雍建華

摘要：通過分析高速正交切削實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，切屑形態(tài)由帶狀切屑向形變帶鋸齒形切屑以及由形變帶鋸齒形切屑向轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑轉(zhuǎn)變時(shí)，切削力明顯減??；形變帶鋸齒形切屑的形成主要是由材料脆性斷裂損傷引起，對(duì)切削力變化影響不大，轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑的形成主要是由材料韌性斷裂損傷引起，對(duì)切削力影響較大。

關(guān)鍵詞：切削力；切屑形態(tài)；切屑損傷

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.12.091

1引言

本文通過對(duì)前期所做的正交切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，主要從切屑形式與切削力的對(duì)應(yīng)關(guān)系展開研究。目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者分別采用切削仿真和加工實(shí)驗(yàn)兩種方式對(duì)高速切削過程中的切削力進(jìn)行研究，主要分析了切削參數(shù)，尤其是切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律，切削材料包括淬硬鋼、鈦合金及高溫合金等。

在高速切削過程中金屬材料易形成鋸齒形切屑，而鋸齒形切屑又分為形變帶鋸齒形切屑和轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑，當(dāng)前，研究人員主要從鋸齒形切屑的形成和演化、切屑微觀組織特征等方面對(duì)其進(jìn)行分析。由于兩種鋸齒形切屑的形成機(jī)理不同，因此對(duì)切削力的影響也不一樣。但之前對(duì)于高速切削過程中的切削力和鋸齒形切屑的研究大多是分開進(jìn)行，而很少提及鋸齒形切屑的切屑形態(tài)與切削力之間的關(guān)系。

2高速正交切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1切屑形態(tài)與切削力分析

根據(jù)前期所做的高速正交切削實(shí)驗(yàn)，用光學(xué)顯微鏡對(duì)不同切削條件下所獲得的切屑試樣進(jìn)行觀察，得到其典型的切屑形態(tài)如圖1和圖2所示。從圖中可以看出，隨著切削速度的不斷增大，切屑形態(tài)也由帶狀屑轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X形切屑，而且鋸齒化程度會(huì)隨著切削速度的增大而增大。

研究結(jié)果表明，高速切削過程中產(chǎn)生的鋸齒形切屑又分為形變帶鋸齒形切屑和轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑。形變帶鋸齒形切屑是在速度相對(duì)較低時(shí)形成，鋸齒形界限并不明顯，而轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑是在速度較高時(shí)產(chǎn)生，鋸齒之間的界限較明顯，甚至有裂紋產(chǎn)生。觀察圖1和圖2中的切屑形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，兩圖中（b）和（c）均為明顯的形變帶鋸齒形切屑，圖1中的（d）是典型的轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑。

在觀察切屑金相試樣的同時(shí)，對(duì)切削過程中所采集到的切削力信號(hào)進(jìn)行處理，選取切削力波動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間，求切削力的平均值，并將不同切削速度下所對(duì)應(yīng)的切屑形態(tài)在圖中加以表示，繪制切削力隨切削速度及切屑形態(tài)的變化規(guī)律曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3中（a）和（b）分別為0.2mm和0.15mm切削厚度下的切削力隨切削速度及切屑形態(tài)變化曲線，通過觀察發(fā)現(xiàn)，兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的切削力變化趨勢(shì)基本一致。隨著切削速度的不斷增大，切削力整體上呈下降趨勢(shì)，但是在切屑形態(tài)由帶狀切屑向形變帶鋸齒形切屑轉(zhuǎn)變以及由形變帶鋸齒形切屑向轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑轉(zhuǎn)變時(shí)，切削力會(huì)有明顯降低，我們稱其為臨界點(diǎn)，而在切屑形態(tài)不發(fā)生轉(zhuǎn)變的切削速度范圍內(nèi)，切削力呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的、變化不太明顯的特點(diǎn)，因此切屑形態(tài)轉(zhuǎn)變對(duì)切削力影響較大。這是由于帶狀切屑與鋸齒形切屑的形成機(jī)理不同，而形變帶鋸齒形切屑與轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑的形成機(jī)理也不相同所造成的。所以，需要對(duì)切屑形成的微觀機(jī)理做進(jìn)一步研究，從微觀上闡釋切屑形態(tài)與切削力的變化關(guān)系。

