基于价电子结构分析的高速切削过程绝热剪切敏感性研究

The instant high-speed impact in high-speed cutting process between tool and workpiece will result in thermal softening effect exceeding hardening effect to form serrated chip with adiabatic shear band. The serrated chip will affect chip control, face quality and wear and tear of tool. Now, the formation mechanism of serrated chip and influencing factors are not clear. The expression of the adiabatic shear susceptibility by material properties and cutting parameters is established according to deformation characteristics in orthogonal high speed cutting process. The relationship between valence electron structure parameters and material properties parameters is studied with EET theory. The nature of relations between alloying elements and adiabatic shear susceptibility is revealed according to valence electron structure in the same cutting conditions in order to predict adiabatic shear phenomenon in some degree. Some reference will provided for designing material with different adiabatic shear susceptibility. The feasibility of research results will be verified by the cutting test of some typical materials. The results can help us to know the formation mechanism of adiabatic shear phenomenon in serrated chip. The cutting theory will be improved and perfected to direct high-speed machining .

在高速切削过程中刀具与工件的瞬间高速撞击，造成局部区域温度瞬间急剧升高，热软化效应超过硬化效应，形成由绝热剪切带均匀间隔的锯齿形切屑，这种切屑会影响切屑控制、加工质量、加速刀具磨损，其形成机理及影响因素尚有待厘清。本项目针对正交高速切削过程切屑变形特性，根据单位面积形成绝热剪切带所需能量，建立以材料性能参数及切削参数表示的绝热剪切敏感性表达式，应用EET理论，研究价电子结构参数与材料性能参数之间的关系，在相同切削条件下，以材料性能参数为纽带，从电子结构层次揭示材料合金元素与绝热剪切敏感性之间的本质关系，在一定程度上预测材料发生绝热剪切现象的难易程度，为设计具有不同绝热剪切敏感性的材料提供一定参考依据，并通过一些典型材料的切削试验对研究结果的可行性进行验证，研究结果有助于进一步认识锯齿形切屑绝热剪切现象形成机理，丰富切削理论，为高速切削加工生产实践服务。

在高速切削过程中刀具与工件的瞬间高速撞击，形成由绝热剪切带均匀间隔的锯齿形切屑，影响加工质量、加速刀具磨损，其形成机理尚未认识清楚。本项目针对正交高速切削锯齿形切屑绝热剪切局部化的变形特性，根据能量方程，推导出综合性描述绝热剪切敏感性的定量表达式，该表达式以屈服强度、热导率、密度、比热和应变率等参数表征，综合考虑了材料性能参数和切削参数对绝热剪切敏感性的影响规律。根据共价键结合特点，从原子成键能力角度研究了锯齿形切屑绝热剪切破坏微观机理，研究结果表明，不同合金元素形成的短程有序的强化相，会阻碍位错的运动，共价键不易破坏，增加了绝热剪切敏感性。根据EET理论，对钛合金、合金钢和铜合金进行了键距差分析，计算了最大共价电子对数、键能、异相界面电子密度和晶格电子数等价电子结构参数，并研究了这些参数对材料屈服强度和热导率的作用机理。研究结果表明，最大共价电子对数、成键能力和异相界面电子密度决定强度的大小，晶格电子数和晶格电子密度决定热导率的高低，结合绝热剪切敏感性表达式，在价电子结构层次上揭示了不同合金元素对绝热剪切敏感性的影响规律，可在一定程度上“预测”绝热剪切现象的发生，替代部分耗时、昂贵的试验。研究结果有助于进一步认识锯齿形切屑形成机理，为合理选择、设计具有不同绝热剪切敏感性的切削材料，为避免或利用绝热剪切现象，优化切削参数，提高工件表面质量，提供了一种新的理论依据，为高速切削加工生产实践服务。