切削加工中的滑移线场理论及切削力研究现状

科技   科技   2024-10-24 17:02   四川  
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胡波,赵先锋,袁森,任仲伟,蒋宏婉,肖展开. 切削加工中的滑移线场理论及切削力研究现状[J].工具技术, 2024, 58(8):9-18.



Hu Bo,Zhao Xianfeng,Yuan Sen,Ren Zhongwei,Jiang Hongwan,Xiao Zhankai.  Current status of research on slip line field theory and cutting forces in cutting machining [J].Tool Engineering, 2024, 58(8):9-18.
1  引言
随着科学技术的不断进步,切削加工机理也得到不断完善,直接表现为加工表面质量的不断优化、切削刀具的创新和加工工艺的优化,并探索出许多切削理论,如滑移线场理论、死区和分流点理论、切削力相关理论、接触过程中的应力应变理论以及切削热理论等。本文通过总结切削加工过程中的相关理论,有助于相关学者在此基础上进行深入研究。
2  滑移线场理论
滑移线场的概念最早由Hencky H.在1923年提出,后被引入包括机械、土木和地质等多个领域并被广泛运用。而引入机械工程领域的目的在于解释金属塑性成形问题,后来渐渐被用于解决切削力、尺寸效应和切屑成型等切削机理问题。近年来,随着机械加工工艺的不断进步,对传统的切削加工要求也越来越高,目前滑移线场的建模方法主要分为最小能量原理、滑移线理论、有限元法、上界理论和下界理论。滑移线求解主要分为矩阵算子法、近似图解法和数值积分法。基于不同前角切削可以分为正前角滑移线场模型和负前角滑移线场模型。
2.1  正前角滑移线场模型
20世纪50年代,Merchant M.E.在研究正交切削的塑性成形机理时首次建立单一滑移线场模型(见图1),随后Lee E.H.等在其建立的单一滑移线场基础上建立了基于前刀面塑性变形区(第Ⅱ变形区)的滑移线场分布,由该模型得到的剪切角公式成为通用公式,同时该模型还考虑了死区的存在,Palmer W.B.等在后续研究中验证了死区的存在。但该模型没有考虑第Ⅲ变形区的变化,而随着近年对切削加工精度的要求不断提高,第Ⅲ变形区及作用于其中的犁耕力显得越发重要。后续以此模型为基础所建立的新滑移线模型很多,主要用于研究犁耕力的预测,死区、分流点的确定和切屑形成机理等。
图1  Merchant M.E.建立的剪切面模型
经过几十年的探索,对正前角滑移线模型的研究在一定程度上得以快速发展,其中Waldorf D.J.等在1998年建立的模型最为经典,如图2所示,在研究精加工过程中犁耕效应的显著性时,建立预测犁耕力的正前角滑移线模型并通过实验进行了验证,该模型表示了犁耕力与刀具边缘半径的关系。但该模型只适用于大前角,对于小前角并不适用,故该模型也常常被后来的学者进行改进并用于切削机理的研究,例如,Rebaioli L.等参考Waldorf模型,将其应用于微加工过程中并预测不同进给量和切削速度条件下的切削力,同时提出了关于滑移线场模型的实验方法;Sun Q.Q.等提出一种新方法来预测微型端铣削过程中的切削力,预测过程中利用了Waldorf的滑移线解决方案来确定犁耕力系数;Uysal A.等基于Waldorf模型建立了考虑死区存在的磨损刀具滑移线模型,用于研究齿面磨损产生的犁耕力和摩擦力、切屑上翘半径、切屑厚度、主剪切区厚度和死区面积。
图2  Waldorf模型
2001~2003年,Fang N.等基于经典滑移线场模型(Merchant模型,Lee and Shaffer模型,Johnson和Usui and Hoshi模型,Kudo模型,Dewhurst模型和Shi and Ramalingam模型)提出正前角广义滑移线场模型,为利用滑移线研究耕犁力提供了新方法,如图3所示。

