切削过程中绝热剪切带的滑移线场研究

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随着高速切削在机械制造领域的广泛应用,越来越多的难加工材料在切削过程中发生绝热剪切,由此导致的锯齿形切屑会影响工件材料的切削加工性,因此亟需通过建立切削过程中绝热剪切带的滑移线场模型来认识影响机理和规律。以此指导切削加工参数的合理选择,为生产实践服务,这对实现难加工材料零部件的高质高效加工具有重要的意义。本文针对切削过程中发生的绝热剪切,对绝热剪切带内材料的强烈塑性变形,进行了滑移线场研究,分析了基于绝热剪切行为的切削力和绝热剪切对于已加工表面质量的影响机理及规律。主要研究内容如下:(1)采用金相显微镜对正交切削FV520(B)硬化不锈钢获得的锯齿形切屑微观形貌和绝热剪切带进行了观察测量,获得了锯齿形切屑的变形系数和锯齿化程度以及绝热剪切带宽度和倾角随着切削速度、刀具前角和切削厚度的变化规律。(2)根据滑移线场理论,对于切削过程中绝热剪切带内的塑性变形,提出了一种四边界五区域滑移线场模型,并给出了相应的速矢图。定义了绝热剪切带滑移线场边界,将绝热剪切带滑移线场划分为五个区域。采用矩阵算子法确定了滑移线场模型的几何参量,给出了求解绝热剪切带内应力分布的方法。(3)基于绝热剪切带四边界五区域的滑移线场,给出了计算第一变形区内剪切力和法向力、作用在第二变形区的摩擦力和法向力以及主切削力和进给力的方法,分析了不同切削条件下FV520(B)不锈钢材料绝热剪切带内平均剪应变、平均剪应变率和平均温度。在此基础上,依据材料本构关系获得了绝热剪切带内平均剪切应力,计算分析了切削过程的主切削力和进给力,并通过正交切削实验对计算切削力的方法进行了验证。(4)计算分析了由绝热剪切带引起的导裂角随刀具前角、切削速度和切削厚度的变化规律。随着切削速度和刀具前角的减小、切削厚度的增加,刀尖处导裂角随之减小,已加工表面粗糙度Ra值增大。通过已加工表面几何形貌实验观察测量,印证了导裂角与已加工表面质量的相关性。
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