CN103105332A - 用正交切削法测定材料断裂韧性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用正交切削法测定材料断裂韧性的方法，包括以下步骤：1）对材料待测试样初加工；2）将测力仪安置于工件下方并与机床工作台固定连接、用于测量测力仪测得的切削力F_c和切削推力F_t；3）在机床上对待测试样切削加工；4）在不同切削厚度a_c下，计算或测量切屑厚度a_ch；5）计算得到被切削材料的断裂韧性值G_c：正交切削时材料的受力状态为平面应变状态，待测试样不需制成特定形状，测试过程简单易行；切削刀具可使去除层材料与基体之间迅速断裂，可有效解决高韧性、低屈服强度材料的裂纹钝化问题，使用正交切削实验确定材料断裂韧性的方法完全可替代现有测试方法。

Description

用正交切削法测定材料断裂韧性的方法

技术领域

本发明涉及切削加工和材料性能测试技术领域，尤其涉及一种用正交切削法测定材料断裂韧性的方法。

背景技术

断裂韧性是材料（包括金属材料和非金属材料）的重要性能参数，可表征材料抵抗断裂的能力。机件中裂纹逐渐扩展时，裂纹尖端的应力场强度因子K_I随之增大，当K_I达到临界值时，机件中的裂纹产生失稳扩张，该应力场强度因子的临界值，即为材料的断裂韧性。当裂纹尖端处于平面应变状态时，断裂韧性的数值最低，反映了材料抵抗脆性断裂的能力。因此，测定具体材料的断裂韧性时，一般测定其平面应变断裂韧性K_IC。

平面应变断裂韧性的测试方法已比较定型，基本过程是把待测材料制成一定形状和尺寸的试样，并在试样上制作出等效于缺陷的裂纹，然后对试样加载，在加载过程中用测量仪器连续记录载荷增长和裂纹扩展情况，一直到裂纹失稳扩展的临界状态，根据载荷和裂纹的发展情况确定出材料的断裂韧性。该方法前期试样制备过程复杂，等效缺陷裂纹的制作有较大的随意性和人为性，使测量精度难以保证，且测量过程所需时间较长。

对于某些高韧性、低屈服强度的材料，测试其断裂韧性时，由于裂纹尖端的塑性变形区域较大导致裂纹钝化，使用现有方法测试时更加困难。

发明内容

本发明就是为了解决现有技术存在的上述不足，提供一种用正交切削法测定材料断裂韧性的方法；采用正交切削法对材料切削、材料的受力状态为平面应变状态，待测试样不需制成特定形状，测试过程简单易行；切削刀具可使去除层材料与基体之间迅速断裂，可有效解决高韧性、低屈服强度材料的裂纹钝化问题，使用正交切削实验确定材料断裂韧性的方法完全可替代现有测试方法。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种用正交切削法测定材料断裂韧性的方法，包括以下步骤：

1）对材料待测试样初加工；

2）将测力仪安置于工件下方并与机床工作台固定连接，用于测量切削力F_c和切削推力F_t；

3）在机床上对待测试样切削加工；

4）在不同切削厚度a_c下，计算或测量切屑厚度a_ch；

5）根据以下公式计算得到被切削材料的断裂韧性值G_c：

$\frac{F_c}{a_w}-\frac{F_t}{a_w}\tan \mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{2}{a}_c(\tan \mathrm{\φ}+\frac{1}{\tan \mathrm{\φ}})+G_c,$

其中，F_c为切削力、F_t为切削推力、a_c为切削厚度、a_w为切削宽度、σ_s为工件材料的屈服强度；计算得到被切削材料的断裂韧性值G_c；

其中

$\tan \mathrm{\φ}=\frac{\cos {\mathrm{\γ}}_0}{(a_{\mathrm{ch}}/a_c)-\sin {\mathrm{\γ}}_0},$

