CN112683715B - 一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法，包括步骤1，搭建正交槽铣平台；步骤2，采用预设好的加工参数对韧性金属材料进行正交槽铣加工实验；步骤3，根据Williams模型求出韧性金属材料的动态屈服应力σ_d，得到动态屈服应力与铣削速度之间的关系，并取动态屈服应力σ_d最大处所对应的切削速度为临界切削速度V_p；步骤4，采用正交槽铣加工实验中相同的加工参数对韧性金属材料进行车削加工实验，通过分析判断材料发生锯齿化转变的临界速度；步骤5，若预测模型的相对误差，在设定的误差范围内，则临界切削速度V_p作为该韧性金属材料的临界切削速度。本发明可预测韧性金属材料出现锯齿化切屑的临界切削条件，优化了获得切削力参数的获取途径。

Description

一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法

技术领域

本发明涉及韧性金属材料切削的技术领域，更具体地说，涉及一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法。

背景技术

对于韧性金属材料，随着切削速度的增加，切屑形貌会从连续形转变为锯齿形。锯齿状切屑的特征为塑性流动不均匀，变形集中在平面带上，而带之间的区域仅有轻微变形。这种特殊的几何特性有利于切屑的破碎和去除，但往往会引起较大的切削力波动，导致工件表面光洁度、刀具寿命和加工零件精度下降。因此，在加工韧性金属材料时，预测出锯齿状切屑的临界切削条件，对于控制表面完整性和工具磨损率具有实际意义。

锯齿状切屑形成的原因已引起广泛关注。迄今为止，锯齿状切屑的形成有两种主要的理论，即周期性断裂理论和绝热剪切理论。前一种理论认为，与刀具的前进同步的周期性裂纹扩展是锯齿状切屑的主要形成机理。后一种理论认为，锯齿化切屑与主剪切区内反复发生的热塑性剪切不稳定性有关。通常，具有良好热物理特性的韧性金属材料有利于绝热剪切局部化机制，该材料具有在切割过程中促进初始变形区温度升高的作用。

根据绝热剪切理论，现在常用的许多分析模型都能确定切屑形成过程中绝热剪切失稳的临界切削条件。这些模型包括：基于工件材料应力-应变曲线内最大应力的模型；基于剪切带中的剪切应力与工件材料的剪切强度之间比较的模型；基于扰动分析的模型；基于将流动定位参数与实验获得的临界值相比较的模型等。这些建模框架从不同的角度为锯齿状切屑的产生提供了有价值的理解。但是对于大多数研究者所提出的模型，通常需要绝热剪切带内与温度相关的材料特性和相应的温度来计算各个判断标准中的临界参数，这通常涉及额外的复杂分析计算，而计算结果却难以验证。

不同于分析模型的是，有限元建模(FEM)可以更直观地了解切屑形成过程中发生的物理特性，例如应力和应变率分布，温度场和切屑几何形状等。近二十年来，有限元建模的方法也被广泛应用于预测锯齿切屑发生的临界切削条件。然而，为了保证有限元预测的准确性，必须预先确定和验证工件材料的本构模型、刀-屑摩擦模型和切屑断裂模型的参数。此外，这种方法会消耗冗长和昂贵的计算资源，才能模拟在一组切削参数下的切屑形成过程。在预测锯齿化切屑的形成条件时，对于新开发的工件材料或者在复杂的切削工况下，有限元方法便不利于进行广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法，该方法可预测韧性金属材料出现锯齿化切屑的临界切削条件，优化了获得切削力参数的获取途径，使得预测模型中所需的实验测力次数大大减小，同时对预测结果提供了验证方法，保证了预测结果的准确性及精度要求，减小了实验中所需投入的时间及人力成本，在一定程度上增加了实验效率。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：包括：

步骤1，搭建正交槽铣平台；

步骤2，在正交槽铣平台上，采用预设好的加工参数对韧性金属材料进行正交槽铣加工实验，收集铣削力数据F_x和F_y，并计算主切削力F_c和径向切削力F_t；

步骤3，根据Williams模型求出韧性金属材料的动态屈服应力σ_d，得到动态屈服应力与切削速度之间的关系，并取动态屈服应力σ_d最大处所对应的切削速度为临界切削速度V_p；

