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目录
2.1.1 高速切削机理研究的历史回顾
2.1.2高速切削机理研究的相关理论
（1）绝热剪切理论（2）周期断裂理论相关：高速切削变形学，高速摩擦学牟玉昌
2.2 高速切削加工切屑的形成－切削变形山西兴华职业技术学院
2.2.1高速切削的切屑特征
2.2.2高速切削的切屑形成机理
2.2.3高速切削的变形关系
2.2.4高速切削的变形区划分
2.1.5高速切削的剪切角
2.3高速切削的切削力
2.3.1高速切削切削力理论公式
2.3.2高速切削力的经验模型及有限元模拟
2.4高速切削的切削热和切削温度
2.4.1高速切削切削热和切削温度理论分析（参考论文14-1.3，继续摘录）
2.4.2高速切削热及切削温度试验及有限元分析
2.5高速切削刀具的磨损和破损
2.5.1高速切削刀具的磨损形态
2.5.2高速切削刀具的磨损机理
2.5.3高速切削刀具的寿命估计
××××××××××××××××正文××××××××××××××××
与传统的切削加工相比，高速切削在切屑形成、切削力学、切削热与切削温度、刀具磨损与破损等均有不同的特征。高速切削技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础的提供理论指导。本章主要阐述和分析这些高速切削物理现象的特征和规律。
2.1 高速切削机理研究概述辛亥革命110周年大会
2.1.1 高速切削机理研究的历史回顾
50年代末，随着生产的发展，对提高材料的加工效率有了迫切的要求，萨洛蒙理论逐步引起研究者的重视，开展了一系列的模拟实验，试图进一步研究清楚高速切削机理，以便将这一理论研究成果用于生产。高速切削理论从假设到现实的早期研究代表人物是美国的工程师沃汉(Robert Vaughan)。沃汉和他的研究小组所进行的高速切削理论研究，一方面来自美国空军支持的研究计划；另一方面，他得到了萨洛蒙的一些研究结果和数据。 他们的主要研究成果有以下三个方面：
(1)高速切削方面的结论：高强度材料可以进行高速切削，切削速度可高达73000m/min；高速钢刀具可在这一速度下切削高强度材料；高速切削可提高工件的表面质量，金属切除率可高达普通切削的240倍。
(2)在刀具磨损方面的结论：在切削速度达到36500m/nin，在切削经过热处理的材料时，刀具的磨损最小；切削速度变化对退火钢的加工影响不大；在切削速度从9114m/min增加到457700m/min时，每切除单位金属的刀具磨损率下降75%到95%；切削铝合金的速度达到36500m/min时，没有测量到刀具磨损；刀具的磨损形式和加工的材料以及材料的热处理方法有关。
(3)在切削力方面的结论：水平力和垂直力虽然比理论值大，但是仍在可控制的范围内；在大多数情况下，垂直力比水平力大，这和理论分析的结果相反：峰值切削力只增加了33%～70%，而不是预计的500%。在高速切削下，剪切角增加而导致剪切力减小。
在20世纪70年代中期，美国科学家罗伯特·金(Robert King)和麦克唐纳(Medonald.J)着手验证和发展沃汉(Vaughan)的研究结论，并提出了一个比较完整和可靠的高速切削机理，从理论上证实了高速切削的可行性和高速切削的优越性。他们研究成功的重要原因，是他们的研究不用和大炮做实验，而是使用了真正的机床。美国Brynt Grinder公司为他们提供了高速五轴铣床，机床的主轴转速为20000r/min，功率15kw。罗伯特.金和麦克唐纳的研究主要包括高速切削机理、高速切削刀具以及高
速切削的优越性等方面。高速切削机理研究主要集中在高速加工过程中金属材料剥离理论的研究上。在总结前人研究结果的基础上，这一时期人们对高速切削过程、切屑成形的模型等基础理论进行比较深入的研究，得出了许多非常有意义的理论结果。研究发现，切削温度随切削速度增加而逐渐上升，但切削力呈下降趋势。为了解释这一现象，切削机理的研究集中在切屑成形理论、金属断裂、突变滑移(Catastrophic SliP)、绝热剪切(Adiabatic shear)以及各种材料的切屑成形方面。
