超高速切削机理的研究

压
田
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着靶前 后 的子 弹速 度 。 子弹 击 穿 靶板 ， 板上 的力 传感 器将 子 弹 靶 对 靶板 的 冲 击 压 力 信 号 转 换 成 电信 号 ， 再经振 动测试 仪 中 的电荷放大 器放大 ，
振 动 测 试 仪 及 Ｘ Ｙ 记 录 仅 将 力 信 号 记 －
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随着击 靶速 度的提高 ， 冲击力 Ｆ 呈下降 ｔ
趋势 ．
田 ３ 高 速切制模 报实 验 — 关 系 图 ▲ —— 铝板 － ●—— 一钢 板
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由图 １的高 速 切 削模 型 中 力 平衡 关 系 知道 ：
＋ｎ ＝Ｆ ・ ｉｅ ｓｎ （） １
式 中
—— 刀具 对 切 屑 作 用 的 合 力 Ｉ Ｆ —— 切 屑 脱 离 母 体瞬 间的 达 朗 伯 惯 性 力 ｝ Ｆ 一 切 屑 流 经 前 刀 面 时的 摩 擦 力 ． ｒ
工硬化．
高 速 切 削 时 切 削 模 型 的 建 立 ． 以 是 产 生 连 续 型 带 状 切 屑 为先 决 条 件 ． 资 有
料 记 载 ， 在 较 低速 度 切 削 时 ， 切 面上 处 剪
存 在 一 个 冲 击 力 Ｆ ， 当 Ｖ ＜ １０ 但 ５０ ｒｒｉ ， Ｆ 《 ， 在 常 规 速 度 切 ／ａｎ时 则 故 削 时 ， 可 忽 略． 高 速 切 削 时 ， ＝ Ｐ ｆ 在
２ １ 超 高速 切 削 模 拟 实验 装 置 ． 模拟 实 验 装 置 见 图 ２ 示 ． 用 的 仪 器 有 ： 所 使 ＹＤＬ １型 压 电 晶体 力 传 感 器 、 Ｄ一 振 动 测 一 Ｚ ２型
试 仅 、 Ｙ 记录 仪 、 Ｘ— ＨＧ２ ２ ２型 ０ Ａ一
六 路 电子 测 速 仅 、４式 手 枪 和 ５ ６ ６ 式 半 自动 步 枪 、 改 变 子 弹 速 度 可 的 介 质 变 换 装置 ． 子 弹穿 过介 质 变换 装置 ， 经 铝 箔 测 速 仅 ， 速 仅 记 录 下 子 弹 测 Ｈ 电荷敏太嚣 卜— 力传感器 ｛
年代 末期 ， 由于新型刀具材料的不断出现和机床工业的迅速 发展 ， 使美 、 法等 国家率先在机 德、 床上 进 行 了正 规 的高 速 切削 试验 ， 得 到 了一 些 金 属 材 料在 高速 切 削 条件 下 的 准 确 试验 数 据 ． 并
试验 结 果 表 明 ， 速 加 工 的零 件 表 面质 量 明 显 改 善 ， 加 工 零 件 的表 面 温 升 和 热 变 形 较 小 ， 高 被 切 削力 也 较 小 ． 由于 高 速 加 工 具 有 高 效 率 和 高 表 面 质 量 等 优越 性 ， 以从 ８ 所 ０年 代 末 起 ， 、 等 美 德 国家 已开 始 生 产 商 品化 的高 速 加 工机 床． 在 其 机 理 方面 的研 究 则很 少 ， 超 高 速 切 削 方 面 的 但 在 研 究 更少 ， 国在 此 领 域 的研 究几 乎是 空 白． 文 对 超 高速 切 削 机 理 和 现 象 做 了 一 些 研 究 ， 我 本 提 出 了相 应 的切 削 公 式 ．
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Ｖ ・ ｏ ｒ／ ｓ９ ｔ） ， ｃｓｏｃ （ 一 ｏ 由于高速 切削时切削力 Ｆ 比常规切削时 的 Ｆ 低． ｏ ｚ ｚ 作用在工件 剪 切 面 上 的 必 然 下 降 ， 沿 剪 切 面 向上 ， 由于 Ｖ 的 大 幅 度提 高 ， 增 加很 快 ， 在 切 屑 Ｆ 又 Ｆ 且 脱 离 工 件 母 体 的 瞬 间 存 在一 个 加 速 度 ａ 使 之 产 生 一 个 沿 前 刀 面 向上 的 达 朗 伯 惯 性 力 Ｆ． ， ｜
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又 因为 Ｆ。 ， ・ ＝ ， ａ， 口＝ ｄ ｄ 则 有 Ｉ ￣／ｔ
Ｆ。 ｄ（ ４ ／ ｔ 一 ｍ￣） ｄ
式 中 ｑ—— 切 屑 脱 离 母 体 时的 瞬 时 速 度 ｝ ｄ 一 切屑 脱 离 母 体 瞬 闻 的 时 间 （ｒ Ａ ） ｄ — ｔ． 将 式 （ ）和 式 （ ） 并 则 有 ４ ５合
１ 高速 切 削 时切 削 方 程 的推 导
按 照 产 生 连 续 的 带 状 切 屑 理 论 ， 高 速 切 削 时 切 屑 即 将 脱 离 母 体 的 瞬 间 ， 一 个 变 速 运 在 是 动 ， 一 个 向外 的 加 速 度 ， 之 产 生 一 个 沿前 刀 面 向外 的达 朗 伯 惯 性 力 ． 有 使 因而 高 速 切 削 公 式 不 同于 常 规 速 度 的切 削 方 程 ． 假设条件 ： １ ）切 削 时形 成 带 状 切屑 ， 产 生 积 屑 瘤 ， 不
； （ｓ ｓ ＋ｓ￣ｉ。一Ｆ（ｎ 一ｍｏ ） ｃ ｏｒ ｉ ｓｒ ｏ ｏ ｎ ｎ ） ．ｉ／ ｓ／ ｓ １ ｆ
再 整理 得 出 名 义 摩 擦 角 Ｊ ９为
ｔｎ９＝ ｃ ｓ ｏ （ Ａ ＋ Ｆ ａＪ ＝ ￣ ） Ｆ ｏ ｒ ｄ ｍ￣ ／ ｔ ，
（ ６ ）
（） ７
金 属 被 拉 伸 ， 且 局 部 金 属 粘 附 在 子 弹 上． 种 表 象 和 刀 具 前 刀 面 与 切 屑 底 层 相 接 触 状 态 相 而 这
