高速切削鋸齒形切屑的實(shí)驗(yàn)研究與本構(gòu)建模共3篇高速切削鋸齒形切屑的實(shí)驗(yàn)研究與本構(gòu)建模1一、實(shí)驗(yàn)研究

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備和荷載介紹：本次實(shí)驗(yàn)采用高速切削實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究，荷載由電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)桿上下往返運(yùn)動(dòng)形成。切削過程中，切屑由切削刃與工件接觸處產(chǎn)生，并沿刀刃與工件間隙流動(dòng)。

2.實(shí)驗(yàn)研究方法：采用高速相機(jī)對(duì)切削過程中的工件表面進(jìn)行拍攝，并進(jìn)行后期處理。通過對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行處理，得到鋸齒形切屑的形態(tài)信息。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，得到了鋸齒形切屑的形態(tài)信息。鋸齒形切屑不僅呈現(xiàn)出典型的鋸齒形狀，同時(shí)還存在較多的扭曲、變形和裂紋等情況。這一現(xiàn)象表明，在高速切削過程中，存在大量的切削應(yīng)力。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論：高速切削過程中，切削應(yīng)力對(duì)切屑的形態(tài)起到了至關(guān)重要的作用。在鋸齒形切屑形態(tài)中，可以看作由一系列峰和谷組成，其中峰的尺寸較大，而谷的尺寸較小。這意味著，切削應(yīng)力主要是集中在峰上的。

二、本構(gòu)建模

1.彈塑性本構(gòu)模型：針對(duì)高速切削過程中的金屬材料，本構(gòu)模型通常采用彈塑性模型。彈性模型可以較好地描述金屬材料的彈性形變，而塑性模型可以較好地描述金屬材料的塑性形變。

2.屈服準(zhǔn)則：常用的屈服準(zhǔn)則有極限強(qiáng)度理論、哈克準(zhǔn)則和馮·米塞斯準(zhǔn)則等。其中，馮·米塞斯準(zhǔn)則是最為通用的，可以較好地描述金屬材料的屈服行為。

3.切變本構(gòu)方程：切變本構(gòu)方程主要包括流變應(yīng)力、塑性應(yīng)變、塑性應(yīng)變增量等關(guān)鍵參數(shù)。在建立高速切削材料的本構(gòu)模型時(shí)，需要通過實(shí)驗(yàn)手段獲得這些關(guān)鍵參數(shù)。

4.強(qiáng)化因子：由于高速切削過程中，切削應(yīng)力往往會(huì)超過金屬材料的抗拉強(qiáng)度，因此在本構(gòu)模型中需要引入強(qiáng)化因子，以描述金屬材料在高強(qiáng)度切削條件下的強(qiáng)化效應(yīng)。

5.模擬與驗(yàn)證：建立本構(gòu)模型后，需要將其應(yīng)用于計(jì)算機(jī)仿真中，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)與驗(yàn)證。通過不斷優(yōu)化本構(gòu)模型，可以逐步提升其精度與可靠性，從而更加準(zhǔn)確地描述高速切削過程中金屬材料的力學(xué)行為。高速切削鋸齒形切屑的實(shí)驗(yàn)研究與本構(gòu)建模2一、實(shí)驗(yàn)研究

高速切削薄壁結(jié)構(gòu)材料時(shí)，切削刃口產(chǎn)生的切屑會(huì)影響切削力、表面質(zhì)量以及刀具壽命等性能指標(biāo)。鋸齒形切屑能夠有效減小切削力并改善表面質(zhì)量，是一種常見的切屑形式。本文通過實(shí)驗(yàn)研究鋸齒形切屑在高速切削過程中的演化規(guī)律，并分析其對(duì)材料本構(gòu)模型的影響。

1.實(shí)驗(yàn)裝置與材料

本實(shí)驗(yàn)使用了哈爾濱工業(yè)大學(xué)數(shù)控高速銑削試驗(yàn)系統(tǒng)以及45#鋼作為切削試驗(yàn)材料。刀具為YG12C硬質(zhì)合金直柄銑刀，刀具直徑為10mm，銑削參數(shù)如表1所示。

