考虑刀—工粗糙面影响的二维微切削研究

• 作 者: 张航
• 出 处: 福州大学
• 发表日期: 2018年01期
• 关键词: 微切削 粗糙界面 热力耦合 能量耗散

微切削加工是一个改变材料表面与近表面特性的过程,其关注的焦点并不在于整体材料特性,而在于微观摩擦接触特性与近表面材料响应特性。由于微切削尺度较小,该状态下的切削刃刀尖圆角半径、刀-工-屑实际表面特性对微切削过程都有很大的影响,已加工表面质量和刀具的使用寿命与此也密切相关。本文在考虑刀-工粗糙界面、刀-屑粗糙接触面以及微凸体间相互作用、刀尖圆角半径、材料弹塑性变形理论、热力耦合问题等基础上,建立了基于粗糙界面的微切削航空铝合金的二维模型,从微观热动力学角度和能量角度,分析了粗糙接触界面对切削过程中的刀尖应力集中点、切屑断裂位置、切屑形态以及能量耗散等问题的影响。结果表明:在分别考虑粗糙和理想光滑两种不同接触界面下的微切削中,刀尖圆弧部分都存在应力集中点,但粗糙界面下的接触微凸体应力更高,存在更大的应力集中,这极易造成刀尖部位发生疲劳破坏及其磨损。对比两种不同接触界面下的切屑形态,发现粗糙界面下得到的结果与文献实验结果更相符。切屑层粗糙表面的谷底位置在切削中会形成应力集中,切屑发生断裂的位置主要为这些应力集中点。微切削过程中粗糙界面下的等效塑性应变、切削力、切屑底层温度、能量耗散等都与理想界面存在较为明显的差异。可见,微切削中,由于尺度和加工精度的原因,应考虑刀具和工件的粗糙表面特性。粗糙接触界面影响下,随着切削速度的增大,切屑形态会由碎屑向连续切屑过渡,前刀面的温度、切屑底层温度和能量耗散的增长速率也会随之增大;不同刀具前角对切屑的挤压状态不同,使得产生的切屑会由挤压状的碎屑向连续且具有弯曲半径的切屑过渡,刀具最高温度和表面节点位移会随着前角的增大而出现波动。已加工表面的残余应力由于刀尖圆弧的挤压,在不同切削参数下,主要呈现压应力的形式。研究结果对提高刀具寿命,优化刀具设计,探讨微观下刀-屑实际粗糙界面间的摩擦接触特性,为揭示微观切削热动力学机制和微切削本质奠定了一定的理论基础。