(a)限位触点刀具
(b)双前角刀具
(c)钝圆刀具
(d)剪切带模型
(e)27个滑移线区域
图3  Fang N.等构建的正前角广义滑移线场模型
Fang N.等提出的滑移线场模型包含很多假设,包括:①假设切削刀具十分锋利;②假设切削加工过程均匀变化,受力均匀;③假设工件是刚性材料,所受到的屈服应力和剪应力不随温度、应变和应变率变化;④假设切屑厚度一旦形成就保持不变;⑤假设刀具磨损轮廓是圆形的;⑥分流点假设(这在后续研究中得到证实)。基于上述假设,大量学者进行了深入研究。2008年Yiğit Karpat等建立了钝圆前刀面滑移线场模型,如图4所示,以D点为切削过程的分流点,运用该模型可以由切削厚度tu计算出切削力和切屑厚度tc
图4  Yiğit Karpat滑移线模型和速度矢量
2011年,Jin X.等基于假设平面应变变形和稳态切削条件提出新的滑移线模型,将主剪切带分为三个区域,并考虑切屑与刀具前刀面的黏结和摩擦。如图5所示,将分流点定位在刀具钝圆上(图中S点),而其他建立带有死区的滑移线模型均把分流点定位在死区边缘,所以关于材料分流点的确定也是需要研究的重点。
(a)滑移线模型                      (b)第二剪切带滑移线
图5  圆刃正交微切削过程的滑移线场模型
应用滑移线场的研究还包括切屑形成机理和切削力,2018年,Uysal A.等利用滑移线场的方法证明了锯齿形切屑形成机理,其建立的模型能够预测切削力、切屑形态和剪切应变,并使用Manyindo B.M.的奥氏体不锈钢正交切削实验结果进行了验证(见图6)。2021年,Uysal A.等在原有模型的基础上进一步研究,建立了新的正前角滑移线模型。在该模型中,将Oxley P.等的预测加工理论运用到不锈钢材料的加工中,并在干切削条件下对模型进行了验证。同时在不同切削力情况下和极限切屑厚度的条件下,通过实验观察到干切削条件下犁耕力随切削温度的变化,结果符合预测模型。
近年来,有学者发现微观角度晶体的滑移与滑移线场的建立密切相关,而切削加工中的变形过程很大程度上受到前刀面和后刀面接触区域摩擦的影响,这些接触区域的摩擦影响切屑形成、功耗、金属去除率、加工表面质量和切削刀具的使用寿命。通过整理已发表的滑移线场模型可以发现,很多学者采用滑移线建模时考虑了不同的接触面摩擦条件,虽然切削中的摩擦对高温高压条件下的磨损和化学反应的基础研究具有意义,但对于如何在稳态加工中表示这种界面摩擦特性似乎缺乏一致意见。Shi T.等、Childs T.H.C.和Dewhurst P.在阐述金属加工的滑移线场解时提出t=mk这一假设,而后Oxley P.L.B.等研究认为,加工中沿刀具前刀面的摩擦条件最好用恒定的界面剪应力。然而,Kudo H.、Lee E.H.和Ernst H.等指出,刀—屑接触面的摩擦应该由库仑定律(t=μσ)来确定;Thomsen E.G.等、Kobayashi S.等以及Finnie I.等通过大量的研究详细讨论了使用摩擦系数来描述刀—屑接触面的摩擦特性局限性,并指出金属切削中的摩擦系数与普通摩擦过程关系不大,不足以表征切屑和刀具之间的滑动。
图6  Uysal A.在钝圆切削刃加工中锯齿形切屑形成的滑移线模型
近年来,大量研究人员使用分体式测力计或光弹性工具测量该界面处的接触应力分布,现在普遍认为刀—屑间的剪应力为
在滑移线场中应用的刀—屑接触区剪应力发展如表1所示。
表1  刀—屑接触区剪应力
2.2  负前角滑移线场模型
与正前角切削刀具相比,负前角切削会使刀具强度增加,改善从切削刃到刀柄的热传导,增加刀具寿命,鉴于这些特性,具有负前角的切削刀具被广泛使用。随着大量研究人员对负前角切削的研究,很多研究人员建立了负前角滑移线场模型,同时也观测到死区的存在,死区的出现让分流点的确定变得不统一,故滑移现场模型也大相径庭,可以说滑移线场的建立绕不开死区,对死区的理解也不同。
相比于正前角滑移线场的研究,负前角滑移线场的研究相对较晚。1981年Abebe M.第一个提出用负前角刀具加工的死区模型,并基于此建立了滑移线场模型,阐述了负前角滑移线场模型的基本概念。次年,Kita Y.等为了观察刀具前刀面材料的停滞行为,在Abebe模型基础上建立了负前角滑移线模型,如图7所示,同时研究了切削速度对刀具前刀面前产生的材料死区形状的影响,得出以下结论:停滞尖端的初始位置不仅决定了切屑大小,还决定了是否会形成切屑;磨削过程中材料的移动由金属流动的混合方式决定,并取决于静止尖端的位置、作用于刀具表面的摩擦力以及向上和向下流动的金属比例。1987年Kita Y.等在文献的基础上使用负前角滑移线模型观察刀具前刀面前方材料的流动机理,并阐述了前角与剪切角的关系,得到与文献相同的结论。随后Petrky H.提出一种新的负前角滑移线场模型,根据τ(剪切应力)/k(材料剪切流动应力)的值和负倾角阐述了金属流动方向和死区发生的变化。
(a)Kita Y.滑移线模型
(b)Kita Y.滑移线应力分布
图7  Kita Y.滑移线场
前期建立的负前角滑移线场模型大多是阐述前刀面的塑性流动机理,所提出的理论值与实际值存在一定误差,随着模型的不断完善,许多研究人员开始基于前人建立的负滑移线场模型研究切削力和死区的影响。如图8所示,2005年Fang N.基于Lee和Shaffer的模型,提出了一种负前角滑移线模型,基于模型研究了负前角刀具和切削速度如何影响刀具与切屑的摩擦,以及刀具与切屑的摩擦如何进一步影响加工性能,如切削力与推力的比、切屑厚度比、剪切区几何形状以及刀具前刀面附近物料流停滞区的几何形状,同时也分析比较了正前角和负前角对刀—屑摩擦的不同影响。