切屑断裂发生在加工过程中不稳定的初始阶段，导致初始剪切区金属的热软化和应变硬化(strain hardening)。剪力集中带的形成是由于这些材料的导热性能差而引起的剪切带热能量的集中。
对于不稳定概念的进一步解释是，延展材料随着塑性变形而发生应变硬化。当变形缓慢时，这个过程是等温的。开始时，塑性剪切应变限制在材料的部分弱剪切区。在这个区里，应变硬化强化了材料，而且应变区在材料上扩散，使切削力增加。这是传统速度切削时切削力的情况。然而，如果应变硬化没有发生，变形就只发生在局部，也就是说，如果切削速度足够快，使应变硬化来不及发生，变形只发生在小范围内，会使切削力小于传统速度的切削力。在快速塑变过程中，局部发热产生温度梯度，最大的温度出现在发热最大的点。如果被切削材料应变强化速率下降，会导致切削点局部温度升高，当下降速率等于或大于应变硬化材料的速率时，金属将继续保持局部变形而不扩散.这个不稳定过程导致突变条件产生，称为绝热滑移。
在加工软钢的切削速度接近390m/min时，可以看到明显的突变剪切发生。在这个速度下，明显的剪切使材料强化开始下降。在临界速度附近，滑移平面紧密结合在一起。随着速度升高，分离加快，完全突变滑移发生在变形区域之间的距离达到形状最大时。突变滑移就是以这种方式减少了材料的强化。当各变形区相隔得更宽时，强化过程进一步降低，而平均应力下降。
更具有意义的是，在进行超高速切削时达到第二强化点。由于平均切应力和应变率无关，在突变剪切区的应变率可高达457mm/(mm/s)。这说明，当突变剪切发生时，动态抗剪强度对应变率不大敏感。因而可得出结论：在材料动态成形过程中，发热产生的温度和温度梯度对材料的动态性能影响很大。某些材料所具有的动态性能，使材料对突变剪切特别敏感。当局部温度剃度抵消应变硬化的作用时，发生突变剪切。塑性应变载荷只由材料的一小部分承担。
沃汉提到，随着切削温度的提高，达到绝热条件后，使热能量限制在特定的滑移区。因为特定滑移区的软化，发生附加滑移，最终得到完全剪切。
研究结果表明，剪切区有一个原来固体材料的量，当切削速度提高后，在剪切区会产生一个很小的熔化区，从而导致固体材料量的减少。剪切区分解成平行于剪切平面的极小厚度的平面。因而可得出结论：根据剪切层能量平衡方程的解，说明绝热过程可能发生，并产生非常薄的传递层。
罗伯特.金博士的研究小组在总结了很多科学家对高速切削机理的研究结果的基础上，进一步发展了突
变滑移和绝热剪切理论，为高速切削条件下切削力下降的现象做出了理论解释：由于高速切削过程比普通切削过程快得多，发生突变滑移和绝热剪切，使切削区的应变硬化来不及发生，因而切削力在高速下反而下降。
2.1.1 PPT内容：高速切削加工理念1931年提出后，关于高速切削加工机理的研究不断受到各国的重视，到50年代后期取得重大进展。1958-1960年，美国洛克希德(Lockheed)飞机公司R.L.Vanghn研究小组、前苏联的V D.Kuznetsov等学者都对高速切削加工钢、钛合金、镍基高温合金和铝合金等材料的切屑形成机理、切削力、切削温度、刀具磨损、加工硬化、切削振动等进行了全面系统的实验研究。这一系列的研究表明：高速切削加工时，切屑形成与普通切削条件不同，随着切削速度提高，逐渐形成不连续的切屑，切屑是由于脆性断裂而形成的。随着切削速度的提高，剪切角增加，刀-屑接触长度减少，切削力降低，改善切削加工性能和表面质量。
2.1.2 高速切削机理的研究内容(2009-8-8加，摘自：艾兴等.高速切削综合技术；刘占强论文摘录)
高速切削技术的应用和发展以高速切削机理为理论基础。高速切削机理的研究主要有以下几个方面：
(l）高速切削过程和切屑形成机理
对高速切削加工中切屑形成机理、切削过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程机理的研究．有试验和计算机仿真两种方法。
位置服务
(2）高速加工基本规律的研究
包括切削力、切削热及切削温度、刀具磨损及刀具寿命得研究。
(3）各种材料的高速切削加工性研究
例如，试验研究铝合金、钛合金等材料的切削加工性。合适的切削速度、刀具材料等。
铝合金具有极好的切削加工性，可采用很高的切削速度（1000～4000m/min，有时高达5000～7500m/min）。
