不同刃口形式下锯齿形切屑形成过程的仿真及实验研究

利用通用型有限元软件ABAQUS,本研究对PCBN刀具正交切削淬硬钢GCr15时锯齿形切屑产生的过程进行了数值仿真。模型采用剪切失效和单元删除准则以及网格自适应技术,有效地解决了由于材料大变形导致严重的单元扭曲与交错、高应变集中区域的单元奇异问题。在刀具为锋利刃口、倒圆刃口以及倒棱刃口的情况下,预测并分析了刃口形式对切削过程中切削力、应力场、应变场及残余应力场的影响。有限元仿真结果显示:刃口形式对切削过程影响显著,在相同的切削条件下,锋利刀刃、倒圆刀刃和倒棱刀刃的切削力、切削温度以及切削残余应力依次增大,并且三者得到的已加工表面残余应力具有相同的变化规律。倒棱刃口温度分布较好,为硬态切削中最佳的刃口形式。经过实验验证,本研究所建立的模型具有较好的精度。

高速切削锯齿形切屑形成过程的有限元模拟

为了研究和预测高速切削切屑形成过程,使用有限元分析软件ABAQUS建立了高速切削高温合金的有限元模型,采用Johnson-Cook热粘塑性材料本构模型、剪切损伤切屑分离准则以及刀-屑界面粘结-滑移混合摩擦模型,对高速切削高温合金过程中锯齿形切屑的形态及切削力进行了研究。通过模拟与实验的对比分析,验证了有限元模型的准确性。切削参数对切屑形成的影响的研究结果表明,高速切削过程中锯齿形切屑的锯齿化程度、切削力以及绝热剪切带内的等效塑性应变随切削速度、刀具前角以及切削厚度的改变而规律性地变化。

锯齿形切屑绝热剪切塑性变形

通过正交切削实验获得不同切削速度下的切屑,在扫描电镜下测量不同切削速度下切屑的微观几何形态与仿真结果进行比较。结果表明,仿真模型较好模拟了切屑的微观几何形态。对钛合金切削加工过程中的锯齿形切屑形成过程进行了仿真,分析了锯齿形切屑形成过程中等效应力、等效应变、等效应变率的分布变化规律。

高压冷却下锯齿形切屑几何表征试验

理论分析了锯齿化程度、锯齿化频率与锯齿化步距等几何表征模型;在高压冷却条件下进行了聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削GH4169镍基高温合金试验,并对不同切削用量与冷却液压力下的切屑进行试样制备及抛磨,以分析锯齿形切屑的形貌及表征;分析了不同切削参数下锯齿形切屑几何表征的变化规律。试验结果表明:随着切削速度、进给量和背吃刀量的增大,切屑的锯齿化程度和锯齿化步距增大,而锯齿化频率减小;随着冷却液压力的增大,切屑的锯齿化程度降低,锯齿化频率增大,锯齿化步距先增大后减小;在高压冷却条件下切屑的断屑能力得到了提高,且随着冷却液压力的增大,断屑效果进一步提高。

高速切削锯齿形切屑内绝热剪切带微观特征研究

使用光学显微镜、显微硬度计、X射线衍射、SEM、TEM等方法对高速切削30CrNi3MoV高强度钢锯齿形切屑中第一和第二变形区内形成绝热剪切带和白层进行了观察和研究。结果表明．形成了两种形式的绝热剪切带，即低速下形成的形变带和高速下形成的转变带。转变带内的硬度高于形变带和切屑基体。X射线衍射表明白层内发生了马氏体相变。TEM观察发现，形变带内为经历了大塑性变形的回火马氏体组织。转变带是由尺寸为50-100nm的等轴晶组成，绝热剪切带形成过程中发生了动态再结晶。

SKD11硬切削锯齿形切屑形成机理试验研究

针对淬硬钢SKD11硬切削形成的锯齿形切屑,通过金相显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察了切屑的金相组织和微观形貌,分析了不同的切削速度下锯齿形切屑的特点,讨论了绝热剪切发生时剪切带内动态剪应力和温度的变化规律。研究结果表明:SKD11硬切削在低速和高速切削时均产生锯齿形切屑;提高切削速度有利于锯齿化程度的增加;锯齿形切屑的形成同时存在断裂和绝热剪切两种机制,并且随着切削速度的提高,切屑由周期断裂型向绝热剪切型转变;在绝热剪切过程中剪应力变化呈现二次曲线形式,且切削区温度对动态剪应力变化曲线具有较显著的影响;通过提高切削速度可以提高切削温度,抑制材料的硬化效应,引发剪切失稳,从而减小切削力。

