xiàn)v520(B)不銹鋼選用硬質(zhì)合金刀片，刀具幾何為前角：–10°、–20°，后角：6°. 將試驗(yàn)得到的切屑試樣垂直鑲嵌在牙托粉中，然后通過研磨、拋光和腐蝕， 制成金相顯微觀察試樣， 利用LELCSAMEF4A 金相顯微鏡進(jìn)行觀察。
圖5 高速正交車削試驗(yàn)系統(tǒng)
4.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
4.2.1 切削條件對(duì)切屑形態(tài)的影響
圖6 為淬硬45 鋼切屑形態(tài)隨切削條件的變化情況。圖6a、6b 中，在切削厚度0.2 mm、刀具前角–10°的條件下，切削速度從1 200 m/min 增大到1300 m/min 時(shí)，帶有裂紋的轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑沿剪切帶完全斷裂；圖6c、6d 中，在刀具前角–10°和切削速度800 m/min 的條件下，切削厚度為0.2 mm 增大到0.4 mm 時(shí)，鋸齒之間的連接程度逐漸減弱，直到完全斷裂；圖6e、6f 中，在切削速度1200m/min、切削厚度0.2 mm 條件下，刀具前角從-10°減小到–20°時(shí)，鋸齒化程度迅速增大，最后裂紋擴(kuò)展到了切屑底部。圖7 為FV520(B)不銹鋼切屑形態(tài)隨切削條件的變化情況，基本與淬硬45 鋼相似。
圖6 淬硬45 鋼切屑形態(tài)
圖7 FV520(B)不銹鋼切屑形態(tài)
試驗(yàn)結(jié)果表明，切削速度越高、切削厚度越大、刀具前角越小，切屑越容易發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂。切削速度的提高會(huì)使剪切帶應(yīng)變率增大，剪切帶變形時(shí)間縮短，帶內(nèi)熱量得不到有效散失，致使帶內(nèi)能量的聚集程度逐漸加劇而發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂。進(jìn)給量的增大會(huì)使剪切帶內(nèi)的應(yīng)變得到提高，同時(shí)一定程度上也會(huì)增大主剪切區(qū)的壓應(yīng)力，使剪切帶在較低的切削速度下達(dá)到飽和極限。刀具前角的減小會(huì)提高剪切帶應(yīng)變、壓應(yīng)力、等效剪應(yīng)力、峰值應(yīng)力，從而提高剪切帶的能量聚集程度。我們通過觀察淬硬45 鋼的切屑根部照片[17]發(fā)現(xiàn)，絕熱剪切局部化斷裂雖然短暫，但也經(jīng)歷了絕熱剪切的演化過程，隨著刀具的切削移動(dòng)，主剪切區(qū)材料不斷聚集能量，使局部化變形區(qū)發(fā)生相變而與周圍基體組織的界限趨于明顯，裂紋沿轉(zhuǎn)變帶擴(kuò)展，隨著鋸齒被刀具擠壓推出，剪切帶內(nèi)能量達(dá)到了飽和極限，鋸齒沿剪切帶完全斷裂分離。因此，切削速度是能量聚集和導(dǎo)致絕熱剪切局部化斷裂發(fā)生的必要加載條件。
4.2.2 絕熱剪切局部化斷裂敏感性分析
淬硬45 鋼和FV520(B)不銹鋼發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂試驗(yàn)結(jié)果基本與預(yù)測(cè)結(jié)果一致，如圖8、9所示，其中，虛線代表絕熱剪切臨界速度曲線，實(shí)線代表絕熱剪切局部化斷裂臨界速度曲線，實(shí)線右側(cè)為絕熱剪切局部化斷裂的鋸齒形切屑。結(jié)果表明：在切削厚度小于0.3 mm 和刀具前角大于.10°的條件下，淬硬45 鋼絕熱剪切局部化斷裂的臨界切削速度要低于FV520(B)不銹鋼，在進(jìn)給量大于0.4 mm和刀具前角小于–20°的條件下，則相反。
從絕熱剪切飽和極限理論可知，材料的導(dǎo)熱性越差，其在高速切削條件下，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)聚集大量的熱，使材料塑性增強(qiáng)而發(fā)生絕熱剪切。形成的剪切帶受高溫?zé)彳浕?yīng)的影響若不容易聚集較高的能量，而不容易發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂。由此推斷，F(xiàn)V520(B)不銹鋼含有的奧氏體雖然具有較差的導(dǎo)熱性，但其含有的大量馬氏體加工硬化效應(yīng)較高，形成剪切帶之后會(huì)保持較好的應(yīng)力狀態(tài)，則容
圖8 切削條件對(duì)淬硬45 鋼絕熱剪切局部化斷裂的影響
圖9 切削條件對(duì)FV520(B)鋼絕熱剪切局部化斷裂的影響
易聚集能量而發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂。淬硬45鋼雖然不容易發(fā)生絕熱剪切，但其回火索氏體同樣具有較好加工硬化程度，在形成剪切帶之后的也會(huì)保持較好的應(yīng)力狀態(tài)，也比較容易發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂。另外，較小切削厚度容易使FV520(B)不銹鋼受熱軟化效應(yīng)的影響，而淬硬45 鋼的較好導(dǎo)熱性使其受溫度的影響相對(duì)較小，因此導(dǎo)致不同切削厚度條件下發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂時(shí)臨界切削速度的不同。在較小刀具前角條件下，剪切帶剪應(yīng)變和應(yīng)變率雖然得到了提高，但會(huì)顯著提高主剪切區(qū)的壓應(yīng)力，而FV520(B)不銹鋼在試驗(yàn)中展現(xiàn)出相對(duì)較強(qiáng)的壓應(yīng)力敏感特性，因此，其發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂的切削速度在較小刀具前角的條件下較淬硬45 鋼要低一些。因此，在高速切削條件下具有導(dǎo)熱性好、加工硬化程度高、對(duì)壓應(yīng)力敏感的材料絕熱剪切局部化斷裂的敏感程度越高。
