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切屑卷曲模型及其控制参数的研究
原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:1
本文章共1992字，分2页，当前第1页，快速翻页：
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1 概述
切削变形的实质是工件材料在刀具挤压作用下的剪切变形。在经典的金属切削理论中，通常将离开剪切面的材料看作刚体，或视为理想刚塑性材料；或线性强化刚塑性材料，总之，完全忽略了金属切削过程中材料的弹性变形。Lee-Shaffer切削模型是金属切削理论中比较成功的经典模型，但也存在较明显的不足之处：如Lee和Shaffer将被切削材料视为理想刚塑性材料，因而无法解释刀—屑接触面既存在塑性变形区，也存在弹性变形区的实验事实；将切削变形区看作均匀变形区，因而无法解释切屑卷曲现象。
笔者通过对切削过程的深人研究，认为在一般条件下切削钢材和铝合金等材料时，应将其视为线性强化弹塑性材料。其理由如下：、
1）材料的本构关系是切削变形机理中非常重要的因素，它牵涉到切削过程中温度、应变、应变率等重要现象。
2）Lee和Shaffer等人将被切削金属材料视为理想刚塑性材料的主要理由是认为切削过程是一个大塑性变形的过程，在此过程中，材料既发生显著的加工硬化，又因发热引起材料热软化而使强度下降，加工硬化与温度效应相互抵消。笔者认为，金属切削过程是一个非常复杂的过程：切削变形区是非均匀变形区，既包括切削温度的非均匀分布，也包括切削变形引起加工硬化的非均匀性；在绝大多数切削条件下，切削变形区内加工硬化与温度效应难以相互抵消。同时，将被切削金属材料视为理想刚塑性材料也与实验结果不完全相符。
3）金属切削变形过程既有塑性变形，也有弹性变形。在某些区域内弹性变形不可忽略。例如，在前刀面上存在刀—屑弹性接触区，一般情况下其长度(约为总接触长度的55%～65%)大于前刀面塑性接触区的长度。所以线性强化刚塑性材料所表征的应力—应变关系并不能概括切削变形的全过程。
根据塑性理论，笔者认为：在切削过程中，应将金属材料的应力—应变关系假定为线性强化弹塑性材料的应力—应变关系，然后根据切削过程中的各种条件，进一步词论温度、应变、应变率等对被加工材料应力—应变关系的影响。在此基础上，笔者提出以下基于线性强化弹塑性本构关系的新的切削模型。
2 基于线性强似单塑性本构关系的切削模型
1）新切削模型与Lee-Shaffer模型的根本区别
基于线性强化弹塑性本构关系的切削模型如图1所示。
图1 基干线性强化弹塑性本构关系的切削模型
Lee-Shaffer模型是建立在刚塑性材料的基础之上，即在切削变形过程中，材料不存在加工硬化，ABD为均匀塑性变形区，BD为应力为零的自由表面，没有贯穿其上的应力作用。而在本文建立的切削模型中，将材料视为线形强化材料，切削变形过程中存在加工硬化，图1中ABD为完全塑性变形区，该区又是非均匀变形区。AB为剪切面，BD为完全塑性变形区在切屑内的边界。BD不是零应力面，在B和D上都有一定大小的应力作用；因为切屑为线性强化弹塑性材料，因此存在弹性恢复，在完全塑性变形区月ABD后，存在应力释放区BDC(又称残余应变区)。这是本切削模型与Lee-Shaffer模型的根本区别。
2）新切削模型中材料单元的变形过程
在图1所示线性强化弹塑性材料切削模型中，一个材料单元从A点沿前刀面到达D点的过程中，切屑底层金属由于前刀面剧烈的摩擦作用，应变不断增大。对于线性强化弹塑性材料，随着变形增大，材料要产生一定的加工硬化。图2中点表示材料在D点处的应力—应变关系。
图2 应变强化材料的应力—应变关系
由于C点为切屑前刀面分离点，因此C点的应力值为零。这就要求D点的应力值(无论是正应力值还是剪应力值)在从D点到C点的过程中应逐渐减小直至为零。图2 中线段DC表示了这一过程。由图2可知，C点的应力为零，但其应变并不为零。在C点离开前刀面时，切屑在C点的塑性应变为εOC，由于BD不是零应力面；因此BD面上的应力要沿切屑流出速度方向释放，直至零应力面BC。
由图2可知，残余应变值的大小与应力值的大小相对应，应力值越大，其残余应变值也越大。因此，从B点到D点，所要求的应力释放距离也越来越大。BDC应为一楔形，我们将该楔形定义为应力释放区。
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