超高速銑削材料的應力波去除機理研究

《超高速銑削材料的應力波去除機理研究》是依託西安交通大學，由張俊擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超高速銑削材料的應力波去除機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張俊
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

近年來切削加工速度不斷提高，某些材料最高達到了10000m/min，工件材料受到刀具的強烈衝擊，材料應變率超過10^6/s，出現諸多特異現象（如切屑形態從常規的帶狀向超高速的崩碎狀突變），傳統剪下滑移理論已無法解釋，迫切需要探索超高速切削的材料去除機理，應力波理論是分析材料受衝擊載荷作用在高應變率（10^4/s以上）下動態回響問題的有效方法。本項目以銑削工藝為對象，提出一種基於應力波理論的超高速銑削材料去除機理研究方法。主要研究刀具衝擊載入下應力波的形成及表征方法，分析連續超高速銑削時工件材料內應力波的傳播、反射和疊加等作用規律，探索工件材料在複合應力波作用下的動態斷裂機制，研究應力波對最終切屑形貌和已加工表面的影響規律，從而解釋超高速銑削材料過程中的力、熱不尋常現象。提出從材料去除機理角度完善超高速銑削定義新思路，為超高速銑削的刀具設計和切削工藝最佳化奠定基礎，具有重要理論意義。

結題摘要

在高速/超高速切削過程中出現的特異現象（崩碎狀切屑、刀具加劇磨損、切削力波動等），利用傳統的剪下滑移理論已無法解釋，理論上的不完善極大地限制了超高速加工的套用與發展。本項目提出基於應力波理論來研究超高速銑削材料的去除機理，為超高速銑削的刀具設計和加工工藝最佳化奠定基礎。提出了刀具衝擊工件材料時應力波的實驗觀測和離散元表征方法。基於動態光彈性原理設計了高速切削應力波實驗觀測平台，首次觀測到了應力波在二維平面工件中的傳播過程；利用離散元數值方法對材料的力學性能進行了表征建模，分析了切削速度和刀具前角對應力波的產生和傳播的影響，發現切削速度主要影回響力波能量大小，而不同的刀具前角直接影響了應力波波形分布。基於材料離散元模型及應力波觀測試驗台，分析了應力波在自由表面和非均質界面處的反射、透射與疊加及其對材料受力狀態的影響。發現切削區材料在界面的影響下受由拉、壓、剪多種應力複合作用，且應力三軸度在特定區域會出現急劇轉變，引起斷裂應變突然下降；結合工件材料中的應力波能量分布規律，揭示了脆性材料產生崩碎狀切屑與應力波作用下斷裂機制轉變之間的關係。 總結了韌性材料在高速切削下由於微觀組織演變導致的韌脆轉變機理。通過EBSD和TEM分析了高速切削下高導無氧銅和鈦合金的動態再結晶引起的晶粒變形和細化過程，解釋了切屑根部斷口微觀形貌由韌轉脆的現象；結合溫度和動應力的影響，發現切屑部分的微觀組織演變和應力波作用下的受力狀態變化導致了材料由II型斷裂向I型斷裂動態轉變，並最終引起切削力隨切削速度的上升而下降。研究了切屑形態和表面質量隨切削速度的變化規律。通過分析不同切削速度下鈦合金切屑形態和表面形貌，發現了切屑鋸齒頻率與表面微波頻率相符，揭示了切削參數與切屑形態及表面質量之間的內在聯繫。通過對已加工表面完整性進行表征，發現通過改變切削工藝參數可以獲得不同的表麵塑性變形和微觀組織，進而可以達到改善表面完整性的目的。