图8  Fang N.建立的大负前角滑移线模型

2012年,Ozturk S.等提出了一种新的滑线模型用于模拟钝圆刀具正交切削过程及其相关轨迹(见图9)。该模型由8个区域组成,其中涉及死区。在新模型的数学表达式中,采用了Dewhurst和Collins的数值求解滑线问题的矩阵技术。

(a)Ozturk S.滑移线模型
(b)Ozturk S.滑移线轨迹
图9  Ozturk S.建立的滑移线模型

2015年,Rebaioli L.等基于Waldorf的滑移线场模型构建了新的滑移线场,开发了一个可重复的程序,用6082-T6铝合金进行了不同切削速度、不同未切削切屑厚度与切削刃半径比值的实验,验证了在未切削切屑厚度小于50μm和相对较高的切削刃半径下的模型切削力预测性能,并在其研究基础上预测了微细切削加工时的切削力和切屑厚度。2021年,Hu Cheng等基于Waldorf和Fang的滑移线场模型提出了修正的滑移线模型(见图10),通过二维切削仿真验证了改进的滑移线场方法不仅能演示存在死区时材料的流动机理,而且能预测负前角切削过程的切削力。

(a)Hu Cheng滑移线模型

(b)速度图
图10  Hu Cheng等修正的负前角切削滑移线场

综上,通过总结滑移线理论,对目前滑移线场大相径庭的原因进行了解释,除了切削工艺参数、刀具几何参数等不同,也存在外部因素对滑移线场构建存在一定的影响,如切削液的选取、切削方案、不同工件材料等。


死区和分流点理论

死区和分流点是在切削的塑性变形过程中逐渐统一的概念,大量学者通过实验和仿真进行了验证。由于钝圆刀具能够提供良好的切削韧性,同时能够降低刀具的损耗,延长了刀具使用寿命,但也会导致金属死区(DMZ)的形成。自1890年切削过程中的材料堆积现象首次被科学描述以来,人们进行了大量理论研究。1967年,Usui E.等在建立滑移线场时提出,死区的存在条件和刀具前刀面的力学行为还不清楚,特别是以低切削速度进行金属切削或切削刀具以较大负前角进行切削时,都可以观察到很大的塑性区;Hirao M.等对切削过程中前刀面材料的堆积现象进行了研究,并得出死区对切削表面的粗糙度有直接影响,而Palmer W.B.等认为,材料的卷曲方向取决于刀具负倾角,刀具的几何形状是影响死区产生及其形貌的重要原因。在上述模型中,金属死区通常被认为相对前刀面停滞不动,因此,材料的流动与死区的几何形状密切相关。直到2002年通过Shi G.等的实验和分析研究得出,死区主要依赖于倒角部分的几何形状,而不是切削条件。

