绝热剪切高速金属切削有限元模型（3）

  芯片形成过程

  图13显示了用变形技术产生的模拟的芯片形成历史。轮廓变量是等效的塑性应变，截止最大为3.（温度曲线非常均匀与此相似，导热系数小。）切削条件与图12相同。

  第一段和剪切带的形状不同于以下的形状。它显示出强烈分裂的剪切带，而后者的剪切带在工具侧仅略微分开。这个曲率首先段更强，因此它接触未切割的材料。后面的段彼此非常相似，段之间具有恒定的距离和相似的分割程度。第一个和第一个的区别以下段是由于最初未切割的材料和具有剪切带的材料之间的几何差异。

  实验产生的芯片的变形在两个方面不同于模拟：实验中的分割程度更强（这部分是由于网格密度，见上文）和之间的距离剪切带也较大（参见图9进行比较）。这可能主要是由于前角的差异。塑料流动中的错误

  图13.分段芯片的开发。所示为等效塑性应变作为等高线图。选择刻度使得最暗的颜色表示大于3的所有值。切割参数：切割深度40 lm，切割速度50毫秒，前角10°。

曲线也可能起作用，但目前无法确定。芯片的曲率也不是很接近，因为模拟的芯片弯曲得更强。

  剪切带之间的材料仅微弱变形。由于几何原因，在芯片的工具侧变形更强。在模拟和实验中都是如此。区域变形小在剪切带之间导致温度升高;在模拟中，剪切带中的最高温度达到800℃或更高，而变形较小的区域温度低于150℃。由于材料的低导热性，这些差异在模拟中不均匀考虑的时间。

  图14显示了一个剪切带形成的详细研究。由此可以区分剪切带形成过程的几个步骤：

刀尖前方整个区域轻微塑性变形，材料背面向上弯曲。

  变形区域形成在工具尖端的前面。

工件背面的一个小区域开始塑性变形。

  两个变形区域连接并且塑性变形定位。

  该段沿剪切带强烈剪切。

  第二剪切区可以形成通向向下弯曲的分裂剪切带。

  从模拟中可以看出，剪切带不是简单地开始在工具尖端的前面形成，而是在整个芯片中延伸。相反，第二变形区域首先在芯片背面形成，并且仅形成然后两个地区加入。 6如果在表面剪切会引起裂纹，这可能会导致在切屑分段过程的早期阶段形成裂纹。然而，这不能从目前的模拟中得出结论。

  另一个有趣的方面是分裂剪切带的形成。随着工具尖端前进，剪切带向上弯曲，并且在工具尖端前方形成新的变形区域，导致第二剪切带与工具尖端连接。第一。一旦形成第二剪切带，变形就集中在该区域中，并且剪切带的上半部分不再形成。这可以从变形率看出，变形率在上半部分变小一旦发生分裂，剪切带和下部的大的剪切带。

  这种分裂剪切带似乎不是模拟假象，尽管它的详细形状受到分离机制的影响（见图12）。在另一次模拟中观察到类似的剪切带（见[19]，图9）它们也是通过实验发现的（见图15）。

  从图16可以理解出现这些剪切带的可能原因。剪切带最初形成近似直线，如图16（左）所示。随着工具前进，材料区域A直接在前面必须移除刀尖和剪切带下方。对此的一种可能性是在工具前进时向上强烈弯曲剪切带，7以便要移除的材料向左和向上移动。然而，这需要在剪切带左侧的区域S2中发生强烈的塑性变形，其中温度仍然很小并且变形所需的能量因此，在已经形成的区段S1中也有一些变形。如果在区域A的左侧形成分裂剪切带，则可以通过沿剪切带剪切来移动该区域，这更容易。这导致所有已经形成的芯片（S1）也沿着剪切区移动，并且当剪切带弯曲时，芯片也变得弯曲。因此，工具尖端前面的区域A改变了它的作用：首先它属于新形成的区段S2，但是一旦第二剪切带接管，它就在动力学上属于已经形成的区段S1。几何约束仍然需要在该区域中有一些小的变形，但是仅在剪切带留下的材料必须稍微变形以适应剪切带的（小）曲率。

