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高速切削過程絕熱剪切局部化斷裂預測

2017-1-16 來源：大連理工大學精密和特種（zhǒng）加工教育部重點實驗（yàn）作者：穀麗瑤王敏（mǐn）傑

摘要：基於高速切削（xuē）過程絕熱剪切飽（bǎo）和極限理論，結合鋸（jù）齒形切屑絕熱剪切帶的變形和受力條件，以及材料的動態塑性本構關係（xì），建立以切削速（sù）度、切削厚度和（hé）刀具前（qián）角為預測變量（liàng）的高速切削過程絕熱剪切局部（bù）化斷裂的預測模型，並以淬硬45 鋼和FV520(B)不鏽鋼為例，預測其發生絕熱剪切局部化斷裂的（de）臨界切削條件。通過高速切削試驗和（hé）金相試驗，討（tǎo）論了切削條（tiáo）件對絕熱剪切局部化斷裂過程的影響規律和敏感程度，驗證了絕熱剪切局部化斷裂（liè）的預測結果。結果表明：較大切削厚度和較小刀具前角會降（jiàng）低絕熱剪切局部化斷裂的臨界切削速度，建立的絕熱剪（jiǎn）切局（jú）部化斷裂（liè）預測模型（xíng）能有效預測切屑發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（xuē）；絕熱剪切；鋸（jù）齒形切（qiē）屑；斷裂；預測

0.前言

切削（xuē）過程絕熱剪切帶(ASB)的出現（xiàn）預示（shì）著切屑將（jiāng）發生斷裂分離。已有試驗表（biǎo）明（míng）[1-4]，隨著切（qiē）削速度（dù）的不（bú）斷提高，帶狀切屑會向著含有（yǒu）ASB 的鋸齒形切屑、到沿（yán）ASB 斷裂的（de）分離狀（zhuàng）切屑發展，對應（yīng）主（zhǔ）剪切區的材料會依次經曆均勻變形、絕熱剪切失穩[5-9]、絕熱剪切局部化、絕熱剪切局（jú）部化斷裂(ASLF)。因此，絕熱剪切局部化斷裂作（zuò）為高速（sù）切削過程絕熱剪切演化的結果，難免會造成切削係統的顫振、刀具的磨損和破損，以及切屑形態的改變，研究這種斷裂行為有助於深入理（lǐ）解高速切削機（jī）理，促進高速切削技術的更好應用。

有學者對鋸齒形切屑剪切（qiē）帶的斷裂行為（wéi）作了相（xiàng）關試驗和理論研究。KOMANDURI 等[2]通（tōng）過對鎳合金的高速切削試驗發現，主剪切區（qū）的（de）熱集（jí）中導致了鋸齒形切屑的（de）斷裂（liè）。GENTE 等[10]通過切屑根部試驗觀察了鈦合金剪切帶（dài）的形成和裂（liè）紋的擴展。BARRY 等[11]對合金鋼鋸齒形切屑剪切帶的斷麵進行了（le）顯微觀察，發現高溫會（huì）引起剪切帶的韌性斷裂。蘇國勝[12]通（tōng）過高速切（qiē）削試驗認（rèn）為材料脆性的增強導致了齒形切屑的斷裂。王敏傑等（děng）[1]通過微觀試（shì）驗觀察了高強度鋼的絕熱（rè）剪切演化過程，獲得了鋸齒形切屑斷裂的切（qiē）削（xuē）條（tiáo）件。SOWERBY 等[13]提出了利用損傷因子（zǐ）來預測鋸齒形切屑形成和裂紋出現。MARUSICH 等[14]采用連（lián）續的網格再劃分和自適應（yīng）性（xìng）網格（gé）技術，並結（jié）合斷裂因子模擬了切削高強度鋼（gāng）時裂紋的出現和擴展。XIE 等[7]指出利用流動局部化參數結合FEM 軟件來判斷（duàn）鋸齒（chǐ）形（xíng）切屑的（de）斷裂條件。GUO 等[15]利（lì）用JC 損傷模型並結合FEM 技術模擬了高強度鋼鋸齒形切屑的斷裂過（guò）程。HUA 等[16]通（tōng）過FEM 仿真技術分析了鈦合金鋸齒形切屑的斷裂過程。在後續研究中，王敏傑等[4,17]通過對淬硬鋼的高（gāo）速切削試驗發現，剪切帶（dài）的形成和斷裂具有能量相關性規（guī）律，並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算結果表明，對於主剪切區的塑性變形（xíng）環（huán）境，切削速度的提（tí）高意味著熱集中（zhōng）和能量的提高，其結（jié）果（guǒ）必然會導致絕熱剪切的（de）發生和鋸齒形切屑的形成（chéng）。之後（hòu），當切削速度的提（tí）高使剪切帶能（néng）量超過其所能承（chéng）受的最大範圍時，就會以發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，結合絕（jué）熱剪切變形條件和材料動態塑性本構關係，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）測模型，以淬硬45 鋼和FV520(B)不（bú）鏽鋼為例，進行絕熱剪（jiǎn）切局部（bù）化斷裂臨界切（qiē）削條件的預測。通過高速車削試驗和金相試驗（yàn），將（jiāng）預測結果與試驗結果進行比對，分析切削速度、切（qiē）削厚度和刀具前角及材料特性對絕熱剪切局部化斷裂的影響規（guī）律和敏感程度，進一步（bù）驗（yàn）證絕（jué）熱剪切行為（wéi）的能量相關性（xìng）規律及預測方法的正確性。

