CN111651867B - 一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法 - Google Patents

一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法，其特征在于，步骤一、根据切屑剪切应力定义刀具‑切屑接触界面的作用区域，步骤二、通过von Mises准则计算切屑中屈服剪切应力的上边界，步骤三、根据赫兹接触理论建立刀具‑切屑接触简化模型，步骤四、根据接触力学理论，在法向载荷作用下，计算无摩擦作用的切屑应力分布。应用赫兹接触理论建立基于平面应变状态的切屑受力模型，为切屑形成过程中极限剪切应力的定义提供了科学依据，可根据切屑最大剪切应力的分布，定义刀具‑切屑接触表面剪切应力为材料的极限剪切应力，准确地预测了切削加工仿真中切屑的形成。

Description

一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法
技术领域
本发明属于切削加工仿真技术领域，具体涉及一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法。
背景技术
切削仿真技术对于研究切削机理、优化切削加工工艺、改进刀具结构设计有着不可替代的作用，是推导先进加工理论和技术发展的一种重要手段。
合理确定的极限剪切应力对切削模型相当重要，不同摩擦状态下极限剪切应力对于切屑形态及仿真质量都有很大的影响，当摩擦系数相对较小时，最大剪切应力位于接触表面之下，如果以这个最大剪切应力定义极限剪切应力，那么在表面材料达到这个极限值之前，位于接触表面以下的材料就已经发生失效，因此，这个极限剪切应力的准确定义是十分重要的，而现有技术中，切屑形成一直是切削加工仿真的最困难的部分，原因在于：切屑和刀具接触部分极限剪切应力难以科学定义，而现有技术中对切屑形成过程中极限剪切应力缺少合适的准则和确定方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法，以解决现有技术中存在的切屑形成过程中极限剪切应力缺少合适的准则和确定方法的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法，包括以下步骤：
步骤一、根据切屑剪切应力定义刀具-切屑接触界面的作用区域；
在切削加工区域中，近刀尖位置为粘着区，其剪切应力τ f等于材料的屈服剪切应力τ crit，而在远离刀尖的滑动区，摩擦应力低于屈服剪切应力，根据方程（1）确定刀具和切屑间的不同接触区域；
Figure 163784DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中，
Figure 143242DEST_PATH_IMAGE002
是摩擦系数，
Figure 955602DEST_PATH_IMAGE003
是正压力，
Figure 881970DEST_PATH_IMAGE004
是流动应力，m是剪切系数；
步骤二、通过von Mises准则计算切屑中屈服剪切应力的上边界；
通过von Mises准则计算屈服剪切应力的上边界
Figure 289817DEST_PATH_IMAGE005
(2)
其中，
Figure 643438DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 441630DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 171689DEST_PATH_IMAGE008
是材料主应力，
Figure 870261DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 394783DEST_PATH_IMAGE010
分别为材料在拉压、剪切模式下的屈服应力；
步骤三、根据赫兹接触理论建立刀具-切屑接触简化模型；
步骤四、根据接触力学理论，在法向载荷作用下，计算无摩擦作用的切屑应力分布；
根据接触力学理论，在法向载荷P c作用下，无摩擦作用时切屑中应力分布可根据公式(3)计算
Figure 680271DEST_PATH_IMAGE011
(3)
其中，
Figure 682862DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 737406DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 698408DEST_PATH_IMAGE014
分别是x、y、z方向的流动应力，
Figure 471192DEST_PATH_IMAGE015
是剪切应应力，x、y、z为几何坐标，
Figure 277474DEST_PATH_IMAGE016
为接触表面状态相关的物理系数，
Figure 953569DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 819893DEST_PATH_IMAGE018
为中间变量，
Figure 79974DEST_PATH_IMAGE019
是泊松比，下标p是由正压力引起的应力分量；
在平面应变状态下，切屑接触区的主应力可根据公式(4)表示为
Figure 689946DEST_PATH_IMAGE020
(4)
步骤五、根据赫兹接触理论，在切向载荷作用下，计算在摩擦条件下的切屑应力分布；
