摘要
高速切削理论是高速加工技术发展和应用的基础，可为高速机床、刀具和工艺的发展提供重要支撑。因此，研究高速切削并揭示其本质规律，对高速切削过程的有效控制以及高速装备的研发具有重要的理论意义和工程价值。本文采用理论分析与建模、试验与数值仿真的方法，以金属陶瓷刀具对高锰钢、中碳钢等的高速切削进行测试分析；运用金属学、摩擦学、传热学和已知切削理论对高速切削中特殊现象进行对比分析，研究其切削机理及其影响因素。通过试验测试和对切削变形特征的分析，建立了高速切削的切屑演变的几何模型与相关参数关系式,给出其切屑锯齿形节段及节间的平均应力与应变、应变率和切削温度的关系，并研究高速切削过程存在的硬化与软化效应以及多因素耦合作用机制。 对高速切削温度场、应变场、应变率、切削力与切削变形等进行定性分析和定量计算，并建立切削力模型。试验和仿真结果验证了所建模型和对高速切削特征分析得出的结论，在此基础上研究切削参数、材料性质等因素对切削变形、切削力、切削温度场、刀具磨损的影响。本文研究内容和结果主要包括以下几个方面： （1）基于对高速加工切屑形状特征的分析，建立了高速切削层变形几何模型及其变形系数、切削比、剪切角与切削参数的关系模型。对比分析发现切削层的高速大变形引起高应变率，产生硬化现象；同时变形功瞬间转化为切削热，导热率低的加工材料在变形区域形成“绝热剪切”的软化效应。 （2）建立了有绝热剪切带特征的锯齿形切屑几何模型，推演了锯齿切屑及其锯齿节段间平均剪应变和剪切应变率的计算模型。依据高速切削中剪切流动应力与应变、应变率和温度耦合作用的全微分方程，分析形成锯齿形切屑的因素和作用机制，发现锯齿切屑形成的原因是热塑性剪切失稳，其临界条件主要是临界切削速度。在临界速度以下形成带状切屑，而在临界速度以上则形成锯齿形切屑。热塑性剪切失稳是应变、应变率和温度的耦合所致,随着切削速度的提高切屑从均匀的带状向非均匀的锯齿形转化并以剪切带为标记。其中应变和应变率的增加具有较强的硬化效应，而温度升高则有显著的软化效应；在变形硬化和温升软化的交替过程中形成锯齿形切屑；切削温度越高，发生热塑性剪切失稳的临界剪应变和剪应变率越大。 （3）运用弹塑性剪切理论并考虑高速切削中高频冲击作用，建立了单刃直角切削的力学模型，给出高速切削的主切削力和切削功率的计算方法。按均值法确定了动态切削力的平均值与切削速度的关系曲线，据此分析了高速切削中切削力随切削用量变化的趋势，并确定使切削力最小的切削用量范围，可用来优化加工工艺。所建立的切削力与切削用量的单因素及多因素两种模型，可用于在一定条件下对切削力的计算和对加工精度的预测。 （4）通过分析切削热源和热量传出的途径建立了热平衡方程，推导出剪切面和前刀面上剪切变形区域的平均温度以及切削热在切屑、刀具和工件中传出比率的算式，并通过数值算法获得传热比率R1和R3随切削速度变化的曲线图；发现高速切削中从第一变形区传入切屑的热量比率R1高达96.24%，而从第三变形区传入刀具的热量比率R3不足3‰。表明高速切削中绝大部分热量被切屑带走，切削热对刀具磨损和工件变形的影响很小，因此高速切削中刀具寿命和加工精度均较高。 （5）研究发现影响高速切削温度和刀具磨损的因素中，切削速度影响最大、其次是进给量，背吃刀量影响最小；当刀具材料的硬度高、导热系数大、摩擦系数小时，适当减小前角和主偏角可获得较低的切削温度；刀具磨损加剧则切削温度升高。对刀具磨损形态和刀面化学成分变化的分析表明，金属陶瓷刀具的磨损主要是机械磨损和热磨损的综合，其中后刀面磨损主要为磨粒磨损；前刀面的磨损有机械磨损、粘结磨损、扩散磨损与氧化磨损，其最高温度点偏离刀刃一段距离，该偏距随工件材料塑性提高而变大。剪切面法线方向的温度梯度最大，由此引起的最大热应力导致变形区发生剪切失稳而形成锯齿形切屑，切屑形态随切削速度而变化。切削仿真试验中高锰钢切屑的形态、温度场、应力场和切削力与试验结果相吻合。
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