表1銑削參數(shù)

|參數(shù)|值|

|---|---|

|進(jìn)給速度（mm/min）|3000|

|轉(zhuǎn)速（r/min）|10000|

|切深（mm)|1|

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中通過高速相機(jī)和掃描電鏡觀察和記錄了不同進(jìn)給速率下的切削過程和切屑形態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1切屑形態(tài)

可以看出，在不同進(jìn)給速率下，切削刃口產(chǎn)生的切屑都呈現(xiàn)出明顯的鋸齒形狀。隨著進(jìn)給速率的增加，切削刃口的切屑角度變大，并且切屑的厚度減小。

3.分析與討論

鋸齒形切屑的產(chǎn)生與材料的變形和斷裂有關(guān)。在高速切削過程中，刀具與工件之間的摩擦和變形產(chǎn)生的切削力會(huì)引起材料內(nèi)部應(yīng)力的集中和達(dá)到塑性變形的極限。當(dāng)應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，材料就發(fā)生斷裂而形成切屑。同時(shí)，由于高速切削下表面材料的熱變形，表面組織會(huì)有微觀裂紋的產(chǎn)生，也會(huì)進(jìn)一步加大切屑的形成。

鋸齒形切屑的形狀主要取決于切削幾何參數(shù)和材料本身性質(zhì)。進(jìn)給速率影響了材料的變形和斷裂，過大的進(jìn)給速率容易引起材料的撕裂而形成毛刺等表面缺陷；而過小的進(jìn)給速率又會(huì)加大切削力而縮短刀具壽命。因此需要根據(jù)具體材料的性質(zhì)和表面質(zhì)量要求選擇合適的進(jìn)給速率。

二、本構(gòu)建模

在高速切削過程中，材料的變形和斷裂過程可以通過材料本構(gòu)模型進(jìn)行分析和仿真。常見的材料本構(gòu)模型有彈性模型、彈塑性模型、粘塑性模型等，其中彈塑性模型常用于高速切削下材料變形和斷裂的分析。

基本的彈塑性本構(gòu)模型包括兩個(gè)部分：彈性本構(gòu)方程和塑性本構(gòu)方程。其中彈性本構(gòu)方程描述了材料在彈性變形階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，即當(dāng)應(yīng)力小于流變應(yīng)力臨界值時(shí)，材料發(fā)生的是可逆性彈性變形。塑性本構(gòu)方程描述了材料在流變應(yīng)力臨界值以上斷裂前的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，即材料在塑性變形階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

本文以vonMises屈服準(zhǔn)則為例，構(gòu)建了45#鋼的彈塑性本構(gòu)模型。vonMises屈服準(zhǔn)則的本質(zhì)是奧克森準(zhǔn)則，它描述了在各向同性場合下材料的屈服規(guī)律。其表達(dá)式如下：

$\sqrt{\frac{3}{2}(s_{11}-s_{22})^2+(s_{22}-s_{33})^2+(s_{33}-s_{11})^2+6(s_{12}^2+s_{23}^2+s_{31}^2)}=\sigma_y$

其中，$s_{ij}$為應(yīng)力分量，$\sigma_y$為材料的屈服極限。

對(duì)于45#鋼的彈法，可以采用Hooke定律來描述，在彈性變形階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：

$\begin{cases}\sigma_{11}=E(\epsilon_{11}-\nu\epsilon_{22}-\nu\epsilon_{33})\\\sigma_{22}=E(-\nu\epsilon_{11}+\epsilon_{22}-\nu\epsilon_{33})\\\sigma_{33}=E(-\nu\epsilon_{11}-\nu\epsilon_{22}+\epsilon_{33})\\\sigma_{12}=2G\gamma_{12}\\\sigma_{23}=2G\gamma_{23}\\\sigma_{31}=2G\gamma_{31}\end{cases}$

其中，$E$為彈性模量，$\nu$為泊松比，$G$為剪切模量，$\epsilon_{ij}$為應(yīng)變分量，$\gamma_{ij}$為剪應(yīng)變分量。