在摩擦条件下，切向力Qc作用的切屑中的应力场分布可根据公式(5)表示为
Figure 719082DEST_PATH_IMAGE021
(5)
其中，q 0为切向摩擦力，q 0 = μp 0，下标p和q分别表示由正压力和切向摩擦力引起的应力分量；
根据赫兹理论假设，切向摩擦力对正应力不产生影响，则在有摩擦存在情况下，在XZ平面内的应力场分布可表示为
Figure 21888DEST_PATH_IMAGE022
(6)
步骤六、对于最大应力不位于刀具-切屑接触表面处的摩擦状态，需要定义极限剪切应力；
优选的，步骤二中剪切应力的具体实现方法为：
步骤2.1：通过常温下霍普金森压杆试验，结合回归分析方法确定本构模型中的屈服应力、应***化指数、应***化系数；
步骤2.2：通过常温下不同高应变率下霍普金森扭杆试验下，结合回归分析方法确定本构模型中的应变率敏感性系数；
步骤2.3：通过不同温度下不同应变率下，通过加权的最小化拟合得到本构模型中的热软化系数。
优选的，步骤2.3的具体实现方法为：
步骤2.3.1：在步骤2.2不同高应变率的基础上，依据材料熔点N等分温度，采用交叉置换方式，确定不同应变率下的试验温度，然后进行霍普金森扭杆试验；
步骤2.3.2：对高应变率试验数据进行滤波，对每个试验工况的数据点Ni进行统计，然后对每组工况曲线除以Ni 2最小化，对多个局部最小值进行比较，以确定本构模型中的热软化系数。
优选的，步骤三的具体实现方法为：
步骤3.1：建立切屑与刀具的相对运动模型，工件固定，刀具以切削速度V c从右向左进行切削运动；
步骤3.2：根据赫兹接触理论，建立切屑与刀具的接触力学模型。
优选的，步骤3.1的具体体现方法为：
步骤3.1.1：选取刀具-切屑接触界面的一微元进行研究，其切屑流动速度为V chip，单位长度的法向力为P c；
步骤3.1.2：对刀具-切屑接触模型进行简化，接触模型包含一个平面滑块，该平面滑块沿着一个曲面轮廓以恒定的切屑流动速度V chip从左到右运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法，考虑与刀具和切削接触摩擦状态相匹配的极限剪切应力确定方法具有一般通用性，适用于但不限于切削加工领域，还可应用于材料成形领域。
本发明提供了用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法，对切屑沿着刀具和切屑接触界面进行微分，应用赫兹接触理论建立基于平面应变状态的切屑受力模型，为切屑形成过程中极限剪切应力的定义提供了科学依据，可根据切屑最大剪切应力的分布，定义刀具-切屑接触表面剪切应力为材料的极限剪切应力，准确地预测了切削加工仿真中切屑的形成，提供了仿真模拟的精度，解决了切屑形成过程中极限剪切应力缺少合适的准则和确定方法的问题。
附图说明
图1为本发明的切削加工区域划分示意图；
图2为本发明的切屑和刀具接触界面处的滑动和粘着区域划分示意图；
图3为本发明的刀具-切屑平面接触示意图；
图4为本发明的刀具-切屑的两圆柱体接触示意图；
图5为本发明的总流程示意图；
图6为本发明的摩擦系数分别为0、0.15、0.3、0.45、0.56、0.7时切屑接触区剪切应力分布示意图；
图7为本发明的正交自由车削模型预测的切屑形貌示意图；
图8为本发明的试验切屑形貌示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法，参阅图1、图2、图3、图4和图5，包括以下步骤：
步骤一、根据碳化硅铝基复合材料切屑剪切应力定义刀具-切屑接触界面的作用区域。
在切削加工区域中，近刀尖位置为粘着区，其剪切应力τ f等于碳化硅铝基复合材料的屈服剪切应力τ crit，而在远离刀尖的滑动区，摩擦应力低于屈服剪切应力，根据方程（1）确定刀具和切屑间的不同接触区域
Figure 503685DEST_PATH_IMAGE001
(1)
步骤二、通过von Mises准则计算碳化硅铝基复合材料切屑中屈服剪切应力的上边界。
通过von Mises准则计算屈服剪切应力的上边界
Figure 917348DEST_PATH_IMAGE005
(2)
其中，
Figure 96264DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 569970DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 539063DEST_PATH_IMAGE008
是材料主应力，
Figure 490839DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 494567DEST_PATH_IMAGE010
分别为材料在拉压、剪切模式下的屈服应力，由于
Figure 139175DEST_PATH_IMAGE009
与温度、应变率线相关，因此切屑剪切应力
Figure 595564DEST_PATH_IMAGE010
也是随温度、应变率变化的。
切削加工中，碳化硅铝基复合材料其应变率和温度变化很大，其不同位置处的剪切应力通过碳化硅铝基复合材料不同温度和应变率下单轴力学试验获得。
步骤二中剪切应力的具体实现方法为：
步骤2.1：通过常温下霍普金森压杆试验，结合回归分析方法确定碳化硅铝基复合材料本构模型中的屈服应力、应***化指数、应***化系数。
步骤2.2：通过常温下不同高应变率下霍普金森扭杆试验下，结合回归分析方法确定碳化硅铝基复合材料本构模型中的应变率敏感性系数。
