高速切削鋸齒形切屑的試驗研究與有限元模擬.pdf

1、高速切削是解決難加工材料加工的最有效手段之一，而難加工材料的鋸齒形切屑試驗研究是高速切削基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域的重要組成部分。本課題以鈦合金和鎳基高溫合金兩種工件材料為研究對象，采用切削試驗和有限元模擬相結(jié)合的方法，對這兩種材料鋸齒形切屑的形成過程、演變機(jī)理及鋸齒形切屑幾何表征與切削用量關(guān)系展開了深入研究。鋸齒形切屑是高速切削加工過程中切屑的典型特征，在切削過程中它不僅會導(dǎo)致切削力在切削穩(wěn)態(tài)下高頻率的波動，還會使刀具的磨損和破損加劇，從而降低

2、刀具壽命和已加工表面質(zhì)量。因此，對鋸齒形切屑的實驗研究有助于優(yōu)化切削工藝，提高刀具壽命，保證已加工表面質(zhì)量。
　　首先，通過鈦合金Ti6Al4V和鎳基高溫合金的切削試驗，對切屑的宏微觀形態(tài)和切削力進(jìn)行了研究分析。結(jié)果表明:切屑螺旋外徑隨著切削速度和進(jìn)給量的提高而增大。切削力隨著進(jìn)給量、背吃刀量的增大而增加，隨切削速度的增加而減小。建立了切削力的經(jīng)驗公式，并通過對比分析驗證了其正確性。鋸齒化程度、鋸齒化步距隨切削速度、進(jìn)給量和背吃刀

3、量的增加而增大，鋸齒化頻率隨進(jìn)給量的增加而減小，隨切削速度和背吃刀量增加而增大;絕熱剪切帶隨著切削速度的提高而具有從形變帶到轉(zhuǎn)變帶再到帶裂紋轉(zhuǎn)變帶的轉(zhuǎn)化趨勢。
　　其次，利用ABAQUS軟件建立了鎳基高溫合金的正交切削有限元模型。幾何模型采用設(shè)置剪切損傷區(qū)而不單獨(dú)設(shè)置分離線的方法，材料本構(gòu)關(guān)系選用能正確反映材料本質(zhì)屬性的Johnson-Cook本構(gòu)模型;通過切削力和切屑形態(tài)的對比分析，驗證了該模型的正確性。
　　最后，通過試

4、驗與模擬的對比分析，研究了鋸齒形切屑形成過程及機(jī)理。結(jié)果表明:鋸齒形切屑的演變過程由鋸齒雛形、鋸齒雛形到鋸齒節(jié)塊及鋸齒節(jié)塊到鋸齒切屑三個形成階段組成。溫度弱化作用使剪切滑移變形始于切削層下部靠近刀尖區(qū)域，并呈尖峰狀向切削層頂表面方向擴(kuò)展;當(dāng)?shù)都馓幗饘侔l(fā)生熱塑失穩(wěn)時，剪切滑移瞬間擴(kuò)展至切削層頂表面形成了完整的剪切滑移窄帶，鋸齒雛形形成。剪切滑移窄帶內(nèi)的金屬基本均處于熱塑失穩(wěn)狀態(tài)，鋸齒雛形將沿著整個變形窄帶發(fā)生集中剪切滑移變形，形成鋸齒節(jié)塊