切屑形态演化对切削力影响的实验研究

雍建华

摘要：通过分析高速正交切削实验研究结果，切屑形态由带状切屑向形变带锯齿形切屑以及由形变带锯齿形切屑向转变带锯齿形切屑转变时，切削力明显减小；形变带锯齿形切屑的形成主要是由材料脆性断裂损伤引起，对切削力变化影响不大，转变带锯齿形切屑的形成主要是由材料韧性断裂损伤引起，对切削力影响较大。

关键词：切削力；切屑形态；切屑损伤

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.12.091

1引言

本文通过对前期所做的正交切削实验结果进行分析，主要从切屑形式与切削力的对应关系展开研究。目前，国内外的学者分别采用切削仿真和加工实验两种方式对高速切削过程中的切削力进行研究，主要分析了切削参数，尤其是切削速度对切削力的影响规律，切削材料包括淬硬钢、钛合金及高温合金等。

在高速切削过程中金属材料易形成锯齿形切屑，而锯齿形切屑又分为形变带锯齿形切屑和转变带锯齿形切屑，当前，研究人员主要从锯齿形切屑的形成和演化、切屑微观组织特征等方面对其进行分析。由于两种锯齿形切屑的形成机理不同，因此对切削力的影响也不一样。但之前对于高速切削过程中的切削力和锯齿形切屑的研究大多是分开进行，而很少提及锯齿形切屑的切屑形态与切削力之间的关系。

2高速正交切削实验结果分析

2.1切屑形态与切削力分析

根据前期所做的高速正交切削实验，用光学显微镜对不同切削条件下所获得的切屑试样进行观察，得到其典型的切屑形态如图1和图2所示。从图中可以看出，随着切削速度的不断增大，切屑形态也由带状屑转变为锯齿形切屑，而且锯齿化程度会随着切削速度的增大而增大。

研究结果表明，高速切削过程中产生的锯齿形切屑又分为形变带锯齿形切屑和转变带锯齿形切屑。形变带锯齿形切屑是在速度相对较低时形成，锯齿形界限并不明显，而转变带锯齿形切屑是在速度较高时产生，锯齿之间的界限较明显，甚至有裂纹产生。观察图1和图2中的切屑形态可以发现，两图中（b）和（c）均为明显的形变带锯齿形切屑，图1中的（d）是典型的转变带锯齿形切屑。

在观察切屑金相试样的同时，对切削过程中所采集到的切削力信号进行处理，选取切削力波动相对稳定的区间，求切削力的平均值，并将不同切削速度下所对应的切屑形态在图中加以表示，绘制切削力随切削速度及切屑形态的变化规律曲线，结果如图3所示。

图3中（a）和（b）分别为0.2mm和0.15mm切削厚度下的切削力随切削速度及切屑形态变化曲线，通过观察发现，两组实验结果中的切削力变化趋势基本一致。随着切削速度的不断增大，切削力整体上呈下降趋势，但是在切屑形态由带状切屑向形变带锯齿形切屑转变以及由形变带锯齿形切屑向转变带锯齿形切屑转变时，切削力会有明显降低，我们称其为临界点，而在切屑形态不发生转变的切削速度范围内，切削力呈现出相对稳定的、变化不太明显的特点，因此切屑形态转变对切削力影响较大。这是由于带状切屑与锯齿形切屑的形成机理不同，而形变帶锯齿形切屑与转变带锯齿形切屑的形成机理也不相同所造成的。所以，需要对切屑形成的微观机理做进一步研究，从微观上阐释切屑形态与切削力的变化关系。

2.2切屑形态形成机理的微观分析

在上述切屑金相试样中，选取切削厚度为0.2mm时的具有典型形变带及转变带形态的试样用6%的硝酸酒精溶液进行深腐蚀后，使用扫描电子显微镜对高速切削过程中产生的锯齿形切屑的微观组织进行观察，同时在扫描电镜下对切屑剪切带的微细观损伤特征进行观测。分别得到绝热剪切形变带和转变带锯齿形切屑表面微观组织的损伤情况。

2.2.1绝热剪切形变带损伤机理

利用扫描电子显微镜观察经过腐蚀处理的切屑试样，并对剪切带区域进行局部放大，得到如图4所示的切屑形貌。图4（a）为发生绝热剪切现象后所得到的形变带锯齿形切屑形态，在形变带及其周围可以观察到有很多狭长的微裂纹及条纹状的组织形貌。对形变带进行放大观察可得如图4（b）所示的微观组织形貌，此时可以清晰的看到形变带及其周围的条纹状组织，而Komanduri和Brown在对剪切带内微裂纹进行研究后得出结论：形变带上所产生的条纹状组织正是由一开始的微裂纹经过扩展、断裂及摩擦后产生的。对图4（b）中的A区进一步放大后可观察到如图4（c）所示的组织形态，该组织表面总体比较平坦，而且呈结晶状，无韧窝状组织，是典型的脆性断口。

上述实验结果表明，形变带内的损伤以微裂纹为主，微裂纹经扩展、拉伸，并在剪应力作用下断裂后会产生条纹状组织，这充分说明对本试验中的AISI-1045钢来说，绝热剪切形变带形成时的表面损伤主要是动态脆性断裂损伤。

