[發明專利]考慮斷裂韌性的鋸齒型切屑斜角切削建模方法

在審

• 申請號: 202210561002.2
• 申請日: 2022-05-23
• 公開（公告）號: CN115156561A
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 萬敏;劉春;楊昀;申傳璟
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B23B1/00
• 分類號: B23B1/00;G06F17/10
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 范倩

本發明涉及一種鋸齒型切屑斜角切削過程中力學建模方法，特別涉及一種適用于難加工韌性金屬及合金材料在銑削過程中的斷裂韌性，屈服應力以及耗散的能量的建模方法。該方法首先將立銑刀切削刃沿著刀具軸線分割離散成無數個微元，把每一刀刃微元的切削都看成是一個斜角切削過程；然后對單個刀刃微元建立切屑生成過程中的切削力模型，并將斜角切削中的切削力、速度以及剪切應變都投影到垂直于切削刃的平面內，同時在刀尖處引入斷裂韌性，再利用正交切削的理論和方法進行切削力分析，推導出能預測銑削過程中的斷裂韌性和屈服應力的方程，然后利用斷裂韌性計算出刀尖處材料斷裂做的功，并基于能量守恒計算出鋸齒之間材料斷裂做的功。最后得到在銑削時鋸齒型切屑生成過程中耗散的能量分布以及各個能量所占百分比。

技術領域

本發明涉及一種鋸齒型切屑斜角切削過程中力學建模方法，特別涉及一種適用于難加工韌性金屬及合金材料在銑削過程中的斷裂韌性，屈服應力以及耗散的能量的建模方法。

背景技術

經典的金屬切削理論認為在材料被切削去除過程中，從切削力平衡的角度，能量損耗途徑主要通過第一變形區材料塑性變形以及切屑和前刀面之間的摩擦來進行。對于因材料斷裂導致裂紋的萌生和擴展損耗的能量則被忽略不計。然而，對于韌性金屬及合金在實際加工過程中，工件極易產生鋸齒型切屑；此時，在刀尖及切屑鋸齒之間均發生材料斷裂，并伴隨著裂紋的萌生和擴展，形成新的表面，經典的金屬切削理論不再適用這種情況。因此，尋找適用于難加工韌性金屬及合金銑削過程中的斷裂韌性，屈服應力以及能量分布建模方法具有重要理論及工程應用價值。

文獻“M.E.Merchant,Mechanics ofthe metal cutting process.I.Orthogonalcutting and a type 2chip,Journal of Applied Physics 16(1945)267–275.”依據建立的切削力圓中切削力的平衡，公開了一種計算正交切削過程中切削力及切削力做功的建模方法，但該方法只考慮材料第一變形區塑性變形的剪切力做功以及切屑和刀具前刀面之間的摩擦力做功，并認為切削所消耗的總功是切屑和刀具之間摩擦所消耗的功和第一變形區剪切金屬所消耗的功之和。這一邏輯結果的本質是為了檢查文章中提出的切削過程及其力系的簡單示意圖的正確性。

文獻“A.G.Atkins,Modelling metal cutting using modern ductile fracturemechanics:quantitative explanations for some longstanding problems,International Journal of Mechanical Sciences 45(2003)373–396.”針對韌性金屬切削，在切削力圓中引入斷裂力，考慮了刀尖處材料斷裂消耗的能量，公開了一種計算正交切削過程中切削力及切削力做功的建模方法。該方法考慮了材料第一變形區塑性變形的剪切力做功，切屑和刀具前刀面之間的摩擦力做功以及刀尖材料斷裂消耗的能量，并認為切削所消耗的總功是這三部分損耗能量之和。但韌性金屬加工易產生鋸齒型切屑，該方法雖然考慮了刀尖處材料斷裂消耗的能量，并未考慮鋸齒之間因材料斷裂導致裂紋的萌生和擴展損耗的能量。

文獻“B.Wang,Z.Q.Liu,Q.B.Yang,Investigations of yield stress,fracturetoughness,and energy distribution in high speed orthogonal cutting,International Journal of Machine Tools and Manufacture 73(2013)1–8.”公開了一種計算直角槽銑產生鋸齒型切屑過程中切削力及切削力做功的建模方法，該方法考慮了材料第一變形區塑性變形的剪切力做功，切屑和刀具前刀面之間的摩擦力做功，刀尖材料斷裂消耗的能量以及鋸齒之間材料斷裂消耗的能量，并認為切削所消耗的總功是這四部分損耗能量之和。但該方法中采用的是直刃槽銑刀，且刀具前角為0度。因此，該方法雖然采用銑削加工，但是直刃槽銑切削過程可以看成是二維正交切削過程。