步骤4，采用正交槽铣加工实验中相同的加工参数对韧性金属材料进行车削加工实验，收集每组加工参数下的切屑，选取每组样品中典型的切屑样品进行处理，通过分析判断材料发生锯齿化转变的临界速度；

步骤5，将步骤3中Williams模型预测的临界切削速度V_p与步骤4中车削实验测得的临界速度作比较，求出预测模型的相对误差，若相对误差在设定的误差范围内，则临界切削速度V_p作为该韧性金属材料的临界切削速度。

步骤1中，所述正交槽铣平台包括安装在铣床工作台上的工装夹具、安装在立式铣床上的槽铣刀、韧性金属材料工件、测力仪、电荷放大器、数据采集卡和控制器；

所述工件安装在工装夹具上，槽铣刀用于对工件进行正交槽铣加工；所述测力仪安装在工装夹具上并与电荷放大器连接；所述电荷放大器通过数据采集卡与控制器连接。

所述槽铣刀为双刃直刃槽铣刀；所述槽铣刀角度分别是：前角γ₀为10°，间隙角α₀为8°，刃倾角λ_s为0°，主偏角K_r为90°，刀尖角半径R_n为0.02mm。

所述测力仪类型为压电三分量测功机。

所述压电三分量测功机的型号为Kistler 9129AA或Kistler 9265b。

步骤4中，所述选取每组样品中典型的切屑样品进行处理，通过分析判断材料发生锯齿化转变的临界速度是指：选取每组样品中典型的切屑样品分别用环氧树脂镶样并打磨抛光，再用该韧性金属材料相对应的一定浓度的腐蚀液进行腐蚀处理，最后用光学显微镜观察切屑的截面形貌，分析判断韧性金属材料发生锯齿化转变的临界速度，其中判断锯齿化转变的依据是截面中出现绝热剪切带。

步骤4中，车削加工实验采用切削机床对韧性金属材料进行加工实验，切削机床刀具角度的参数为：前角γ₀为10°，间隙角α₀为8°，刃倾角λ_s为0°，主偏角K_r为90°，刀尖角半径R_n为0.02mm。

步骤2中，主切削力F_c和径向切削力F_t的计算公式为：

其中，θ为刀具的旋转角度。

步骤3中，根据Williams模型求出韧性金属材料的动态屈服应力σ_d，得到动态屈服应力与切削速度之间的关系，并取动态屈服应力σ_d最大处所对应的切削速度为临界切削速度V_p是指：

根据Williams理论，滑移面上的力学方程为

其中，σ_d为剪切变形区的屈服应力，a_c是未切削层厚度，K_c是工件材料的断裂韧性，F_c表示主切削力，F_t是径向切削力，a_c/sinφ是剪切平面的长度，φ是剪切平面与切削速度方向间的剪切角；(F_c/w_c)-K_c是作用在刀具和切屑之间每单位宽度的残余水平力；此外，比主切削力P_c可以确定为：

其中w_c是切割宽度。比径向切削力P_t可确定为：

因此，公式(2)可以通过多项式变换转化为如下表达式：

在等式(5)中，通过正交槽铣加工实验可以得到在不同未切削层厚度a_c下的比切削力P_c和P_t；因此，可以进一步计算(P_c-P_ttanφ)与(a_c/2)(tanφ+1/tanφ)的值；然后，根据Williams的方法，拟合出(P_c-P_ttanφ)与(a_c/2)(tanφ+1/tanφ)的关系；将拟合图的斜率确定为韧性金属材料的动态屈服应力σ_d；

公式(2)中的剪切角φ可以通过Oxley的剪切角模型求得，其考虑了材料的应变、应变率以及加工硬化的影响，即：

其中，m是加工硬化率，k₀是假定的屈服剪切应力，γ₀是刀具前角，β是切削区的摩擦角，剪切角φ'可以表示为：

β可表示为：

β＝α+γ₀； (8)

其中α是水平分量和垂直分量在运动方向上的夹角，可以表示为：

根据公式(10)-(13)计算韧性金属材料的剪切应力τ和剪切应变率ε，并通过绘制和拟合剪切应力τ和剪切应变率ε之间的关系线，分别将图像的垂直轴截距和斜率确定为公式(6)中材料的加工硬化率m和假定的屈服剪切应力k₀；