似． 塑性变 形层厚 的大 小随速度 的变化而变化 ， 速度 低 ， 变形层 厚度 增大 ， 切削 力也 增大 ， 速度
【 ＝ １ 踮 ０ｒ／ ｎ ａｊＶ ｌ ｍｌ
２ 子弹击靶 模拟切 削实验 装置框 图
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录下来 ， 对 曲线进行受力 的标定． 再
，
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２ ２ 实 验 结 果 ．
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由实验 数据绘 制 出冲量 与 子 弹 速 度 日曲线 圈 ， 圈 ３所 示． 见 曲线 图 中 可
以得 出 以 下两 点结 论 ： 结 论 １ 从 两 条 曲线 上 可 以 看 出 ，
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１９９９年 ３月
沈 阳 工 业 学 院 学 报
ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＮＹＡＮＧ Ｉ ＴＩ Ｓ ＮＳ ＴＵＴＥ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｍ ．１９９９ 第 １卷 第 ｌ ８ 期 Ｊ
超 高 速切 削机 理 的 研 究
一
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第ｌ 期
张 志军 等 ：超高速切削机理 的研究
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再 由滑移线场切削模型 的莫 尔圆脚 得出
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詈＋ 卢 一
式中
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剪切角．
将 卢 代入式 （）中则 得出高速切削 时的切削方程 为 值 ９
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图 ４ Ａ 钢 板弹孔 撮部试 样的金 相组 织雕片 （ ０ Ｘ） ｊ １０
沈 阳 工 业 学 院 学 报
１９ ９ ９芷
结论 ２ 在两条 曲线 上都 存在一处 明显 的拐 点 ， 就是说对金属材 料而言 ， 随着切削速度 的 提高 ， 切削 力会 在某 处突然下 降． 不同的金属材料 突降点 的速度 不 同．
３ 超 高 速切 削 机理 分 析
超 高速 切削机理分析 基于 曲线图和弹孔根部试 样的金相 组织照片． 同速度下 弹孔 根部 不 金 相 组 织 照 片见 图 ４所 示． ａ和 ｂ照 片 分 别 是 曲线 ２拐 点左 边 弹 孔 根 部 试 样 的金 相 组 织 照 片 ． 子弹与靶 板相 互激 烈摩擦的一面 ， 晶粒被 明显地拉 长 ， 并沿子弹穿出方向密集排列 ， 晶界模糊 ， 并 呈 一 条 条 白色 线 条状 ． 主 要 是 由于 材 料 的塑 性 变 形 起 主 导 作 用 ， 摩 擦 力 的 作 用 下 ， 层 这 在 底
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摘 要
张 志 军
（ 阳工业 学院机械 工程 幕 ． 阳 １ ０ １ ） 沈 沈 １０ ５
贾 春 德
（ 阳工 业学 院） 沈
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着 重研 究 了超 高速 切 削 的现 象 和 机 理 ， 出 ７相 应 的 切 削 方 提
程 ． 研 制 ７一 套 以 高速 于 弹 撞 击靶 板 的 高 速 切 削 的模 拟 实 验 系统 ， Ａ 并 从
高变形层厚度 减 小 ， 切削力 也减小． 恰好符合结 论 １ 照 片 ｃ 这 ． 为拐点 处靶板 弹孔 根部的金相 组织照片 ， 由此照片可看 出 ， 底层金属 中只是在局部 浅层中还存 在塑性变形 ， 局部有金属粘着 ， 值大 部分晶粒仍保持原 状 ． 别晶粒尺 寸变大 ， 个 并围绕 自身的 对称 辅略 微转 动 ， 动则是 由于 转 应 力 不 均 匀 所 致 ． 说 明切 屑 底 层 金 属 组 织 出现 了相 变 超 塑 性 现 象 ］ 由于 超 塑 性 的 出 现 ， 这 ． 变 形 力明显减小 ， 没有加工硬化现象 ， 试样变形 后的弯曲率加大 ， 晶粒并没有在受拉方 向上伸长 ， 而 是仍 然 保 持 着 等 辅 状 ， 晶粒 内部 变 形 很 小 ， 晶 界 处 没 有发 现 由于 显 著 的 晶 界 滑 移 和 晶 粒 转 在
（０ １）
２ 超 高速切 削 的实 验研 究
超高速切削 目前还不能在机 械加工 中得到实 际的应用． 早在 ５ Ｏ年代 ， 苏联 的一些学者先 后用火箭弹 为载体做了相 当于 刨削 的超高速切削实验． 只能观察被加 工工 件 的切 削痕迹和 但 刀 具 的 磨 损 状 态 ， 无法 对 切 屑 的 形成 过 程 和 切 削 机 理 进 行 研 究 ． 文 作 者 自制 了一 套较 为 先 而 本 进的子弹击靶的超 高速 切削 的模拟实验装置 ， 利用不 同速 度的子弹射击不同材料的靶 ， 并记录 子弹着靶时 的力信号 ， 得出了不 同速度下 力的值．