超高速铣削材料的应力波去除机理研究

Metal cutting speed increases rapidly in recent years.The maximum value reaches 10000m/min for some material. The strain rate of workpieces will exceed 10^6/s when impacted strongly by the cutting tool. Some specific phenomena happen consequently, for example, chip shape becomes fractured in ultra-high speed cutting while it is continuous in conventional cutting. Those cannot be explained using traditional shear slide theory, associated material removal mechanism of ultra-high speed milling needs deep consideration. Stress wave theory is an effective approach to study material dynamic response by impact loads under a high strain rate of above 10^4/s. Milling process is considered in this project. A new method using stress wave is developed to explore the material removal mechanism of ultra-high speed milling. The main research contents include: 1)the formation and characterization of stress wave endured impact loads; 2)the propagation, reflection and superposition of stress wave at continuous ultra-high speed milling; 3)dynamic fracture mechanism of material under combined stress waves; 4)influence law of chip shape and machined surface due to the action of stress waves, which can explain unusual phenomena on cutting force and heat during ultra-high speed milling. The project also proposes a new thought to define the ultra-high speed milling according to the material removal mechanism. It is valuable for us to design cutting tools and optimize cutting process.

近年来切削加工速度不断提高，某些材料最高达到了10000m/min，工件材料受到刀具的强烈冲击，材料应变率超过10^6/s，出现诸多特异现象（如切屑形态从常规的带状向超高速的崩碎状突变），传统剪切滑移理论已无法解释，迫切需要探索超高速切削的材料去除机理，应力波理论是分析材料受冲击载荷作用在高应变率（10^4/s以上）下动态响应问题的有效方法。本项目以铣削工艺为对象，提出一种基于应力波理论的超高速铣削材料去除机理研究方法。主要研究刀具冲击加载下应力波的形成及表征方法，分析连续超高速铣削时工件材料内应力波的传播、反射和叠加等作用规律，探索工件材料在复合应力波作用下的动态断裂机制，研究应力波对最终切屑形貌和已加工表面的影响规律，从而解释超高速铣削材料过程中的力、热不寻常现象。提出从材料去除机理角度完善超高速铣削定义新思路，为超高速铣削的刀具设计和切削工艺优化奠定基础，具有重要理论意义。

在高速/超高速切削过程中出现的特异现象（崩碎状切屑、刀具加剧磨损、切削力波动等），利用传统的剪切滑移理论已无法解释，理论上的不完善极大地限制了超高速加工的应用与发展。本项目提出基于应力波理论来研究超高速铣削材料的去除机理，为超高速铣削的刀具设计和加工工艺优化奠定基础。. 提出了刀具冲击工件材料时应力波的实验观测和离散元表征方法。基于动态光弹性原理设计了高速切削应力波实验观测平台，首次观测到了应力波在二维平面工件中的传播过程；利用离散元数值方法对材料的力学性能进行了表征建模，分析了切削速度和刀具前角对应力波的产生和传播的影响，发现切削速度主要影响应力波能量大小，而不同的刀具前角直接影响了应力波波形分布。. 基于材料离散元模型及应力波观测试验台，分析了应力波在自由表面和非均质界面处的反射、透射与叠加及其对材料受力状态的影响。发现切削区材料在界面的影响下受由拉、压、剪多种应力复合作用，且应力三轴度在特定区域会出现急剧转变，引起断裂应变突然下降；结合工件材料中的应力波能量分布规律，揭示了脆性材料产生崩碎状切屑与应力波作用下断裂机制转变之间的关系。 . 总结了韧性材料在高速切削下由于微观组织演变导致的韧脆转变机理。通过EBSD和TEM分析了高速切削下高导无氧铜和钛合金的动态再结晶引起的晶粒变形和细化过程，解释了切屑根部断口微观形貌由韧转脆的现象；结合温度和动应力的影响，发现切屑部分的微观组织演变和应力波作用下的受力状态变化导致了材料由II型断裂向I型断裂动态转变，并最终引起切削力随切削速度的上升而下降。. 研究了切屑形态和表面质量随切削速度的变化规律。通过分析不同切削速度下钛合金切屑形态和表面形貌，发现了切屑锯齿频率与表面微波频率相符，揭示了切削参数与切屑形态及表面质量之间的内在联系。通过对已加工表面完整性进行表征，发现通过改变切削工艺参数可以获得不同的表面塑性变形和微观组织，进而可以达到改善表面完整性的目的。