硬态切削机理研究的现状与发展（二）

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　　3.硬态切削的切屑形态

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　　金属切削过程研究的重点和核心是切屑的形成过程。硬态切削过程一般产生锯齿形切屑。K.F.Koch博士和P.Fallbochmer博士认为，硬态切削的切屑形态受切屑厚度的影响最大，当切屑厚度小于20μm时易产生带状切屑，否则生成锯齿形切屑。形成锯齿形切屑的原因主要是刀具前刀面附近的工件材料受到挤压而堆积在前刀面上，刀具继续向前切削致使切屑材料发生突然断裂。

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　　关于锯齿形切屑形成机理有很多著名的论断。1964年Recht提出了切削加工时突变剪切失稳的经典模型，当名义应力一真实应变曲线斜率为零时，即温度变化的局部速率对强度的负面影响等于或大于强度所产生的应变硬化的正面影响时，材料内部的塑性变形区便产生突变剪断。美国俄克拉荷马州立大学的Hou Zhen-Bin和Ranga KoⅡ1and提出了锯齿形切屑形成过程中的热力学模型，他们的实验表明，切削速度和进给量在剪切发生失稳中起着重要作用。Samiatin和Rab发现当正常的流动软化率对应变速率敏感值之比等于或大于5时，金属切削过程的非均匀流动立刻发生。热塑过程的不稳定性(应变硬化与热软化)导致剪断区产生，即使没有热软化效应，其它机理也可使剪切带抗剪强度明显减小。例如当剪切带产生微裂纹时，使承受应力的实际面积减小，Walker和Shaw认为这是机加工中切屑断裂的一种可能机理。最近shaw和Vyas对较低切速下加工AISI 4340钢和低速加工钛合金产生节状切屑的研究更清楚地证实了上述概念。由于此时的切削速度很低，剪切面产生的热可向任意侧面扩散，热软化相当困难，因此可解释为由于微裂纹的存在使实际剪断强度降低。剪断失稳的其它机理包括材料组织转变，如在某些钢中马氏体向奥氏体的逆转变。中山一雄对淬硬钢硬态车削时锯齿形切屑形成机理的观点是：切屑形成起源于自由表面上剪应变值最大处.邻近自由表面的变形假设为纯剪切作用的结果，剪切断裂与自由表面夹角为45°。sih用解析法获得“应变能密度”因子S，并在平面应变条件下模拟了锯齿形切屑的生成机理，提出硬态切削淬硬钢时锯齿形切屑形成的新模型，给出了负载角φ与断裂角θ0之间的关系式。

　　大连理工大学王敏杰、胡荣生教授的研究表明，锯齿形切屑主要是因为高速切削产生的热塑剪切失稳所致。热塑剪切失稳是广泛存在于许多动态塑性变形过程中的一种材料破坏现象，其先决条件是变形材料的局部温升引起的热软化效应足以抵消材料的变形强化效应。金属切削过程中的热塑剪切失稳是指发生在第一变形区的强烈局部剪切集中，其结果导致不对称的锯齿形切屑，它与普通金属材料在低速下形成的挤裂切屑不同，特征是切屑的各锯齿之间以变形很大的热塑剪切带相隔。采用金属陶瓷刀片SNMG120412N—UG(牌号ZKOI)切削GCrl5轴承钢的试验结果表明：当切削深度为0.5～4mm、进给量0.07～0.43mm／r、切削速度≥130～160m/min时，开始产生热塑剪切失稳。

　　4.硬态切削的已加工表面完整性

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　　切削加工过程中切削热的产生和传导、高速摩擦和磨损等因素都会对已加工表面造成一定程度的破坏。用硬态切削取代磨削加工的关键是如何获得理想的加工表面粗糙度、形状精度和加工表面状态，而提高硬态切削的加工精度和硬态切削工件的性能是一个需要长期深人研究的课题。硬态切削已加工表面的完整性主要包括以下内容：表层组织形态及其硬度、表面粗糙度、尺寸精度、残余应力的分布和白层的产生。

　　美国普渡大学C.R.Liu教授早在1976年便发表了切屑形成过程对已加工表面亚表层力学状态的论文，主要分析了尖刃刀具和磨损刀具对残余应力的影响。最近C.R.Liu还通过实验论证了超精密硬态切削淬硬轴承钢的可行性和切削条件.并在超精密硬态切削加工表面的残余应力模型、模拟和优化研究方面做了大量工作。德国P Leskovar的研究工作表明：已加工表面微观硬度受进给量和后刀面磨损量的影响较大，进给量越小，磨损量越大，表面硬度越高。刘献礼教授的正交硬态切削试验结果表明：切削速度、进给量和切削深度对表面硬度的影响都具有单一变化规律。即已加工表面硬度随切削速度的提高而增加。随进给量和切深的增大而降低.而且已加工表面硬度越高，硬化层深度越大。通过对试件的基体组织和表层组织的扫描电镜照片进行对比分析，认为硬态切削过程中已加工表面硬度虽有所提高，产生一定的硬化深度，但对表面表层的金相组织并无破坏。

　　伯明翰大学D.K.Aspinwsll教授在高刚性数控车床上采用陶瓷和PCBN刀具切削淬硬AISI E521O0轴承钢时发现：工件表层和亚表层的组织状态发生变化，其微观组织由白色的未回火层和黑色的过回火层组成。实验结果显示硬态切削后工件表面均为残余压应力，而磨削后工件的最大压应力主要集中在工件表面。

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