切屑形態(tài)演化對切削力影響的實(shí)驗(yàn)研究

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，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：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.12.091

1引言

本文通過對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應(yīng)關(guān)系展開研究。目前，國內(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，因此對切削力的影響也不一樣。但之前對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較低時形成，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，對切削過程中所采集到的切削力信號進(jìn)行處理，選取切削力波動相對穩(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，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，切削力會有明顯降低，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，同時在掃描電鏡下對切屑剪切帶的微細(xì)觀損傷特征進(jìn)行觀測。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的微裂紋及條紋狀的組織形貌。對形變帶進(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)力作用下斷裂后會產(chǎn)生條紋狀組織，這充分說明對本試驗(yàn)中的AISI-1045鋼來說，絕熱剪切形變帶形成時的表面損傷主要是動態(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，此時的損傷對切削力影響較小。

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的韌窩。通過分析可知，絕熱剪切帶的轉(zhuǎn)變帶形成時的損傷以動態(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，切削力降低，這說明此時的材料韌性斷裂損傷對切削力影響較大。

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)會產(chǎn)生由于微裂紋的出現(xiàn)而導(dǎo)致的動態(tài)脆性斷裂損傷，此時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)會產(chǎn)生因微孔洞的成核、長大以及聚合而導(dǎo)致的動態(tài)韌性斷裂損傷，此時的切屑是轉(zhuǎn)變帶鋸齒形切屑。不管是材料的動態(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，材料的動態(tài)韌性斷裂損傷對切削力的影響程度要遠(yuǎn)大于其動態(tài)脆性斷裂損傷對切削力的影響。這是因?yàn)閯討B(tài)損傷脆性斷裂的發(fā)生會導(dǎo)致彈性能的快速釋放，產(chǎn)生大量能量，進(jìn)而對刀面造成巨大沖擊，相應(yīng)阻礙了切削力整體下降的趨勢，而微孔洞的成核以及生長過程中，會不斷從周圍吸收大量能量，這樣一來，動態(tài)損傷脆性斷裂發(fā)生時由沖擊作用所釋放的能量會被動態(tài)損傷韌性斷裂作用吸收，從而使切削力減小的趨勢更加明顯。

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，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，對切削力影響較大。

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