为剪切角为，γ₀为刀具前角，a_ch为切屑厚度。

步骤1）的待测试样加工成半圆柱形、或长方体薄板。

步骤3）切削时半圆柱形试样的直径边朝外装夹作为加工面、矩形试样任意一薄面边为加工面。

步骤3）加工机床为立式数控铣床，采用逆铣切削方式对待测试样切削加工。

步骤4）切屑形态若为连续带状，直接测量切屑厚度a_ch。

步骤4）切屑形态若为锯齿状，锯齿形切屑厚度a_ch采用以下公式计算：

a_ch＝H-h+h/2＝H-h/2，

其中h为锯齿形切屑中不连续部分的高度，H为锯齿形切屑最大高度。

本发明的有益效果：

1.本发明与现有断裂韧性测试方法相比，待测试样制备简单，测试过程简单易行，重复性高，并且可有效测定传统方法难以测试的高韧性、低屈服强度材料的断裂韧性。

2.采用正交切削法对材料切削、材料的受力状态为平面应变状态，待测试样不需制成特定形状，测试过程简单易行；

3.切削刀具可使去除层材料与基体之间迅速断裂，可有效解决高韧性、低屈服强度材料的裂纹钝化问题，该发明为新型的测试方法、能够替代现有测试方法。

附图说明

图1是本发明中测试材料断裂韧性的装置图；

图2是正交切削模型示意图；

图3锯齿形切屑形成示意图；

图4是屈服强度和断裂韧性计算流程图；

图5是聚合物PE和PC的切削实验数据拟合曲线；

图中：1、机床主轴；2、面铣刀刀盘；3、待测试样；4、夹具；5、测力仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

一种用正交切削法测定材料断裂韧性的方法，结合图1至图5，包括以下步骤：

1）对材料待测试样3初加工；将待测试样加工成半圆柱形、或长方体薄板；

2）将测力仪5安置于工件下方并与机床工作台固定连接、用于测量切削力F_c和切削推力F_t；

3）在机床上对待测试样切削加工；切削时半圆柱形试样的直径边朝外装夹作为加工面、矩形试样任意一薄面边为加工面，加工机床为立式数控铣床，采用逆铣切削方式对待测试样切削加工；

4）在不同切削厚度a_c下，计算或测量切屑厚度a_ch；当切屑形态为连续带状，直接测量切屑厚度a_ch；当切屑形态为锯齿状，锯齿形切屑厚度a_ch采用以下公式计算：a_ch＝H-h+h/2＝H-h/2，其中h为锯齿形切屑中不连续部分的高度，H为锯齿形切屑最大高度；

5）根据以下公式计算得到被切削材料的断裂韧性值G_c：

$\frac{F_c}{a_w}-\frac{F_t}{a_w}\tan \mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{2}{a}_c(\tan \mathrm{\φ}+\frac{1}{\tan \mathrm{\φ}})+G_c,$ 其中，F_c为切削力、F_t为切削推力、a_c为切削厚度、a_w为切削宽度、σ_s为工件材料的屈服强度；计算得到被切削材料的断裂韧性值G_c；其中 $\tan \mathrm{\φ}=\frac{\cos {\mathrm{\γ}}_0}{(a_{\mathrm{ch}}/a_c)-\sin {\mathrm{\γ}}_0},$

其中

为剪切角为，γ₀为刀具前角，a_ch为切屑厚度。

具体测定方法是:

测试时使用的机床为立式数控铣床，将待测试样3通过夹具4固定在机床的工作台上，为简化切削过程中的受力分析，切削方式采用干式正交切削、即刀具刀刃垂直于切削速度方向的切削，在立式数控铣床的机床主轴1上安装面铣刀刀盘2，所加工的待测试样3的切削厚度小于面铣刀刀盘2的刀刃宽度、以实现试样加工的正交切削，采用逆铣切削方式，测力仪5安置于工件下方并与机床工作台固定连接，用于测量各方向的切削力。

在正交切削过程中，去除层材料流经第一变形区时发生塑性屈服，如图2所示，剪切角为φ，根据屈雷斯加屈服准则可知，剪切平面上的剪应力为σ_s/2，σ_s为工件材料的屈服强度。正交切削时第一变形区处于平面应变状态，则切屑变形系数为：

$\mathrm{\ξ}=\frac{a_{\mathrm{ch}}}{a_c}=\frac{\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\γ}}_0)}{\sin \mathrm{\φ}}---\left(1\right)$

式中，a_ch为切屑厚度，a_c为切削厚度（设定值），γ₀为刀具前角（固定值）。

通过正交切削实验，获取切屑后，经过镶嵌、抛光等操作，在光学显微镜下观察测量切屑厚度a_ch，可由式（1）得到：

$\tan \mathrm{\φ}=\frac{\cos {\mathrm{\γ}}_0}{(a_{\mathrm{ch}}/a_c)-\sin {\mathrm{\γ}}_0}---\left(2\right)$