随着对切削机理的深入研究和实验条件的不断丰富,分流点位于刀具钝圆边界上的观点发生了改变,同时一些学者也阐述了切削工艺参数对死区和分流点的影响。1971年Komanduri R.提出,在金属切削过程中,材料在刀面上的流动是双向的,一部分材料在刀具下流动(摩擦或犁削),另一部分材料从切屑处沿刀面向上流动,并有一个驻点,该驻点取决于前角大小;Weule H.等基于微细切削的理论研究提出,较低的切削速度是形成停滞区的一个重要因素,同时也观察到较差的表面粗糙度;Kountanya R.K.等研究发现,使用圆刃刀具正交切削黄铜材料时,在切削刃前面形成停滞区域,当圆刃刀具正交切削锌材料时,停滞区域消失;2012年Ozturk S.等的研究也表明,在正交切削模型中,当负前角值减小时,停滞区域将增大,压力和切削力的比值将增大,从而提高了加工表面的质量。

随着有限元的不断革新,对于死区的验证也在切削仿真中被发现,Wan L.等利用ABAQUS软件对切削过程中的摩擦情况进行了数值研究,提出基于任意拉格朗日—欧拉方法的有限元模型,用于模拟切削过程和研究摩擦对死区的影响;Movahhedy M.R.等对不同类型倒角刀具切削过程中的切屑形成进行了若干热力任意拉格朗日—欧拉(ALE)模拟,在有限元模拟中观察到DMZ形成的现象,并得出结论,由于DMZ的存在,倒角角度对切屑形成没有显著影响;Yiğit Karpat等提出一种新的DMZ分析模型,在不同的切削条件下,DMZ存在于倒角边缘下方或磨损零件附近,主要取决于刀具边缘的几何轮廓,而不是切削变量。Wan L.等通过有限元模拟和实验验证研究了刀具边缘几何形状和摩擦系数对DMZ形成的影响,发现刀具刃口和摩擦系数均是DMZ形成的原因,如图11所示。

(a)理论模型
(b)实验结果
图11  Wan L.等的研究结论

通过对死区的大量研究,也进一步对切削过程中的分流点进行了相关分析。分流点即切削时工件材料的分离点,确定分离点有益于断裂走向、建立滑移线场和切削力的研究,具有重要意义。虽然经过不断努力,已经明确知道切削加工过程会出现死区和分流点,但是死区的形成机理及分流点的确定依然没有得到统一,仍需要进一步研究。

4  切削力理论研究

切削力是整个切削过程的综合表征,目前针对切削力的研究主要分为实验分析、仿真分析以及理论分析。

实验分析是以切削实验为基础,对实验参数运用数学方法进行分析得到相应结果的过程,主要的手段有经验公式法、几何模型法两种。经验公式法主要为指数公式,即根据实验结果将切削力和切削工艺参数(切削速度、进给量和切削深度)通过数学工具进行拟合得到关于切削力和切削工艺参数的指数关系。指数公式早在20世纪80年代就已经提出,并由最开始的两个切削工艺参数变量到现在的进给量、切削速度和切削深度三个变量,随着科研人员的不断研究,目前已经扩展为切削工艺参数和几何工艺参数的结合。近年来一些学者开发出更多的指数模型,并基于实验和spss分析得出影响切削力的最大影响因子进行指数模型拟合,拟合度高达90%以上。

关于几何模型法的研究包括:Campocasso S.等提出的基于齐次矩阵的几何模型,该模型基于剪切角理论和金属滑动理论推导,能够预测金属切削过程中的切削力。其主要目的是逐步分解变换,在机器坐标系中使用插入式刀具建模来测量切削过程的几何要素,从而轻松计算力和力矩。通过这种广义的几何模型,方便了切削力模型在各种切削操作中的应用;Reddy R.G.等提出一种轴向径向复合轮廓切削的切削模型作为轴向和径向轮廓变化的函数,推导出机械参数计算的解析表达式,通过在带有液压致动器的原型径向轮廓车床上加工具有凸轮轮廓的工件,进行了模型验证,模拟和实验得到的切削力误差在14%以内;Sun Y.等考虑刀具侧面磨损与切削力的关系,建立了TC4端铣刀在给定切削条件和刀具几何参数下的切削力预测数学模型。由于通过几何模型研究切削力较为复杂,不考虑作为研究切削力的首选。