高温合金高速切削锯齿形切屑应变与应变率研究

在分析锯齿形切屑形成的基础上,将切屑单个锯齿视为梯形,建立梯形各顶点的应变和应变率计算解析模型。进行高速切削GH4169实验,并收集实验获得的切屑。运用解析模型,分析不同切削速度下,高温合金GH4169切屑的变形情况。实验结果表明:在切削速度200～1 000 m/min范围内,随着切削速度的增加,GH4169切屑变形程度增大,应变和应变率最大可分别达到4.91和4.59×106s-1。

弹簧式快速落刀研究硬态42CrMo锯齿形切屑

试验研究了硬态切削42CrMo(52HRC)中碳高强度合金结构钢锯齿形切屑形成过程。采用高速相机记录弹簧式快速落刀装置刀杆运动轨迹,计算落刀速度、加速度,定量分析该装置性能;在车床上直角自由切削盘状试样,以不同参数进行快速落刀试验,将获得的切屑根部制作成金相标本;考察"冻结"的切削区,着重考察剪切带上裂纹源、裂纹扩展以及绝热剪切带,分析锯齿形切屑形成过程。结果表明:裂纹源产生于自由表面,在切屑形成过程中向材料内部扩展,导致切屑分离的最终因素是裂纹扩展;硬态切削42CrMo切屑形成过程可划分为4个阶段。

钛合金切削时锯齿形切屑形成的材料组织变化研究

对TC4钛合金外圆切削加工过程锯齿形切屑材料组织演变的影响因素及其规律进行了阐述。使用金相显微镜、显微硬度测试仪和扫描电子显微镜对其形态、组织进行观察和测试;使用红外测温仪测量切屑形成温度。研究表明:锯齿形切屑的组织变化主要表现为剪切带的变化。随着切削速度增加,切削温度上升,剪切带的结构为:形变带→形变带+转变带→转变带,转变带的宽度逐渐变宽,显微硬度值增加。刀具前角、进给量的改变也影响剪切带的组织变化。TC4钛合金的锯齿形切屑的形成机理为热塑性失稳。

切削速度和刀具磨损对锯齿形切屑形成的影响

锯齿形切屑是金属切削过程中常见的切屑。在加工淬硬不锈钢的过程中,在较低的切削速度下就可以形成锯齿形切屑。锯齿形切屑的形成对机床稳定性、刀具寿命和已加工表面质量有着重要影响。文中用金属陶瓷刀具铣削马氏体不锈钢3Cr13Cu,研究切削速度和刀具磨损对锯齿形切屑形成的影响。结果表明,锯齿间距随切削速度和后刀面平均磨损宽度(VB)的增加而减少,即切屑上锯齿的形成频率随切削速度和后刀面平均磨损宽度的增加而增加。用M A Davies的绝热剪切理论解释后刀面磨损对锯齿形切屑的形成影响,表明用金属陶瓷刀具铣削马氏体不锈钢3Cr13Cu过程中绝热剪切参与了锯齿形切屑的形成。

高速切削锯齿形切屑形成机理的研究现状与发展

概述高速切削锯齿形切屑的形成机理,总结高速切削切屑形态的分类,分析锯齿形切屑形成的两大理论:绝热剪切理论和周期性断裂理论,并对两种理论进行比较,认为绝热剪切理论适用于塑性材料或者是在切削过程中由于力热化学耦合作用而转化为塑性材料的脆性材料,周期性断裂理论适用于脆性材料,两种理论的主要区别在于在材料自由表面产生破坏之前剪切区是否产生了大的变形。指出锯齿形切屑形成机理研究的不足并对该领域的发展提出自己的观点。

锯齿形切屑变形表征与其形态演化研究

提出一个锯齿形切屑模型,并在该模型基础上建立了表示切屑分节变形程度的相关参数计算公式;以高强度钢AerMet100为例进行了切削实验,对收集到的切屑进行了变形参数计算,验证了模型的有效性;在对实验结果讨论的基础上建立了切屑形态随切削速度提高而变化的模型,定性地分析了切屑随切削速度的提高产生锯齿化的原因,结果表明切屑随切削速度的提高而逐渐锯齿化的根本原因在于切削材料的动态强度(屈服强度、拉伸强度)的提高和热软化效应、应变硬化效应影响的减弱。

高速切削锯齿形切屑表征的研究现状综述

研究高速切削形成的锯齿形切屑的表征有利于科学地阐释锯齿形切屑的形成机理。这种表征包括几何表征和物理表征。几何表征是从切屑的几何形状和形成机理上进行表征,几何形状可用切屑的锯齿化程度来表征,形成机理可分别用绝热剪切理论和周期性断裂理论来表征。物理表征包括锯齿形切屑的变形、显微硬度、微观组织结构的表征。切屑变形包括切屑单元变形和绝热剪切带变形,且后者大于前者;锯齿形切屑的显微硬度由绝热剪切带中心向外逐渐降低,且高于基体材料硬度;切屑内部的微观组织结构与基体材料的差异主要表现在绝热剪切带上,而绝热剪切带分为形变带和转变带,形变带表现为晶粒的细化和拉长,转变带则伴随着相变的发生。