材料在一次变形区的剪切应力τ如下：

其中，F_s是变形区的剪切应力，A是材料的剪切面积；F_s和A可以分别由以下公式确定：

F_s＝F_c cosφ′-F_t sinφ′； (11)

材料的剪切应变ε可通过以下方法确定：

通过以上流程的数据处理，可以得到韧性金属材料的动态屈服应力σ_d，以得到动态屈服应力与切削速度之间的关系；并取动态屈服应力σ_d最大处所对应的切削速度为临界切削速度V_p。

步骤5中，相对误差公式为：

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明韧性金属材料临界切削条件的预测方法可预测韧性金属材料出现锯齿化切屑的临界切削条件，优化了获得切削力参数的获取途径，使得预测模型中所需的实验测力次数大大减小，同时对预测结果提供了验证方法，保证了预测结果的准确性及精度要求，减小了实验中所需投入的时间及人力成本，在一定程度上增加了实验效率。

2、本发明通过设计槽铣刀、工件及工工装夹具，结合正交槽铣的特点，利用测力仪改进切削力的获取方式；在正交槽铣加工实验中，槽铣刀一个旋转周期内能获得对应于不同切削厚度下的切削力，相较于车削试验一次只能获得一个切削厚度下的切削力数据，该优化方法使切削力的获取难度与工作量大大降低，提高了创建模型求材料临界切削条件过程的效率；对Williams模型进行了改进，拓宽了模型在求解动态屈服应力的使用范围；并通过车削实验，验证了预测模型的准确性与可行性。

附图说明

图1是本发明一种预测韧性金属材料临界切削条件的方法的步骤流程图；

图2是本发明一种预测韧性金属材料临界切削条件的方法的正交槽铣平台示意图；

其中，1为槽铣刀、2为工件、3为工装夹具、4为测力仪、5为电荷放大器、6为数据采集卡、7为控制器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

如图1和2所示，本发明韧性金属材料临界切削条件的预测方法包括：

步骤1：搭建正交槽铣平台；该正交槽铣平台包括安装在铣床工作台上的工装夹具3、安装在立式铣床上的槽铣刀1、韧性金属材料工件2、测力仪4、电荷放大器5、数据采集卡6和控制器7；其中，工件2安装在工装夹具3上，槽铣刀1用于对工件2进行正交槽铣加工，测力仪4安装在工装夹具3上并与电荷放大器5连接，电荷放大器5通过数据采集卡6与控制器7连接。

该槽铣刀1为双刃直刃槽铣刀，槽铣刀1角度分别是：前角γ₀为10°，间隙角α₀为8°，刃倾角λ_s为0°，主偏角K_r为90°，刀尖角半径R_n为0.02mm。而测力仪4类型为压电三分量测功机，该压电三分量测功机的型号为Kistler 9129AA或Kistler 9265b。

步骤2：在正交槽铣平台上，采用预设好的加工参数对韧性金属材料进行正交槽铣加工实验，收集铣削力数据F_x和F_y，并计算主切削力F_c和径向切削力F_t；

步骤3：根据Williams模型求出韧性金属材料的动态屈服应力σ_d，得到动态屈服应力与切削速度之间的关系，并取动态屈服应力σ_d最大处所对应的切削速度为临界切削速度V_p。

步骤2和步骤3，具体地说，主切削力F_c和径向切削力F_t的计算公式为：

其中，θ为刀具的旋转角度。

根据Williams理论，滑移面上的力学方程为

其中，σ_d为剪切变形区的屈服应力，a_c是未切削层厚度，K_c是工件材料的断裂韧性，F_c表示主切削力，F_t是径向切削力，a_c/sinφ是剪切平面的长度，φ是剪切平面与切削速度方向间的剪切角；(F_c/w_c)-K_c是作用在刀具和切屑之间每单位宽度的残余水平力。此外，比主切削力P_c可以确定为：

其中w_c是切割宽度。比径向切削力P_t可确定为：

因此，公式(2)可以通过多项式变换转化为如下表达式：

在等式(5)中，通过正交槽铣加工实验可以得到在不同未切削层厚度a_c下的比切削力P_c和P_t；因此，可以进一步计算(P_c-P_ttanφ)与(a_c/2)(tanφ+1/tanφ)的值；然后，根据Williams的方法，拟合出(P_c-P_ttanφ)与(a_c/2)(tanφ+1/tanφ)的关系；将拟合图的斜率确定为韧性金属材料的动态屈服应力σ_d；