随切削速度增大，切屑形态由带状转变为锯齿状时，由于切屑厚度a_ch不能直接测量，导致切屑变形系数ξ和剪切角正弦值tanφ的计算方法有所不同。锯齿形切屑的形成可用图3简易表达，锯齿形切屑厚度可由式（3）计算得的等效值表示。

a_ch＝H-h+h/2＝H-h/2      （3）

其中，h为锯齿形切屑中不连续部分（即锯齿分节顶部和底部之间）的高度，H为锯齿形切屑最大高度，如图3所示。

切削过程中，刀尖与去除层材料第一变形区的接触点为断裂点，作用于刀尖处的水平方向切削力是导致去除层材料与工件基体分离的直接因素，该力克服材料的裂纹扩展阻力使去除层材料与基体分离，故刀尖上的单位宽度的水平方向切削力即可等效为断裂韧性G_c，使水平方向单位宽度的净剩力为(F_c/a_w)-G_c，a_w为切削宽度。剪切面上的力平衡方程为：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{2}\frac{a_c}{\sin \mathrm{\φ}}=\left(\frac{F_c}{a_w}{-G}_c\right)\cos \mathrm{\φ}-\frac{F_t}{a_w}\sin \mathrm{\φ}---\left(4\right)$

式中，a_c/sinφ表示剪切平面的长度。

将式（4）变形：

$\frac{F_c}{a_w}-\frac{F_t}{a_w}\tan \mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{2}{a}_c(\tan \mathrm{\φ}+\frac{1}{\tan \mathrm{\φ}})+G_c---\left(5\right)$

如图4所示，通过测试一系列切削厚度a_c（如0.05-0.30mm，需根据具体测试材料而定）下得到的切屑厚度a_ch，利用式（2）计算得到tanφ，结合测力仪测得的切削力F_c和切削推力F_t，计算出不同切削厚度下的F_c/a_w-(F_t/a_w)tanφ和(a_c/2)(tanφ+1/tanφ)的值，根据式（5），可拟合出一条F_c/a_w-(F_t/a_w)tanφ对(a_c/2)(tanφ+1/tanφ)的直线，由该直线的斜率和截距可分别确定出σ_s和G_c的值。G_c即为被切削材料的断裂韧性值。

实施例

表1：聚合物PE和PC的切削实验数据（Kobayashi）和计算结果

根据上述方法，结合Akira Kobayash在文献《Machining of plastics》(McGraw-Hill,New York,1967)中对两种聚合物PE和PC进行切削实验的实验数据，如表1，由式（5）拟合出一条F_c/a_w-(F_t/a_w)tanφ对(a_c/2)(tanφ+1/tanφ)的直线，由该直线的斜率和截距可分别确定出σ_s和G_c的值（如图5），图5的回归直线方程中x、y分别代表横坐标和纵坐标，R²表示线性相关系数，由此得出两种聚合物PE和PC的屈服强度σ_s和断裂韧性值G_c见表1中所示。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种用正交切削法测定材料断裂韧性的方法，其特征是，包括以下步骤：

1）对材料待测试样初加工；

2）将测力仪安置于工件下方并与机床工作台固定连接、用于测量切削力F_c和切削推力F_t；

3）在机床上对待测试样切削加工；

4）在不同切削厚度a_c下，计算或测量切屑厚度a_ch；

5）根据以下公式计算得到被切削材料的断裂韧性值G_c：

$\frac{F_c}{a_w}-\frac{F_t}{a_w}\tan \mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{2}{a}_c(\tan \mathrm{\φ}+\frac{1}{\tan \mathrm{\φ}})+G_c,$

其中，F_c为切削力、F_t为切削推力、a_c为切削厚度、a_w为切削宽度、σ_s为工件材料的屈服强度；计算得到被切削材料的断裂韧性值G_c；

其中

$\tan \mathrm{\φ}=\frac{\cos {\mathrm{\γ}}_0}{(a_{\mathrm{ch}}/a_c)-\sin {\mathrm{\γ}}_0},$

为剪切角为，γ₀为刀具前角，a_ch为切屑厚度。

2.如权利要求1所述的用正交切削法测定材料断裂韧性的方法，其特征是，所述步骤1）的待测试样加工成半圆柱形、或长方体薄板。

3.如权利要求1所述的用正交切削法测定材料断裂韧性的方法，其特征是，所述步骤3）切削时半圆柱形试样的直径边朝外装夹作为加工面、矩形试样任意一薄面边为加工面。

4.如权利要求1所述的用正交切削法测定材料断裂韧性的方法，其特征是，所述步骤3）加工机床为立式数控铣床，采用逆铣切削方式对待测试样切削加工。

5.如权利要求1所述的用正交切削法测定材料断裂韧性的方法，其特征是，所述步骤4）切屑形态若为连续带状，直接测量切屑厚度a_ch。

6.如权利要求1所述的用正交切削法测定材料断裂韧性的方法，其特征是，所述步骤4）切屑形态若为锯齿状，锯齿形切屑厚度a_ch采用以下公式计算：

a_ch＝H-h+h/2＝H-h/2，

其中h为锯齿形切屑中不连续部分的高度，H为锯齿形切屑最大高度。

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