淬硬轴承钢锯齿形切屑形成机理

针对淬硬轴承钢在硬切削过程中产生的锯齿状切屑,建立了基于Abaqus/Explicit的正交切削热-力耦合有限元模型,仿真分析了AISI52100轴承钢在低、高速切削条件下锯齿状切屑的形成过程,其随时间变化的应力场、温度场和网格变形及其绝热剪切机理.结果表明:切削淬硬轴承钢时,首先在刀尖前方形成窄短的水平绝热剪切带;随着前刀面对工件材料的挤压作用增强,水平绝热剪切带由远离刀具的端部沿剪切平面扩展到自由表面;随着绝热剪切带的继续滑移,逐步形成了锯齿切屑而促使裂纹产生;切削速度效应加速了剪切带与自由表面交界处微裂纹的产生,并使微裂纹向刀尖扩展;第2变形区的摩擦对锯齿切屑起到了增强作用.

材料本构参数对高速切削锯齿形切屑形成的数值分析

基于正交切削模型分析了材料本构参数对高速切削锯齿形切屑的影响。研究发现:切削力和切削温度随材料本构参数值A、B、C和n呈线性变化;参数A和n对切屑形貌影响较大;参数B、C和m影响锯齿形切屑的曲率半径,若C≤0.01,m≥5,参数C和m对切屑形貌以及切削力和切削温度的影响可以忽略。工件材料硬度增加,A值增大,而n值减小;对于受应变率影响大的材料,C值较大;受温度影响大的工件,m值较小。本文结论为预测材料在不同硬度时本构参数值的变化,或根据材料本构参数值推断材料硬度值以及不同材料的固有属性差异性比较提供了参考。

Ti6Al4V切削锯齿形切屑绝热剪切带变形的表征

为了研究锯齿形切屑绝热剪切带带内的变形,通过分析锯齿形切屑的形成机理,以绝热剪切带带内剪切应变和剪切应变率来表征绝热剪切带的变形程度,建立绝热剪切带变形的解析模型并进行切削Ti6Al4V实验,收集切削实验获得的切屑.运用建立的绝热剪切带变形解析模型,分析不同切削速度下Ti6Al4V锯齿形切屑绝热剪切带的变形情况,结果表明:在实验条件切削速度范围内(30～200 m/min),随着切削速度的提高,切屑绝热剪切带的变形程度增加,绝热剪切带宽度及间距减小.

30CrNi_3MoV钢锯齿形切屑中绝热剪切带的微结构特征

测量了30CrNi3MoV低合金高强度钢在不同切削速度下形成的锯齿形切屑中绝热剪切带(ASB)的硬度,使用光学显微镜、SEM、TEM观察了ASB微观组织形貌。结果表明:在剪切变形局部化发生以后,会形成两种形式的ASB,即在低速下形成的以大塑性变形为特征的形变带和高速下形成的以组织细化为特征的转变带。切削速度的增加会影响形变带的硬度,而对转变带硬度影响不大。形变带的硬度是加工硬化的结果,而转变带的硬度来源于相变硬化。

锯齿形切屑断裂准则的有限元仿真研究

为了探索材料断裂准则模型对钛合金有限元切削仿真的影响,运用DEFORM-2D切削模块模拟TC4锯齿形切屑的形成过程。分别选取四组不同的断裂准则参数导入断裂准则模型后进行有限元仿真,并将切屑仿真结果与实验中同等切削条件下获得的金相切屑标本的SEM微观几何形貌进行量化比较,分析结果表明当断裂准则参数取时仿真结果与实验结果相对误差最小,从而获得适合锯齿形切屑切削仿真的断裂准则理论参数,为难加工材料的切削仿真提供了理论参考。

基于滑—停—滑机理的锯齿形切屑高速成形分析

高速车削时被切削材料以极高的应变速率产生连续的塑性变形,产生大量的切削热,在出现集中剪切滑移的情况下,产生了连续型带状锯齿形切屑。根据高速外圆车削中碳淬硬钢切屑试样的SEM照片和金相显微组织照片分析了锯齿形切屑周期性形成的变形机理。被切削材料的变形过程由普通的剪切滑移变形和集中剪切滑移变形组成,切屑沿前刀面的流出可细分为“滑—停—(再)滑”三个阶段。切削速度和材料硬度是决定切屑变形的两个主要影响因素。只要能够使材料应变率增加、致使切削温度升高的因素改变达到某种临界状态都能促成锯齿形切屑的形成,锯齿形切屑的形态随着切削用量的改变而变化。