步骤2.3：通过不同温度下不同应变率下，通过加权的最小化拟合得到碳化硅铝基复合材料本构模型中的热软化系数。
步骤2.3的具体实现方法为：
步骤2.3.1：在步骤2.2不同高应变率的基础上，依据碳化硅铝基复合材料熔点N等分温度，采用交叉置换方式，确定不同应变率下的试验温度，然后进行碳化硅铝基复合材料霍普金森扭杆试验。
步骤2.3.2：对高应变率（10 ~ 104 s-1）试验数据进行滤波，对每个试验工况的数据点Ni进行统计，然后对每组工况曲线除以Ni 2最小化，对可能的多个局部最小值进行比较，以确定本构模型中的热软化系数。
步骤三、对切屑沿着刀具和切屑接触界面进行微分，根据赫兹接触理论建立刀具-切屑接触简化模型。
步骤3的具体实现方法为：
步骤3.1：建立切屑与刀具的相对运动模型，工件固定，刀具以切削速度200 m/s从右相左进行切削运动。
步骤3.1的具体实现方法为：
步骤3.1.1：分析刀具和切屑接触力学条件，即选取刀具-切屑接触界面的一微元进行研究，其切屑流动速度依据位置不同从0 ~ 172.7 m/s，单位长度的法向力为27.3 N/mm。
步骤3.1.2：对刀具-切屑接触模型进行简化，接触模型包含一个平面滑块，该平面滑块沿着一个曲面轮廓以恒定的切屑流动速度V chip从左到右运动。
步骤3.2：根据赫兹接触理论，建立切屑与刀具的接触力学模型。
对于无摩擦弹性接触，当接触尺寸与接触体尺寸相比较小时，该接触问题可通过赫兹理论进行求解。
根据赫兹接触理论，平面应变问题相当于两个圆柱体之间的接触，接触压力沿着接触面在[-1.72，1.72]之间呈半椭圆形分布，接触中心的最大压力为673MPa。
步骤四、根据接触力学理论，在法向载荷作用下，计算无摩擦作用的切屑应力分布。
根据接触力学理论，在法向载荷P c作用下，无摩擦作用时切屑中应力分布可根据公式(3)计算
Figure 586916DEST_PATH_IMAGE011
(3)
其中，α=0.7，
Figure 179571DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 260660DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 204345DEST_PATH_IMAGE014
分别是x、y、z方向的流动应力，
Figure 763502DEST_PATH_IMAGE015
是剪切应应力，x、y、z为几何坐标，
Figure 210664DEST_PATH_IMAGE016
为接触表面状态相关的物理系数，
Figure 931496DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 362477DEST_PATH_IMAGE018
为中间变量，
Figure 958281DEST_PATH_IMAGE019
是泊松比，下标p是由正压力引起的应力分量；
在平面应变状态下，切屑接触区的主应力可根据公式(4)表示为
Figure 791108DEST_PATH_IMAGE020
(4)
步骤五、根据接触力学理论，在切向载荷作用下，计算在摩擦条件下的切屑应力分布。
在摩擦条件下，在单位切向力作用的切屑中的应力场分布可根据公式(5)表示为
Figure 682840DEST_PATH_IMAGE021
(5)
其中，q 0为切向摩擦力，q 0 = μp 0，下标p和q分别表示由正压力和切向摩擦力引起的应力分量。
根据赫兹理论假设，切向摩擦力对正应力不产生影响，则在有摩擦存在情况下，在XZ平面内的应力场分布可表示为
Figure 866697DEST_PATH_IMAGE022
(6)
步骤六、根据步骤四、五计算不同摩擦系数下切屑-刀具接触区剪切应力分布，对于最大剪切应力不位于刀具-切屑接触表面处的摩擦系数，需要定义刀具-切屑接触表面剪切应力为其极限剪切应力，定义后进行切削仿真分析。
参阅图6，当摩擦系数分别为0、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6时切屑接触区剪切应力分布，在无摩擦条件下，最大剪切应力位于接触表面以下，其位置大约在接触表面下方0.3877α p 0，当摩擦系数为0.2时，其最大剪切应力增大、位置上移，随着摩擦系数进一步增大直至0.56时，其最大剪切应力位置逐渐向刀具-切屑接触表面移动，其表面最大接触应力为0.577αp 0，此时接触表面剪切应力最大，且等于
Figure DEST_PATH_IMAGE023
的材料屈服应力，当摩擦系数为0.6时，最大剪切应力位置不再发生变化，综述所述，当切屑-刀具间摩擦系数小于0.5时，有必要定义刀具-切屑接触表面剪切应力为其极限剪切应力。
参阅图7和图8，验证了该方法的准确性和可靠性，能成功并准确预测切屑形成及切屑形貌。
实施时，切屑沿着刀具和切屑接触界面进行微分，应用赫兹接触理论建立基于平面应变状态的切屑受力模型，为切屑形成过程中极限剪切应力的定义提供了科学依据，可根据切屑最大剪切应力的分布，定义刀具-切屑接触表面剪切应力为材料的极限剪切应力，准确地预测了切削加工仿真中切屑的形成，提供了仿真模拟的精度。

Claims (5)

1.一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据切屑剪切应力定义刀具-切屑接触界面的作用区域；
在切削加工区域中，近刀尖位置为粘着区，其剪切应力τ f等于材料的屈服剪切应力τ crit，而在远离刀尖的滑动区，摩擦应力低于屈服剪切应力，根据方程（1）确定刀具和切屑间的不同接触区域