结合图3的切削速度及切屑形态对切削力影响曲线可以发现，在锯齿形切屑产生的瞬间，切削力会有明显的下降，分析认为，这是因为高速切削过程中温度升高，材料由于高温所产生的热软化作用大大增强，其热软化率大于加工硬化率，发生热塑性失稳，致使切削力下降。而此时材料内部的损伤以微裂纹为主，发生的是脆性断裂损伤，此时的损伤对切削力影响较小。

2.2.2绝热剪切转变带损伤机理

如图5所示为绝热剪切转变带形成时的切屑形貌特征。图5（a）为绝热剪切转变带形成之后的锯齿形特征，此时的转变带形态特征明显。图5（b）是转变带经放大操作后所看到的断裂面，此时转变带的损伤已经从微观损伤逐渐聚积形成宏观裂纹。在对图5（b）中的A区进行放大后得到图5（c）所示的组织形态，从图中可以观察到转变带断裂面并不像形变带表面那样平滑和组织细密，而是表面有许多凹坑，这是典型的韧窝状组织形貌。

研究表明，韧窝状组织是典型的动态损伤韧性断裂特征。高速切削过程中韧窝的形成是由微孔洞所引起的，微孔洞经过成核、长大以及聚合后，在剪应力的作用下逐渐发生断裂，最后形成沿剪切方向上的拉长的韧窝。通过分析可知，绝热剪切带的转变带形成时的损伤以动态韧性断裂损伤为主，它是由最初的微孔洞损伤造成的。结合图5可以发现，在形变带锯齿形切屑向转变带锯齿形切屑转变时，切削力降低，这说明此时的材料韧性断裂损伤对切削力影响较大。

上述实验结果验证了高速切削失稳断裂的过程，即在高应变、高应变率以及高温情况下，经压应力、剪应力以及压剪复合应力的多重作用，切屑的主剪切区会产生由于微裂纹的出现而导致的动态脆性断裂损伤，此时的切屑是形变带锯齿形切屑。随着切削速度的进一步提高，主剪切区内会产生因微孔洞的成核、长大以及聚合而导致的动态韧性断裂损伤，此时的切屑是转变带锯齿形切屑。不管是材料的动态脆性断裂损伤还是韧性断裂损伤，都是材料细观损伤的两种表现形式，但不同的损伤形式对材料性能所造成的影响却不相同。而通过实验可知，在切削钢材时，材料的动态韧性断裂损伤对切削力的影响程度要远大于其动态脆性断裂损伤对切削力的影响。这是因为动态损伤脆性断裂的发生会导致彈性能的快速释放，产生大量能量，进而对刀面造成巨大冲击，相应阻碍了切削力整体下降的趋势，而微孔洞的成核以及生长过程中，会不断从周围吸收大量能量，这样一来，动态损伤脆性断裂发生时由冲击作用所释放的能量会被动态损伤韧性断裂作用吸收，从而使切削力减小的趋势更加明显。

3结语

本文主要通过高速正交切削实验研究了高速切削过程中切削力的变化规律以及影响切削力变化的因素，得到如下结论：

（1）高速切削过程中切屑形态的转变对切削力有较大影响，切屑形态由带状切屑向形变带锯齿形切屑以及由形变带锯齿形切屑向转变带锯齿形切屑转变时，切削力明显减小。

（2）形变带锯齿形切屑的形成主要是由材料脆性断裂损伤引起，对切削力变化影响不大，转变带锯齿形切屑主要是由材料韧性断裂损伤引起，对切削力影响较大。

参考文献

[1]荣烈润.高速切削技术的发展现状[J].机电一体化，2002，（1）：69.

[2]刘战强，艾兴，宋世学.高速切削技术的发展与展望[J].制造技术与机床，2001，（7）：57.

[3]Budak E，Altintas Y，Armarego E J A.Prediction of milling force coefficients from orthogonal cutting data[J].Journal of Manufacturing Science & Engineering-Transactions of the ASME，1996，118（2）：216224.

[4]纪莲清，王明义，韩华丽等.PCBN高速切削25CrMo4过程的切削力研究[J].机床与液压，2013，41（23）：3234.

[5]Baker M.Finite element simulation of high-speed cutting forces[J].Journal of Materials Processing Technology，2006，176（13）：117126.

[6]庞俊忠，王敏杰，段春争等.高速铣削P20和45淬硬钢的切削力[J].中国机械工程，2007，18（21）：25432546.

[7]Fang N，Wu Q. A comparative study of the cutting forces in high speed machining of Ti–6Al–4V and Inconel 718 with a round edge tool[J].Journal of Materials Processing Technology，2009，209（1）：43854389.

[8]李国和，王敏杰，段春争.正交切削淬硬45钢绝热剪切临界条件实验研究[J].大连理工大学学报，2011，51（4）：518524.

[9]Gu L Y，Wang M J，Duan C Z. On adiabatic shear localized fracture during serrated chip evolution in high speed machining of hardened AISI 1045 steel[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2013，（75）：288298.

[10]段春争，王敏杰，李国和等.高速切削锯齿形切屑内绝热剪切带微观特征研究[J].爆炸与冲击，2007，27（1）：9196.

[11]Wan Z P，Zhu Y E，Liu H W，et al. Microstructure evolution of adiabatic shear bands and mechanisms of saw-tooth chip formation in machining Ti6Al4V[J].Materials Science and Engineering：A，2012，（531）：155163.

[12]潘励，陈康敏，周飞.韧性断裂的微孔损伤理论分析[J].江苏大学学报（自然科学版），2003，24（1）：8386.