仿真分析即基于有限元法(FEM)建模和分子动力学(MD)模拟进行推导,通过仿真结果(如切削温度、切削力数值、几何参数和刀具参数等)对切削力进行研究。最早将有限元方法运用到金属切削中的是1973年,Klamecki B.E.通过有限元的方法大大提高了分析精度。随着大量学者的不断研究,利用有限元对金属切削进行模拟得到了大量应用。Liu D.等采用有限元方法模拟加工TC4钛合金的切削过程,并对该过程所产生的切削热和切削力进行了研究;Peng R.T.等采用有限元方法研究了TC4预应力切削中切屑的形成过程和切削力,结果表明,切屑形状、形成过程和切削力不受预应力的影响;Pratap T.等采用ABAQUS软件对TC4钛合金微端铣削力进行建模,模拟了应力分布、温度分布和切削力,得出特定切削力的有限元模拟能够揭示微端面铣削过程中的尺寸效应的结论;Kandráč L.等为了研究摩擦系数对切削力的影响,运用有限元模拟了TC4钛合金的切削过程,对比仿真和实验结果得到最接近实验值的误差约为0.5%。

分子动力学也常用于切削模拟,有大量学者基于分子动力学对切削力进行了研究,如Lin Z.C.等采用分子动力学和有限元变形模型(MDFM)相结合的方法计算了单晶铜在纳米尺度正交切削过程中的各种轴向应力和应变,并计算了单晶铜在纳米尺度正交切削时的切削力。同时,Lin Z.C.等运用该方法提出了纳米级接触压力因子(NCP因子)的概念来估计切削力,克服了分子动力学模拟和原子力显微镜实验之间尺寸和尺度不一致的局限性;Zhu Y.等对多晶硅纳米切削进行了模拟,并根据模拟结果分析了材料去除和表面形成过程中切削力和电位的变化,探讨了微观下不同方向和晶粒对切削力的影响。

理论分析主要通过断裂力学和金属塑性成形等理论对切削中的各个阶段进行分析,Merchant M.E.和Usui E.等用最小能量法研究切削力,Hill R.以塑性理论为基础对切削力进行研究。最小能量法也被称为上限(运动学)法,使用运动学上的速度通过变形区几何形状的能量最小化来获得未知的过程信息,这导致实际所需功率高于理论;基于塑性理论的方法包括位错理论和滑移线场理论建模方法,塑性理论被认为是应用最广泛的基础方法。Armarego E.J.A.等假设切削力与切屑载荷成比例,基于来自最少切削试验的不同切削参数信息,预测一系列切削条件下的切削力。Li K.M.等建立了一个干切削切削力的预测模型,由该模型得到的流动应力、接触长度和剪切角等预测变量被用来预测由刀具后刀面磨损效应引起的切削力。

综上所述,对于切削力的研究,目前国内外学者并没有给出统一的计算方法。从刀具和材料的接触过程来说,切削力的变化可分为三个过程:①刀具的钝圆开始接触工件,随着钝圆的切入切削力逐渐上升;②钝圆切入后前刀面开始参与切削,随着前刀面与切屑不断贴合,切削力产生变化,即切屑与前刀面的摩擦力和切屑对前刀面的压力最终呈现为切削力不断上升;③随着刀具和前刀面的接触长度达到最大,切屑会因其对前刀面的压力产生的附加弯矩而弯曲,材料瞬间开裂,随后进入稳态切削。

5  结语

总的来说,切削过程中的力学行为变化依旧是研究切削加工的重点内容。关于切削塑性理论及切削力机理的研究大致可以从以下方面展开。

(1)基于接触力学和赫兹理论,可以将切削过程可以看作是一个刚性物体和一个弹塑性体或塑性体之间的接触和挤压,挤压过程会产生应力—应变、切削热和塑性变形等。这个过程会发生弹性变形到塑性变形的转变,即当接触的力达到材料的破坏临界值时就会发生塑性变形。

(2)切削过程中的塑形滑移在过去被认为是按照滑移线场理论进行滑移和断裂,至今尚未得到统一的模型,这其中包含切削力模型的多样性、分流点和死区在不同切削条件下的变化、应力应变演化规律和切削热等理论在某种程度上并不能很好地解释切削过程中切削力、应力应变、切削热之间的相互作用关系。

(3)切削力研究在实验和仿真基础上进行,由于存在很多假设,是在局限条件下进行的有效预测,并不能预测在各种环境、各种加工条件和刀具的基础上切削力的大小。力学的复杂性、不确定性和影响因素较多,新材料的不断更替大大增加了研究难度,因此可以引进更多的传统力学模型进行研究,如接触力学、材料力学、塑性力学、断裂力学、固体力学以及其他学科的交叉建模,多因素的引入使得切削力的研究更趋于准确。

(4)随着各种精密仪器的不断出现,可以进行切削过程中的各种检测和观测,如切屑的形成机理、断裂深度的检测、加工表面质量的改善、刀具的设计等都有待后期研究。


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