钛及钛合金的切削加工目前选用的刀具材料以YG(K）类硬质合金为主，精细TiN涂层硬质合金刀具、PCD 刀具高速切削加工钛及钛合金的加工效果远好于普通硬质合金；天然金刚石刀具的加工效果更好，但其应用受加工成本制约。加工钛合金，还广泛应用车铣复合加工。车铣复合加工改善了刀具散热条件，降低了切削温度并减少了刀具磨损，从而可在较高的速度下切削加工钛及钛合金。
(4）高速切削仿真技术的研究
在试验研究的基础上，利用虚拟现实技术和仿真技术，虚拟高速切削过程中刀具和工件相对运动的作用过程，对切屑形成过程进行动态仿真，显示加工过程中的热流、相变、温度及应力分布等，预测被加工工件的加工质量，研究切削速度、进给量、刀具和材料以及其他切削参数对加工的影响等。
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2.1.3高速切削机理研究的相关理论
高速切削中，高硬刀具使工件表面层产生高应变速率的切削变形，刀具与工件之间的高速切削摩擦形成热、力耦合的不均匀强应力场。因此高速切削变形理论和高速切削摩擦学是高速切削加工的两个基本科学问题。理论研究集中探讨最大材料切除率和刀具最佳寿命、最高加工表面质量以及系统在良好稳定条件下的最大能量利用率。高速切削变形理论主要包括被加工材料的动态力学性能和描述切削变形机理的切削方程两方面。高速切削理论基础体系如图2.1-1所示。
马哲睿
图2.1-1 高速切削变形理论基础仔羊计划
与传统的切削加工相比，加工中工件材料的力学性能、切屑形成、切削力学、切削温度和已加工表面形成等都有其不同的特征和规律。因此，传统的切削理论不能完全适用在高速切削加工中，必须建立适应高速切削技术的新理论和研究方法。高速切削中的工件可加工性、高速切削变形、切屑形成机理、切削力、切削温度、高速摩擦学和刀具磨损、破损等高速切削基础理论的研究是推广应用高速切削的前提与关键。
2.2 高速切削加工切屑的形成－切削变形
2.2.1高速切削的切屑特征
理论与实验证明：切削时通常形成带状切屑、锯齿状切屑、单元切屑和崩碎切屑等，如图2.2-1所示。
带状切屑挤裂切屑
节状切屑崩碎切屑
图2.2-1切屑形态照片
工件材料及其性能对切屑形态起决定性作用。但对于一定的工件材料，切削速度对切屑形态产生主要影响。一般低硬度和高热物理性能kρc（导热系数k、密度ρ、比热容c的乘积）的工件材料，在很大速度范围内易形成连续带状切屑。
在高速切削高导热性、低硬度合金或金属(如铝合金、软低碳钢等)时易于形成连续切屑；在高速切削低导热性、密排六方多晶体结构、高硬度材料(如钛合金，耐热镍合金、高硬度合金钢)时易于形成断续切屑。铝合金的车削在较大的切削范围内都形成规则的带状切屑，如图2.2-2所示；铣削得到的切屑形态为带状C形切屑，如图2.2-3。
a) v=200~700m/min b) v=800~1300m/min
图2.2-2铝合金7050-T7451车削加工的连续带状切屑
图2.2-3铝合金7050-T7451铣削加工的C形带状切屑
与普通切削切屑特征不同的是：随着切削速度的逐步提高，切削时的变形规律发生一些改变。切屑中的剪切变形逐渐加剧，剪切区的滑移逐渐加强，即使是塑性材料的切屑形态，也会逐渐从带状切屑转变为锯齿状切屑，进而有可能进一步转变为单元状切屑，切屑渐渐变得不连续。此时材料超出了塑性特性区，切屑由于脆性断裂而成形。锯齿化较严重的切屑，在惯性力作用下，易于折断而形成较短的切屑形状。形成锯齿状切屑将引起一定的切削力波动。图2.2-4是镍基高温合金在不同的切削速度下切屑的形态。图2.2-5、2.2-6及图2.2-7为车削钛合金的锯齿状切屑，随着切削速度的提高，锯齿节距缩小，锯齿化频率增加。
图2.2-4 镍基合金在不同切削速度下的切屑形态
图2.2-5 钛合金切屑根部及切屑的金相照片
图2.2-6 不同切削速度下的切屑金相照片（空气MQL ，a p =7mm ）
(a)v=106m/min (b)v=125m/min (c)v=160m/min (d)v=200m/min
豫公网安备41160202000603
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