Figure 103784DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中，
Figure 4744DEST_PATH_IMAGE002
是摩擦系数，
Figure 193542DEST_PATH_IMAGE003
是正压力，
Figure 521756DEST_PATH_IMAGE004
是流动应力，m是剪切系数；
步骤二、通过von Mises准则计算切屑中屈服剪切应力的上边界；
通过von Mises准则计算屈服剪切应力的上边界
Figure 927329DEST_PATH_IMAGE005
(2)
其中，
Figure 366401DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 908240DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 407355DEST_PATH_IMAGE008
是材料主应力，
Figure 34645DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 480670DEST_PATH_IMAGE010
分别为材料在拉压、剪切模式下的屈服应力；
步骤三、根据赫兹接触理论建立刀具-切屑接触简化模型；
步骤四、根据接触力学理论，在法向载荷作用下，计算无摩擦作用的切屑应力分布；
根据接触力学理论，在法向载荷P c作用下，无摩擦作用时切屑中应力分布可根据公式(3)计算
Figure 877016DEST_PATH_IMAGE011
(3)
其中，
Figure 45567DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 160154DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 472187DEST_PATH_IMAGE014
分别是x、y、z方向的流动应力，
Figure 723039DEST_PATH_IMAGE015
是剪切应应力，x、y、z为几何坐标，
Figure 563956DEST_PATH_IMAGE016
为接触表面状态相关的物理系数，
Figure 369101DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 953666DEST_PATH_IMAGE018
为中间变量，
Figure 324605DEST_PATH_IMAGE019
是泊松比，下标p是由正压力引起的应力分量；
在平面应变状态下，切屑接触区的主应力可根据公式(4)表示为
Figure 602003DEST_PATH_IMAGE020
(4)
步骤五、根据赫兹接触理论，在切向载荷作用下，计算在摩擦条件下的切屑应力分布；
在摩擦条件下，切向力Qc作用的切屑中的应力场分布可根据公式(5)表示为
Figure 192646DEST_PATH_IMAGE021
(5)
其中，q 0为切向摩擦力，q 0 = μp 0，下标p和q分别表示由正压力和切向摩擦力引起的应力分量；
根据赫兹理论假设，切向摩擦力对正应力不产生影响，则在有摩擦存在情况下，在XZ平面内的应力场分布可表示为
Figure 315323DEST_PATH_IMAGE022
(6)
步骤六、对于最大应力不位于刀具-切屑接触表面处的摩擦状态，定义极限剪切应力。
2.根据权利要求1所述的一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法，其特征在于：步骤二中剪切应力的具体实现方法为：
步骤2.1：通过常温下霍普金森压杆试验，结合回归分析方法确定本构模型中的屈服应力、应***化指数、应***化系数；
步骤2.2：通过常温下不同高应变率下霍普金森扭杆试验下，结合回归分析方法确定本构模型中的应变率敏感性系数；
步骤2.3：通过不同温度下不同应变率下，通过加权的最小化拟合得到本构模型中的热软化系数。
3.根据权利要求2所述的一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法，其特征在于，步骤2.3的具体实现方法为：
步骤2.3.1：在步骤2.2不同高应变率的基础上，依据材料熔点N等分温度，采用交叉置换方式，确定不同应变率下的试验温度，然后进行霍普金森扭杆试验；
步骤2.3.2：对高应变率试验数据进行滤波，对每个试验工况的数据点Ni进行统计，然后对每组工况曲线除以Ni 2最小化，对多个局部最小值进行比较，以确定本构模型中的热软化系数。
4.根据权利要求1所述的一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法，其特征在于，步骤三的具体实现方法为：
步骤3.1：建立切屑与刀具的相对运动模型，工件固定，刀具以切削速度V c从右向左进行切削运动；
步骤3.2：根据赫兹接触理论，建立切屑与刀具的接触力学模型。
5.根据权利要求4所述的一种用于切削加工中切屑形成的极限剪切应力确定方法，其特征在于，步骤3.1的具体体现方法为：
步骤3.1.1：选取刀具-切屑接触界面的一微元进行研究，其切屑流动速度为V chip，单位长度的法向力为P c；
步骤3.1.2：对刀具-切屑接触模型进行简化，接触模型包含一个平面滑块，该平面滑块沿着一个曲面轮廓以恒定的切屑流动速度V chip从左到右运动。
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