公式(2)中的剪切角φ可以通过Oxley的剪切角模型求得，其考虑了材料的应变、应变率以及加工硬化的影响，即：

其中，m是加工硬化率，k₀是假定的屈服剪切应力，γ₀是刀具前角，β是切削区的摩擦角，剪切角φ'可以表示为：

β可表示为：

β＝α+γ₀； (8)

其中α是水平分量和垂直分量在运动方向上的夹角，可以表示为：

根据公式(10)-(13)计算韧性金属材料的剪切应力τ和剪切应变率ε，并通过绘制和拟合剪切应力τ和剪切应变率ε之间的关系线，分别将图像的垂直轴截距和斜率确定为公式(6)中材料的加工硬化率m和假定的屈服剪切应力k₀；

材料在一次变形区的剪切应力τ如下：

其中，F_s是变形区的剪切应力，A是材料的剪切面积；F_s和A可以分别由以下公式确定：

F_s＝F_c cosφ′-F_t sinφ′； (11)

材料的剪切应变ε可通过以下方法确定：

通过以上流程的数据处理，可以得到韧性金属材料的动态屈服应力σ_d，以得到动态屈服应力与切削速度之间的关系；并取动态屈服应力σ_d最大处所对应的切削速度为临界切削速度V_p。

步骤4：采用正交槽铣加工实验中相同的加工参数对韧性金属材料进行车削加工实验，收集每组加工参数下的切屑，选取每组样品中典型的切屑样品分别用环氧树脂镶样并打磨抛光，再用该韧性金属材料相对应的一定浓度的腐蚀液进行腐蚀处理，最后用光学显微镜观察切屑的截面形貌，分析判断韧性金属材料发生锯齿化转变的临界速度，其中判断锯齿化转变的依据是截面中出现绝热剪切带。

步骤5：将步骤3中Williams模型预测的临界切削速度V_p与步骤4中车削实验测得的临界速度作比较，根据公式(14)求出预测模型的相对误差：

若相对误差在设定的误差范围内，则临界切削速度V_p作为该韧性金属材料的临界切削速度。

本实施例以硅黄铜和钛合金TC4为例：

这两种材料的的性能参数如下：

表1硅黄铜与钛合金TC4的材料性能参数

通过以上五个步骤的流程操作，可以得到表2的实验结果：

表2硅黄铜与钛合金TC4的模型预测结果

从上表可发现，按照本发明预测方法的流程进行实验后，两种材料预测的临界切削速度V_p与车削实验测得的临界速度实验值的差值比较小，最大误差仅为11.1％。因此，可以认为通过本发明得到的预测临界切削速度V_p具有良好的准确性与可行性，减小了实验中所需投入的时间及人力成本，在一定程度上增加了实验效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：包括：

步骤1，搭建正交槽铣平台；

步骤2，在正交槽铣平台上，采用预设好的加工参数对韧性金属材料进行正交槽铣加工实验，收集铣削力数据F_x和F_y，并计算主切削力F_c和径向切削力F_t；

步骤3，根据Williams模型求出韧性金属材料的动态屈服应力σ_d，得到动态屈服应力与切削速度之间的关系，并取动态屈服应力σ_d最大处所对应的切削速度为临界切削速度V_p；

步骤4，采用正交槽铣加工实验中相同的加工参数对韧性金属材料进行车削加工实验，收集每组加工参数下的切屑，选取每组样品中典型的切屑样品进行处理，通过分析判断材料发生锯齿化转变的临界速度；

步骤5，将步骤3中Williams模型预测的临界切削速度V_p与步骤4中车削实验测得的临界速度作比较，求出预测模型的相对误差，若相对误差在设定的误差范围内，则临界切削速度V_p作为该韧性金属材料的临界切削速度；

步骤2中，主切削力F_c和径向切削力F_t的计算公式为：

其中，θ为刀具的旋转角度；

步骤3中，根据Williams模型求出韧性金属材料的动态屈服应力σ_d，得到动态屈服应力与切削速度之间的关系，并取动态屈服应力σ_d最大处所对应的切削速度为临界切削速度V_p是指：