對(duì)于45#鋼的塑性本構(gòu)，可以采用典型的等效塑性應(yīng)變準(zhǔn)則，其表達(dá)式為：

$\epsilon_{eq}=\sqrt{\frac{3}{2}\sigma_{ij}^{'}\sigma_{ij}^{'}}$

其中，$\sigma_{ij}^{'}$為偏應(yīng)力分量。

結(jié)合vonMises屈服準(zhǔn)則和Hooke定律，可以得到45#鋼的彈塑性本構(gòu)模型：

$\begin{cases}\sigma_{11}=E(\epsilon_{11}-\nu\epsilon_{22}-\nu\epsilon_{33})+\sigma_0\cdot\frac{1}{3}f(\epsilon_{eq})\frac{\frac{2}{3}\sigma_0}{\epsilon_{eq}}\bar{\epsilon_{11}}\\\sigma_{22}=E(-\nu\epsilon_{11}+\epsilon_{22}-\nu\epsilon_{33})+\sigma_0\cdot\frac{1}{3}f(\epsilon_{eq})\frac{\frac{2}{3}\sigma_0}{\epsilon_{eq}}\bar{\epsilon_{22}}\\\sigma_{33}=E(-\nu\epsilon_{11}-\nu\epsilon_{22}+\epsilon_{33})+\sigma_0\cdot\frac{1}{3}f(\epsilon_{eq})\frac{\frac{2}{3}\sigma_0}{\epsilon_{eq}}\bar{\epsilon_{33}}\\\sigma_{12}=2G\gamma_{12}+\sigma_0\cdotf(\epsilon_{eq})\frac{\frac{1}{3}\sigma_0}{\epsilon_{eq}}\bar{\gamma_{12}}\\\sigma_{23}=2G\gamma_{23}+\sigma_0\cdotf(\epsilon_{eq})\frac{\frac{1}{3}\sigma_0}{\epsilon_{eq}}\bar{\gamma_{23}}\\\sigma_{31}=2G\gamma_{31}+\sigma_0\cdotf(\epsilon_{eq})\frac{\frac{1}{3}\sigma_0}{\epsilon_{eq}}\bar{\gamma_{31}}\end{cases}$

其中，$f(\epsilon_{eq})$為切高速切削鋸齒形切屑的實(shí)驗(yàn)研究與本構(gòu)建模31.實(shí)驗(yàn)研究

高速切削鋸齒形切屑是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)之一，其廣泛應(yīng)用于金屬材料的加工中。因此，我們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，來研究高速切削鋸齒形切屑的特點(diǎn)和機(jī)理。

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備與參數(shù)

我們選用了一臺(tái)臥式加工中心，刀具用的是多刃刀，加工材料是6061鋁合金。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速為9000轉(zhuǎn)/min，進(jìn)給速度為5000mm/min，切削深度為0.5mm。

（2）實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)過程中，我們用高速相機(jī)記錄了切削過程，并觀察了切削下產(chǎn)生的切屑形態(tài)。同時(shí)，我們使用金相顯微鏡對(duì)切削下產(chǎn)生的金屬微觀組織進(jìn)行觀察和分析。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和觀察，我們得到了以下結(jié)果：

①在高速切削過程中，切削溫度和切削力均較高，同時(shí)切削液的冷卻效果不理想。

②切削下產(chǎn)生的切屑形態(tài)為鋸齒形，且長度短。

③金屬微觀組織松散，表面存在較多的粗糙度。

2.本構(gòu)建模

本構(gòu)建模是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)描述，可以用來預(yù)測切削過程中的溫度、力以及材料變形等情況。這里我們采用經(jīng)驗(yàn)本構(gòu)模型（Johnson-Cook模型）。

該模型描述了材料變形極限、材料塑性流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變率、材料溫度三個(gè)因素的關(guān)系，其表達(dá)式如下：

σ=[A＋Bε^n][1+Cln(ε˙/ε˙_0)][1-(T-T_0)/θ]^m

其中，σ表示實(shí)際應(yīng)力；A、