高速切削過程絕熱剪切局部化斷裂的飽和極限理論與預(yù)測研究.pdf

1、高速切削技術(shù)是先進制造領(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)。隨著切削速度的不斷提高，工件材料在第一變形區(qū)會發(fā)生絕熱剪切演化，切屑會從帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)榻^熱剪切帶間隔的鋸齒形切屑，并最終發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂，使相鄰鋸齒沿絕熱剪切帶完全斷裂分離，這是高速切削的一種必然結(jié)果。這種斷裂現(xiàn)象雖然有利于提高切削效率和斷屑，但難免會引起切削力和切削溫度的波動，以及刀具失效等問題。由絕熱剪切演化而導(dǎo)致絕熱剪切局部化斷裂的行為，目前尚缺乏深入的認(rèn)識和研究。因此，本文以中碳鋼、

2、不銹鋼和鈦合金三種典型金屬作為實驗材料，對高速切削過程絕熱剪切演化后期的絕熱剪切局部化斷裂行為的特性和力學(xué)條件進行了實驗和理論上的探索。主要研究內(nèi)容如下:
　　首先，通過高速車削實驗、刀-屑快速分離實驗和微觀分析實驗，研究了高速切削過程絕熱剪切局部化斷裂的速率相關(guān)特性，建立了高速切削過程絕熱剪切局部化斷裂過程的物理模型。結(jié)果表明:材料隨切削速度的提高依次經(jīng)歷了絕熱剪切發(fā)生、形變帶、轉(zhuǎn)變帶和絕熱剪切局部化斷裂的絕熱剪切演化過程。高速

3、切削過程絕熱剪切局部化斷裂是第一變形區(qū)能量聚集和釋放的周期性循環(huán)過程，由于第一變形區(qū)的力-熱分布不均，導(dǎo)致絕熱剪切局部化斷裂是一種“韌-脆”復(fù)合的斷裂機制。
　　其次，根據(jù)應(yīng)力波的傳播理論，高速切削過程第一變形區(qū)的受力和變形特點，建立了熱塑性剪切波的傳播模型。通過能量方程和最小能量耗散原理，推導(dǎo)了絕熱剪切飽和極限和飽和度的表達(dá)式，提出了高速切削過程絕熱剪切局部化斷裂判據(jù)，分析了材料特性和變形條件對絕熱剪切局部化斷裂的影響規(guī)律。結(jié)果

4、表明:具有較高密度、質(zhì)量熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，以及較大的應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化和熱軟化效應(yīng)的材料，在較高的應(yīng)變、應(yīng)變率、絕熱溫升和峰值應(yīng)力條件下，會促使鋸齒形切屑發(fā)生絕熱剪切局部化斷裂。
　　再次，通過分離式霍普金森壓桿實驗，研究了材料高應(yīng)變率條件下的動態(tài)力學(xué)性能，采用Power函數(shù)對Johnson-Cook模型的應(yīng)變率強化項進行了改進，得到了材料的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系。根據(jù)高速車削實驗和刀-屑快速分離實驗，建立了高速切削過程絕熱剪切變形模型和力

5、學(xué)模型，并結(jié)合材料的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系，對絕熱剪切變形條件和剪切帶能量進行了計算，分析了剪切帶能量對帶內(nèi)裂紋擴展程度的影響。結(jié)果表明:剪切帶內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)變率遠(yuǎn)高于外部硬塑性區(qū)域，剪切帶內(nèi)裂紋的擴展程度隨著帶內(nèi)能量的聚集而逐漸加劇。
　　最后，根據(jù)絕熱剪切局部化斷裂的飽和極限理論、材料動態(tài)本構(gòu)關(guān)系、切削條件與絕熱剪切變形條件的耦合關(guān)系，提出了高速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。對中碳鋼、不銹鋼和鈦合金絕熱剪切局部化斷裂的