2.2切屑形態(tài)形成機(jī)理的微觀分析

在上述切屑金相試樣中，選取切削厚度為0.2mm時(shí)的具有典型形變帶及轉(zhuǎn)變帶形態(tài)的試樣用6%的硝酸酒精溶液進(jìn)行深腐蝕后，使用掃描電子顯微鏡對(duì)高速切削過程中產(chǎn)生的鋸齒形切屑的微觀組織進(jìn)行觀察，同時(shí)在掃描電鏡下對(duì)切屑剪切帶的微細(xì)觀損傷特征進(jìn)行觀測(cè)。分別得到絕熱剪切形變帶和轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑表面微觀組織的損傷情況。

2.2.1絕熱剪切形變帶損傷機(jī)理

利用掃描電子顯微鏡觀察經(jīng)過腐蝕處理的切屑試樣，并對(duì)剪切帶區(qū)域進(jìn)行局部放大，得到如圖4所示的切屑形貌。圖4（a）為發(fā)生絕熱剪切現(xiàn)象后所得到的形變帶鋸齒形切屑形態(tài)，在形變帶及其周圍可以觀察到有很多狹長(zhǎng)的微裂紋及條紋狀的組織形貌。對(duì)形變帶進(jìn)行放大觀察可得如圖4（b）所示的微觀組織形貌，此時(shí)可以清晰的看到形變帶及其周圍的條紋狀組織，而Komanduri和Brown在對(duì)剪切帶內(nèi)微裂紋進(jìn)行研究后得出結(jié)論：形變帶上所產(chǎn)生的條紋狀組織正是由一開始的微裂紋經(jīng)過擴(kuò)展、斷裂及摩擦后產(chǎn)生的。對(duì)圖4（b）中的A區(qū)進(jìn)一步放大后可觀察到如圖4（c）所示的組織形態(tài)，該組織表面總體比較平坦，而且呈結(jié)晶狀，無韌窩狀組織，是典型的脆性斷口。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，形變帶內(nèi)的損傷以微裂紋為主，微裂紋經(jīng)擴(kuò)展、拉伸，并在剪應(yīng)力作用下斷裂后會(huì)產(chǎn)生條紋狀組織，這充分說明對(duì)本試驗(yàn)中的AISI-1045鋼來說，絕熱剪切形變帶形成時(shí)的表面損傷主要是動(dòng)態(tài)脆性斷裂損傷。

結(jié)合圖3的切削速度及切屑形態(tài)對(duì)切削力影響曲線可以發(fā)現(xiàn)，在鋸齒形切屑產(chǎn)生的瞬間，切削力會(huì)有明顯的下降，分析認(rèn)為，這是因?yàn)楦咚偾邢鬟^程中溫度升高，材料由于高溫所產(chǎn)生的熱軟化作用大大增強(qiáng)，其熱軟化率大于加工硬化率，發(fā)生熱塑性失穩(wěn)，致使切削力下降。而此時(shí)材料內(nèi)部的損傷以微裂紋為主，發(fā)生的是脆性斷裂損傷，此時(shí)的損傷對(duì)切削力影響較小。

