(高速高效加工理论与技术.docVIP

高速高效加工理论与技术 1概论 高速高效加工是近年来迅速发展起来的集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术，是机械加工技术的重要发展方向，其主要目的就是提高生产效率、加工质量和降低成本，在航空、航天、汽车、模具、高速机车等行业中应用已取得重大经济效益，对提高加工技术水平，推动机械制造技术的进步具有深远的意义。大力发展高速高效加工理论和技术，对于我国在机械加工领域摆脱以往的落后局面，促进我国装备制造业发展具有重要的意义。 相对于传统的机械加工来说，高速切削加工技术中的“高速”是一个相对概念，随着切削加工技术的不断发展其速度范畴也发生着变化，对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料，高速切削加工时应用的切削速度也不相同。从切削速度方面，一般以高于5～10倍的普通切削速度的切削加工定义为高速切削加工。从切削机理上，高速切削加工可以定义为：切削加工过程通过能量转换，高硬刀具(切削部分)对工件材料的作用，导致其表面层产生高应变速率的高速切削变形和刀具与工件之间的高速切削摩擦学行为，形成的热、力耦合不均匀强应力场的制造工艺。高速切削过程具有非线性、时变、大应变、高应变率、高温、高压及多场耦合等特点。它包括高速切削加工、高进给切削加工、大余量切削和高效复合切削加工、高速与超高速磨削、高效深切磨削、快速点磨削和缓进给深切磨削等[1]。 2高速高效加工技术研究现状 目前，对于高速高效加工理论的研究主要集中在两个方面：一是对高速高效加工机理的研究，二是对于高速高效加工装备制造技术的研究。下面，我们就这两个方面分别做出介绍。 2.1高速高效加工机理研究 高速切削技术起源可追溯到上个世纪20年代末期。德国的切削物理学家萨洛蒙 (Carl J. Salomon)博士于1929年进行了超高速模拟实验，1931年发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设。Carl J .Salomon的理论指出，在常规的切削速度范围内，在初期切削温度会随着切削速度的增加而提高，但是温度升到一个峰值后，随着切削速度的继续增加而会下降，同时切削力也大幅下降,但该切削速度值与工件材料的种类有关[2]。图1为Salomon高速切削加工理论的示意图。 图1 Salomon 高速切削加工理论示意图 1979年美国国防工程研究局开始一项为期4年的现代加工技术研究计划。该项研究的主要结论是：随着切削速度提高，切削力降低，而切削温度随切削速度升高至工件材料熔点时，仍没有出现Salomon声称的当切削速度超过临界速度时，切削温度开始降低的情况。1979～1988年德国达姆施达特(Darmstadt)工业大学主要研究高速铣削加工特点，进行高速铣削铝合金、高速铣削铁系和非铁系材料的基础理论研究及高速切削刀具和机床技术、高速切削工艺和高速切削加工技术的实际应用探索，获得了许多有价值的重要成果[3-4]，为高速切削加工技术的发展和应用奠定了重要基础。 近一段时间，人们的研究方向一直集中在高速高效切削过程中断屑形成机理方面的研究。高速切削切屑形成试验研究表明：按照被加工材料的类型和工艺条件，对切削力和切屑变形的影响是不同的，存在着连续切屑和断续切屑两种类型，在高速切削高导热性、低硬度合金或金属(如铝合金、软低碳钢等)时易形成连续切屑，而在高速切削低导热性、密排六方多晶体结构、高硬度材料(如钛合金、超耐热镍合金、高硬度合金钢)时易形成断续切屑。研究还表明：在高速切削条件下切屑的形成过程和普通切削时不同，随着切削速度的提高，塑性材料的切屑形态将从带状、片状到碎屑不断演变，单位切削力初期呈上升趋势，尔后急剧下降，塑性变形区变浅，残余应力及硬度变化减小。这些表明，在高速切削条件下，材料的切削机理将发生变化，切削过程变得比常规切削速度容易和轻松。 大多数研究者认为：在超高速切削铸铁、钢及难加工材料时，即使在很高的切削速度范围内不存在这样的“死谷”，刀具耐用度总是随切削速度的增加而降低的；而在硬质合金刀具高速铣削钢材时，尽管随切削速度 v 的提高，切削温度随之升高，刀具磨损逐渐加剧，刀具耐用度 t 继续下降，且 t-v 规律仍遵循 Taylor 方程，但在较高的切削速度段，Taylor方程中的m值大于较低速度段的 m值，这意味着在较高速度段刀具耐用度 t 随 v 提高而下降的速率逐缓，这一结论对于超高速切削技术的实际应用是十分有意义的。 目前，高速切削研究的热点理论问题为工件材料在高速切削过程中的变形理论，包括Johnson-Cook 本构方程、锯齿状切屑的形成、切削过程的计算机模拟仿真等[5]。工件材料的本构关系是研究高速切削变形的基础，较通用的本构方程为Johnson-Cook(JC) 本构模型。也有研究人员提出用流体力学等理论研究高速切削过程中的材料变形行为[6-7]。至今，确定本构关系最为普遍的