4.2.3 預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)
通過高速車削試驗(yàn)將淬硬45 鋼和FV520(B)不銹鋼不同刀具前角和切削厚度條件下的試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖10、11 所示，圖中顯示了完全斷裂分離和未完全斷裂分離的鋸齒形切削速度區(qū)域，兩條曲線基本趨勢(shì)相同，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，當(dāng)高于臨界切削速度條件進(jìn)行車削時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生完全斷裂的鋸齒。為了分析絕熱剪切局部化斷裂臨界切削條件預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用相對(duì)誤差計(jì)算公式切削速度的預(yù)測(cè)值Vp 與試驗(yàn)值Vm 的相對(duì)誤差
通過計(jì)算，淬硬45 鋼的相對(duì)誤差基本控制在±12%的范圍內(nèi)，其中最大誤差為11.8%；FV520(B)不銹鋼絕熱剪切局部化斷裂預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差基本控制在±15%的范圍內(nèi)，其中最大誤差為–14.2%；以上絕熱剪切局部化斷裂的預(yù)報(bào)結(jié)果，在材料常用的高速切削工藝參數(shù)范圍內(nèi)，基本滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。
圖10 淬硬45 鋼絕熱剪切局部化斷裂預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果
圖11 FV520(B)鋼絕熱剪切局部化斷裂的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)
經(jīng)過分析，造成預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的偏差主要來源于：在理論方面，由于絕熱剪切控制方程、材料動(dòng)態(tài)塑性本構(gòu)關(guān)系、鋸齒形切屑的受力和變形，以及在求解過程中應(yīng)用的理想假設(shè)條件和估計(jì)方法等等進(jìn)行的簡(jiǎn)化，會(huì)使預(yù)測(cè)模型與實(shí)際情況存在一定的偏差；在試驗(yàn)方面，試驗(yàn)材料在制備過程中存在的缺陷和均勻程度分布較難控制，熱處理過程中由于溫度不均衡會(huì)出現(xiàn)材料性能的不均勻性等，難免會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成一定的影響。由此可見，高速切削過程絕熱剪切局部化斷裂行為具有一定的復(fù)雜性，其發(fā)生過程難免會(huì)受到諸多可知和未知因素的影響。然而，隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展和材料特性研究工作的不斷深入，應(yīng)用此絕熱剪切局部化斷裂預(yù)測(cè)模型可在少做、甚至不做試驗(yàn)的情況下得到絕熱剪切局部化斷裂發(fā)生的臨界切削條件，為今后進(jìn)一步理解鋸齒形切屑的絕熱剪切局部化斷裂行為對(duì)切削實(shí)際的作用提供充分的理論和試驗(yàn)依據(jù)。
5.結(jié)論
(1) 在飽和極限理論的基礎(chǔ)上，建立了高速切削過程絕熱剪切局部化斷裂的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)了淬硬45 鋼和FV520(B)不銹鋼絕熱剪切局部化斷裂的臨界切削條件。結(jié)果表明：絕熱剪切局部化斷裂的臨界切削速度隨刀具前角的減小、隨切削厚度的增大而減小。
(2) 切削速度是絕熱剪切局部化斷裂發(fā)生的必要加載條件，切削速度的提高會(huì)使剪切帶能量聚集程度增大，使鋸齒形切屑發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂。
(3) 具有導(dǎo)熱性好、加工硬化程度高、對(duì)壓應(yīng)力敏感的材料，在高速切削條件下的絕熱剪切局部化斷裂敏感程度越高。
(4) 高速切削過程絕熱剪切局部化斷裂的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了絕熱剪切飽和極限理論及預(yù)測(cè)模型的正確性。
來源：數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)網(wǎng)