1.高速切（qiē）削（xuē）過程絕熱剪切局部（bù）化（huà）斷裂預測模型

(1) 絕熱剪切局部化斷裂力學判（pàn）據。根據絕（jué）熱剪切飽和極限理論[4,17]，高速切削過程中主剪（jiǎn）切區材料在受熱軟化及刀具擾動（dòng）的作用下會引發熱塑性波的傳播，建立Lagrange 坐標係如圖1 所示，熱（rè）塑性區材（cái）料在正（zhèng）交切削條（tiáo）件下滿（mǎn）足的連續介質控製方程為

圖2 鋸齒形切屑幾何形態測量（liàng）

3.高速切削過程絕熱剪切局（jú）部化斷裂預測過程

根據式(1)～(14)構成的絕熱剪切局部化斷裂預測模型，剪切帶的剪（jiǎn）應變（biàn）主要由刀具前角和切削厚度決定，剪（jiǎn）應變率主要由切（qiē）削速度決定。剪切帶的壓應力、剪應力、溫度和能（néng）量取決於（yú）切削（xuē）速度、刀具前角（jiǎo）和切削厚度。不同切削條件下剪切帶能量的理論結果與試驗結果如（rú）圖3 所示（shì），圖3 中隨切削速度和進給量的增大，剪切帶能（néng）量的聚（jù）集程度也逐漸升高，並最終達到飽（bǎo）和極限（xiàn）。因此，通過輸入材料熱物理參數、動態塑性結構（gòu）參數，結合剪切帶能量計算模型，就能（néng）夠得出達到飽和極限時的臨界切（qiē）削條件。

圖3 淬硬45 鋼不同（tóng）切削條件下剪切帶的能量

根據上述基本思想，計算出淬硬45 鋼和FV520(B)不鏽鋼絕熱剪（jiǎn）切局部化斷裂的臨界切削條件計（jì）算結果分別如圖（tú）4 所示。圖4 中曲麵為絕熱剪切局部化斷裂的臨界切削條件，曲麵上（shàng）側和下側分別代表切屑發生和（hé）未發（fā）生絕熱剪切局部化斷裂的速度區域，結果表明兩種材料絕熱剪切局部（bù）化斷裂的臨界（jiè）切（qiē）削速度隨刀具前角的（de）減小、切削厚度的（de）增大而減小。

圖4 絕熱剪切局部化斷裂預測結果

4.高速切削（xuē）試驗驗證與討論

4.1 試驗（yàn）條件和過程（chéng）

為了滿（mǎn）足高速正交切削條件的試驗要求，采用（yòng）OKUMA MULTUS-BW400 車銑複合加工中心進行幹式車削試驗，試驗（yàn）係統如圖5 所示。采用（yòng）的（de）切削參數為切削（xuē）速度（dù）：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，Fv520(B)不鏽（xiù）鋼選用硬質合金刀片，刀具幾何為前角：–10°、–20°，後角：6°. 將試驗（yàn）得到的切屑試樣（yàng）垂直鑲嵌在牙托粉中，然後通過研磨、拋光和腐蝕，製成金（jīn）相顯微觀察試樣，利（lì）用LELCSAMEF4A 金相顯微鏡進行觀（guān）察。

圖5 高速正交車削試驗係統

4.2 試驗結果與討（tǎo）論

4.2.1 切削條件（jiàn）對切屑形態的影響

圖6 為淬硬45 鋼切屑形（xíng）態隨切削條件的變（biàn）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，帶有裂紋的轉變帶鋸齒形切屑沿（yán）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（de）條件下，切削厚（hòu）度（dù）為0.2 mm 增大到0.4 mm 時，鋸齒之間的連接程度逐漸減弱，直到完全斷裂；圖6e、6f 中，在（zài）切削速度1200m/min、切削厚度0.2 mm 條件下，刀具前角從-10°減小（xiǎo）到–20°時，鋸齒化程度迅速增大（dà），最後裂紋擴展到了切屑底部（bù）。圖7 為FV520(B)不鏽鋼切屑形態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（xíng）態