2.2.2絕熱剪切轉(zhuǎn)變帶損傷機(jī)理

如圖5所示為絕熱剪切轉(zhuǎn)變帶形成時(shí)的切屑形貌特征。圖5（a）為絕熱剪切轉(zhuǎn)變帶形成之后的鋸齒形特征，此時(shí)的轉(zhuǎn)變帶形態(tài)特征明顯。圖5（b）是轉(zhuǎn)變帶經(jīng)放大操作后所看到的斷裂面，此時(shí)轉(zhuǎn)變帶的損傷已經(jīng)從微觀損傷逐漸聚積形成宏觀裂紋。在對(duì)圖5（b）中的A區(qū)進(jìn)行放大后得到圖5（c）所示的組織形態(tài)，從圖中可以觀察到轉(zhuǎn)變帶斷裂面并不像形變帶表面那樣平滑和組織細(xì)密，而是表面有許多凹坑，這是典型的韌窩狀組織形貌。

研究表明，韌窩狀組織是典型的動(dòng)態(tài)損傷韌性斷裂特征。高速切削過程中韌窩的形成是由微孔洞所引起的，微孔洞經(jīng)過成核、長(zhǎng)大以及聚合后，在剪應(yīng)力的作用下逐漸發(fā)生斷裂，最后形成沿剪切方向上的拉長(zhǎng)的韌窩。通過分析可知，絕熱剪切帶的轉(zhuǎn)變帶形成時(shí)的損傷以動(dòng)態(tài)韌性斷裂損傷為主，它是由最初的微孔洞損傷造成的。結(jié)合圖5可以發(fā)現(xiàn)，在形變帶鋸齒形切屑向轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑轉(zhuǎn)變時(shí)，切削力降低，這說明此時(shí)的材料韌性斷裂損傷對(duì)切削力影響較大。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了高速切削失穩(wěn)斷裂的過程，即在高應(yīng)變、高應(yīng)變率以及高溫情況下，經(jīng)壓應(yīng)力、剪應(yīng)力以及壓剪復(fù)合應(yīng)力的多重作用，切屑的主剪切區(qū)會(huì)產(chǎn)生由于微裂紋的出現(xiàn)而導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)脆性斷裂損傷，此時(shí)的切屑是形變帶鋸齒形切屑。隨著切削速度的進(jìn)一步提高，主剪切區(qū)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生因微孔洞的成核、長(zhǎng)大以及聚合而導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)韌性斷裂損傷，此時(shí)的切屑是轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑。不管是材料的動(dòng)態(tài)脆性斷裂損傷還是韌性斷裂損傷，都是材料細(xì)觀損傷的兩種表現(xiàn)形式，但不同的損傷形式對(duì)材料性能所造成的影響卻不相同。而通過實(shí)驗(yàn)可知，在切削鋼材時(shí)，材料的動(dòng)態(tài)韌性斷裂損傷對(duì)切削力的影響程度要遠(yuǎn)大于其動(dòng)態(tài)脆性斷裂損傷對(duì)切削力的影響。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)損傷脆性斷裂的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致彈性能的快速釋放，產(chǎn)生大量能量，進(jìn)而對(duì)刀面造成巨大沖擊，相應(yīng)阻礙了切削力整體下降的趨勢(shì)，而微孔洞的成核以及生長(zhǎng)過程中，會(huì)不斷從周圍吸收大量能量，這樣一來，動(dòng)態(tài)損傷脆性斷裂發(fā)生時(shí)由沖擊作用所釋放的能量會(huì)被動(dòng)態(tài)損傷韌性斷裂作用吸收，從而使切削力減小的趨勢(shì)更加明顯。

3結(jié)語

本文主要通過高速正交切削實(shí)驗(yàn)研究了高速切削過程中切削力的變化規(guī)律以及影響切削力變化的因素，得到如下結(jié)論：

（1）高速切削過程中切屑形態(tài)的轉(zhuǎn)變對(duì)切削力有較大影響，切屑形態(tài)由帶狀切屑向形變帶鋸齒形切屑以及由形變帶鋸齒形切屑向轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑轉(zhuǎn)變時(shí)，切削力明顯減小。

（2）形變帶鋸齒形切屑的形成主要是由材料脆性斷裂損傷引起，對(duì)切削力變化影響不大，轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑主要是由材料韌性斷裂損傷引起，對(duì)切削力影響較大。

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