根据Williams理论，滑移面上的力学方程为

其中，σ_d为剪切变形区的屈服应力，a_c是未切削层厚度，K_c是工件材料的断裂韧性，F_c表示主切削力，F_t是径向切削力，a_c/sinφ是剪切平面的长度，φ是剪切平面与切削速度方向间的剪切角；(F_c/w_c)-K_c是作用在刀具和切屑之间每单位宽度的残余水平力；此外，比主切削力P_c可以确定为：

其中w_c是切割宽度；比径向切削力P_t可确定为：

因此，公式(2)可以通过多项式变换转化为如下表达式：

在等式(5)中，通过正交槽铣加工实验可以得到在不同未切削层厚度a_c下的比切削力P_c和P_t；因此，可以进一步计算(P_c-P_ttanφ)与(a_c/2)(tanφ+1/tanφ)的值；然后，根据Williams的方法，拟合出(P_c-P_ttanφ)与(a_c/2)(tanφ+1/tanφ)的关系；将拟合图的斜率确定为韧性金属材料的动态屈服应力σ_d；

公式(2)中的剪切角φ可以通过Oxley的剪切角模型求得，其考虑了材料的应变、应变率以及加工硬化的影响，即：

其中，m是加工硬化率，k₀是假定的屈服剪切应力，γ₀是刀具前角，β是切削区的摩擦角，剪切角φ'可以表示为：

β可表示为：

β＝α+γ₀； (8)

其中α是水平分量和垂直分量在运动方向上的夹角，可以表示为：

根据公式(10)-(13)计算韧性金属材料的剪切应力τ和剪切应变率ε，并通过绘制和拟合剪切应力τ和剪切应变率ε之间的关系线，分别将图像的垂直轴截距和斜率确定为公式(6)中材料的加工硬化率m和假定的屈服剪切应力k₀；

材料在一次变形区的剪切应力τ如下：

其中，F_s是变形区的剪切应力，A是材料的剪切面积；F_s和A可以分别由以下公式确定：

F_s＝F_ccosφ′-F_tsinφ′； (11)

材料的剪切应变ε可通过以下方法确定：

通过以上流程的数据处理，可以得到韧性金属材料的动态屈服应力σ_d，以得到动态屈服应力与切削速度之间的关系；并取动态屈服应力σ_d最大处所对应的切削速度为临界切削速度V_p。

2.根据权利要求1所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：步骤1中，所述正交槽铣平台包括安装在铣床工作台上的工装夹具、安装在立式铣床上的槽铣刀、韧性金属材料工件、测力仪、电荷放大器、数据采集卡和控制器；

所述工件安装在工装夹具上，槽铣刀用于对工件进行正交槽铣加工；所述测力仪安装在工装夹具上并与电荷放大器连接；所述电荷放大器通过数据采集卡与控制器连接。

3.根据权利要求2所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：所述槽铣刀为双刃直刃槽铣刀；所述槽铣刀角度分别是：前角γ₀为10°，间隙角α₀为8°，刃倾角λ_s为0°，主偏角K_r为90°，刀尖角半径R_n为0.02mm。

4.根据权利要求2所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：所述测力仪类型为压电三分量测功机。

5.根据权利要求4所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：所述压电三分量测功机的型号为Kistler 9129AA或Kistler 9265b。

6.根据权利要求1所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：步骤4中，所述选取每组样品中典型的切屑样品进行处理，通过分析判断材料发生锯齿化转变的临界速度是指：选取每组样品中典型的切屑样品分别用环氧树脂镶样并打磨抛光，再用该韧性金属材料相对应的一定浓度的腐蚀液进行腐蚀处理，最后用光学显微镜观察切屑的截面形貌，分析判断韧性金属材料发生锯齿化转变的临界速度，其中判断锯齿化转变的依据是截面中出现绝热剪切带。

7.根据权利要求1所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：步骤4中，车削加工实验采用切削机床对韧性金属材料进行加工实验，切削机床刀具角度的参数为：前角γ₀为10°，间隙角α₀为8°，刃倾角λ_s为0°，主偏角K_r为90°，刀尖角半径R_n为0.02mm。

8.根据权利要求1所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：步骤5中，相对误差公式为：

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