圖7 FV520(B)不鏽（xiù）鋼切屑形態

試驗結（jié）果表明，切削速（sù）度越高、切削厚度越大、刀具前（qián）角（jiǎo）越小，切屑越容易發生絕熱剪切局部化斷（duàn）裂。切削速度（dù）的提高會使剪切帶應變率增大，剪切帶變形（xíng）時間（jiān）縮短，帶內熱量得不到有效散失，致（zhì）使（shǐ）帶內能量的聚集程度逐漸加劇而發生絕熱剪切局部化斷裂。進給量（liàng）的增大（dà）會使剪切帶內的（de）應變得到提高，同時一定程度上也會（huì）增大主剪切區的壓應力（lì），使剪切（qiē）帶在較低的切削速度下達到飽和極限。刀（dāo）具前角的減小會提高剪切帶應變、壓應（yīng）力、等效剪應力、峰值應力，從（cóng）而提高剪切（qiē）帶的能量聚集（jí）程度。我們通（tōng）過（guò）觀察淬硬45 鋼的切屑根部照片[17]發（fā）現，絕熱剪切局部化斷裂雖然短（duǎn）暫，但也經曆了絕熱剪切的演化過程，隨著刀具的切削移動，主剪切區材料不斷聚集（jí）能量，使局部化變形區發（fā）生相變（biàn）而與周圍基體組織的（de）界限趨於（yú）明顯，裂紋沿（yán）轉變帶擴展，隨著鋸齒被刀具擠壓推出，剪切帶（dài）內能（néng）量達到了（le）飽和極限，鋸（jù）齒沿剪切帶完全斷裂分（fèn）離。因此，切削速度是能（néng）量聚集和導致絕熱（rè）剪切局部化斷裂發生的必要加載條件。

4.2.2 絕（jué）熱剪切局部化斷裂敏（mǐn）感性（xìng）分（fèn）析

淬硬45 鋼和FV520(B)不鏽（xiù）鋼發生絕熱剪切局（jú）部化斷裂試驗結果（guǒ）基本與預測結果一致，如圖8、9所示，其中，虛線代表絕熱剪切臨界速度曲線，實線代表絕熱剪（jiǎn）切局部（bù）化斷裂臨（lín）界速度曲線，實線右側為絕熱剪切局部化斷裂的鋸齒形切屑。結果表（biǎo）明：在切削厚度小於0.3 mm 和刀具前角大於.10°的條件下，淬硬45 鋼（gāng）絕熱剪切局部化斷裂的臨界切削速度要低於FV520(B)不（bú）鏽鋼，在進給量大（dà）於0.4 mm和刀（dāo）具前角小於（yú）–20°的（de）條件下，則（zé）相反。

從絕（jué）熱剪切飽和極（jí）限理論可知，材料（liào）的導熱性越差，其在高（gāo）速（sù）切削條件下，短時間內就會聚（jù）集（jí）大量的熱，使材料塑性增強而發生絕熱剪切。形成的剪切帶受高溫熱軟化效應的影響若不容易聚集較高的能量，而不容易發生絕熱（rè）剪切局（jú）部化斷裂。由此推斷，FV520(B)不鏽鋼含有的奧氏體雖然具有較差的導熱性（xìng），但其含有（yǒu）的大量馬氏體加工硬化效應（yīng）較高，形成剪切帶之後會保持較好（hǎo）的應力狀態，則容

圖8 切削條件對淬硬45 鋼絕（jué）熱剪切局部化斷裂的影響

圖9 切削條件對FV520(B)鋼絕熱剪切局部化斷裂的（de）影（yǐng）響（xiǎng）

易聚集能量而發生絕熱剪切局部化斷裂。淬（cuì）硬45鋼（gāng）雖然不容易發（fā）生（shēng）絕熱剪（jiǎn）切，但其回（huí）火索氏（shì）體同（tóng）樣具有較好加工硬化程度，在形（xíng）成剪切帶之後的也會保持較好的應力狀態，也比較容易發生絕熱剪切局部化斷（duàn）裂（liè）。另（lìng）外，較小切削厚度容易使FV520(B)不鏽鋼受（shòu）熱軟化效應的影響，而淬硬45 鋼的較好導熱性使其受溫度的影響相對較小，因（yīn）此導致不同切削厚度（dù）條件下發生絕熱剪切局部化斷（duàn）裂時臨界切削速度的不同。在較小刀具前角條件下，剪切（qiē）帶剪應變和應變率雖然得到（dào）了提高，但會顯著提高主剪切（qiē）區的壓應力（lì），而FV520(B)不鏽鋼在試驗中展現出相對較強的壓應力敏（mǐn）感特性（xìng），因此，其發生絕熱剪切局部化斷（duàn）裂的切削速度在（zài）較小刀具前角的條件下較淬硬45 鋼要低一些。因此（cǐ），在高速切削條件下具有導熱性好、加工硬化（huà）程度高、對壓應力敏感的材料絕熱剪（jiǎn）切局部化斷裂（liè）的敏感程度越高。

