DEFORM难加工材料加工刀具的几何角度和切削用量模拟(3)

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1.3论文内容简介

1）课题的提出

难加工材料在航空和船舶上的应用日益广泛，但是难加工材料普遍有着硬度高、热导系数小、切削性能低等特点，因此合理的选用刀具材料和几何参数、切削用量对提高难加工材料加工效率有着重要意义。

2）论文主要内容

本课题旨在研究船用难加工材料切削刀具性能比较和参数优化,研究在对于钛合金，高强度钢，高温合金等难加工金属的特性，结合硬质合金WC涂层，AL2O3等材料的刀具及其相应的几何参数，以 Deform-3D软件为平台，在虚拟仿真的环境下，对船用难加工材料切削过程的仿真。通过比较切削后刀具等效应力最大值、切削温度来选择刀具材料及几何角度，通过比较切削温度和主切削力来观察切削用量对切削性能的影响。本课题的研究必将推动船用难加工材料零件的制造水平，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

第二章难加工材料及刀具的性能

2.1金属切削机理[1]

1、金属切削过程的变形

金属切削过程变形的过程就是切削塑性金属是切屑形成的过程，金属在加工过程中会发生剪切和滑移，金属切削过程的滑移线和流动轨迹如图2.1所示，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向线是金属的剪切滑移线。图2.2则表示了金属的滑移过程。由图可知，金属的切削变形通常可以划分三个变形区，各区特点如下：

①第一变形区切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成，这一过程区域称为第一变形区。

切削层金属在刀具的挤压下首先将产生弹性变形，当最大剪切应力超过材料的屈服极限时，发生塑性变形，如图2-4所示，金属会沿OA线剪切滑移，OA被称为始滑移线。随着刀具的移动，这种塑性变形将逐步增大，当进入OM线时，这种滑移变形停止，OM被称为终滑移线。现以金属切削层中某一点的变化过程来说明。由图2-5所示，在金属切削过程中，切削层中金属一点P不断向刀具切削刃移动，当此点进入OA线时，发生剪切滑移，P点向2、3等点流动的过程中继续滑移，当进入OM线上4点时这种滑移停止，2’-2， 3’-3， 4’-4为各点相对前一点的滑移量。此区域的变形过程可以通过图2-5形象表示，切削层在此区域如同一片片相叠的层片，在切削过程中层片之间发生了相对滑移。OA与OM之间的区域就是第一变形区Ⅰ。

第一变形区是金属切削变形过程中最大的变形区，在这个区域内，金属将产生大量的切削热，并消耗大部分功率。此区域较窄，宽度仅0.02～0.2㎜。

图2.1 金属切削过程中滑移线与流线图2.2 第一变形区金属滑移

②第二变形区产生塑性变形的金属切削层材料经过第一变形区后沿刀具前刀面流出，在靠近前刀面处形成第二变形区。如图2.1所示Ⅱ变形区。

在这个变形区域，由于切削层材料受到刀具前刀面的挤压和摩擦，变形进一步加剧，材料在此处纤维化，流动速度减慢，甚至停滞在前刀面上。而且，切屑与前刀面的压力很大，高达2～3GPa，由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。发生粘结现象后，切屑与前刀面之间的摩擦就不是一般的外摩擦，而变成粘结层与其上层金属的内摩擦。这种内摩擦与外摩擦不同，它与材料的流动应力特性和粘结面积有关，粘结面积越大，内摩擦力也越大。显示了发生粘结现象时的摩擦状况。由图可知，根据摩擦状况，切屑接触面分为两个部分：粘结部分为内摩擦，这部分的单位切向应力等于材料的屈服强度τs；粘结部分以外为外摩擦部分，也就是滑动摩擦部分，此部分的单位切向应力由τs减小到零。图中也显示了整个接触区域内正应力σγ的分布情况，刀尖处，正应力最大，逐步减小到零。