4.2.3 預測結果與試（shì）驗結果比對

通過高速車削試驗將淬硬45 鋼和FV520(B)不鏽鋼不同刀具（jù）前角和切削厚度條件下的試驗結果與預測結（jié）果（guǒ）進行比較，結果如圖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（qiē）削速度區域，兩條曲線基本趨勢相同，預測結果與試驗結果基本一致，當高於臨界切削速度條件進行車削（xuē）時（shí），就會產生完全斷裂的鋸齒。為了分（fèn）析絕熱（rè）剪切局部化斷裂臨界切削（xuē）條件預測結果的準確性，采用相（xiàng）對誤差計算公式切削速度（dù）的預測（cè）值Vp 與試驗值Vm 的相對誤差

通過計算，淬硬45 鋼（gāng）的相對誤差基本（běn）控製在（zài）±12%的範圍內，其中最大誤差為11.8%；FV520(B)不鏽鋼絕熱剪切局部化斷裂預測結果的相對誤差基本控製在±15%的範圍內，其中最大誤差為–14.2%；以上絕熱剪切局部化斷裂的預報結果（guǒ），在材料（liào）常用的高速切（qiē）削工藝參數範圍內，基本滿足實（shí）際應用的要求（qiú）。

圖10 淬硬45 鋼絕熱剪切局部化斷裂預測結果與試驗結果

圖11 FV520(B)鋼（gāng）絕熱剪切局部化斷裂的預測結果與試驗

經過分析，造成預測結果與試驗結果的偏差主要來源（yuán）於：在理論方麵，由於（yú）絕熱剪切控製方程、材（cái）料動態塑性本構關係、鋸齒形切屑的受力和變形，以及在求解過程中應用的理想假設條件和估計方法等等（děng）進行的簡（jiǎn）化，會使（shǐ）預測模（mó）型與實際情況（kuàng）存在一（yī）定的偏差；在試（shì）驗方麵，試驗材料（liào）在製備過程中（zhōng）存在的缺陷和均勻程度分（fèn）布較難控製，熱處理過程中由於溫度（dù）不均衡會（huì）出現（xiàn）材料性能的（de）不均勻性等，難免會對試驗數據造成一定的（de）影響。由此（cǐ）可見，高速切削過程絕熱剪切局部化斷裂行（háng）為具有一定的複雜性，其發生過程難免會受到（dào）諸多可知和（hé）未（wèi）知因素的（de）影響。然而（ér），隨著高速切削技術的發展和材料特性研究工作的不斷深入，應用此絕熱剪切局（jú）部化斷裂預（yù）測模型可在少做、甚至不做試驗的情況下得到絕熱剪切局部化斷裂發生的臨界（jiè）切削條件，為今後（hòu）進一步理解鋸齒形切屑的絕熱剪切局部化斷（duàn）裂行為對切削實際的作（zuò）用提供充分的（de）理論和試驗依據。

5.結論

(1) 在飽和極限理論的基礎（chǔ）上，建立了高速切（qiē）削過程絕熱剪切局部化（huà）斷裂的預測模型，預測了淬硬45 鋼和FV520(B)不鏽鋼絕（jué）熱剪切局部化斷（duàn）裂（liè）的臨界切削條（tiáo）件。結果表明：絕熱剪切局部化（huà）斷裂的臨界切削速度隨刀（dāo）具前角的減小、隨（suí）切削厚（hòu）度的增大而減小。

(2) 切削速度是（shì）絕熱剪切局（jú）部化（huà）斷（duàn）裂（liè）發生的必要加載條件，切削速度的提高會使剪切帶能量聚集程度增大，使鋸齒（chǐ）形切屑（xiè）發生絕熱（rè）剪切局（jú）部化斷裂。

(3) 具有導熱性好、加（jiā）工硬（yìng）化（huà）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（jú）部化斷裂的預測結果與試驗結（jié）果基本吻合，驗證了絕熱剪切飽和極限理論及預測模型的正確性。

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