  分裂剪切带的形成当然不是纯粹的几何现象：图中区域A的连续变形可以在没有强定位的情况下产生类似的效果。是否在这个区域变形浓缩在第二剪切带中取决于流动曲线和变形定位的趋势。

  模拟和实验计数产生的分裂剪切带的比较表明它们的形状不同：实验剪切带在与模拟的相反方向上弯曲。这种差异还不可能解释，但摩擦，来自工具的热量以及不同前角的影响可能在此发挥作用。

  图17显示了用于图13模拟的计算切削力。正如预期的那样，7的强烈振荡注意到在该模拟中忽略了摩擦，因此不会由此引起剪切带曲率。很可能通过芯片工具侧的强烈变形，包含摩擦将至少部分地破坏分裂剪切带。

图14.用于与图13中相同模拟的第二剪切带的形成细节。示出了等效塑性应变作为等高线图。选择标度使得最暗的颜色表示大于2的所有值。

  两个连续图像之间的时间为50 ns。水平线是辅助接触表面，以避免芯片穿入未切割的工件。

  该力发生，当变形未集中时具有高的绝对值，并且在剪切定位和剪切带沿剪切带的剪切期间具有较低的值。力的绝对值是与实验研究不一致，但是太低了大约2倍。这是主要是由于塑性流动曲线的不确定性以及不同的前角。一方面，在大于0.2的应变下应力的减小可能在曲线中被夸大了;另一方面，极端变形率下的应力值将远高于

  图15.实验生产的芯片中分裂剪切带的出现:(左）Ti6Al4V芯片（右侧工具）; （右）Ck 45芯片（左侧工具）在马格德堡IEP进行快速停止实验。这个数字由U. Schreppel提供P. Veit，IEP，马格德堡。

  图16.分裂剪切带形成过程中的两个阶段。这些配置取自图14所示的第四和第七状态。段S1已经形成在第一状态，段S2开始发展。前进工具必须移除区域A. A前面的分割剪切带允许将该区域移动到右图中由B标记的位置。已形成的区段S1在此过程中仅轻微变形。分裂的因此，剪切带允许容纳从区域A去除材料而在S1或S2内没有强烈变形

  参数研究

  有限元模型允许研究不同材料和工艺参数对切屑形成的影响。本节将显示两个示例。

  在第一个实验中，改变了材料的弹性。可以认为剪切带的形成是由存储在变形材料中的弹性能量的释放引发的。图18显示了确实如此当形成芯片段时，弹性能量密度大大降低。然而，与塑性变形能相比，该能量的绝对值较小。为了进一步研究这种效应，材料的杨氏模量为各不相同在室温下为57.5和575MPa，因此储存的弹性能量将相应地改变。 8

对于这三种情况，得到的变形模式是相似的，但是分割程度略有变化，与分割频率的变化相对应。这可以从图19中看出，其中切割力是显示了三种不同的情况。弹性模量越低，分割程度和分割时间越高。一种可能的解释是，更大量的储存弹性能使剪切变得容易塑性剪切是优选的，因为剪切带左侧区域的弹性变形在能量上是不利的。另一种可能性是变形在较硬的材料中更强烈地集中并因此增加分段频率。更详细的调查注意，弹性能量的大小受材料固定屈服强度的限制，因此，如果材料塑性变形，弹性模量较低的材料具有较高的应变能。

  图18.在图14的第二和第四时间步骤的弹性能量密度（单位为mJ / mm3）。选择标度使得最暗的颜色表示大于20的所有值。能量密度在形成剪切带，暗示弹性能的释放可能影响剪切带的形成。

  图19.具有不同弹性的三次模拟的切削力。可以看出，随着弹性模量的增加，分割频率降低。切削参数：切削深度40 lm，切削速度50 m / s，耙角度10°。弹性模量的影响是彻底理解这个问题的必要条件。

  作为第二种变型，切割速度降低了100-0.5m / s。在此速度下，导热率足够高，因此不可能有很强的温度集中。由于塑料流动的最大化然而，应该预期芯片分割也会发生，因为它也是通过实验进行的。 （这个事实是使用具有明确最大值的流量曲线的部分原因。）这确实是正确的，但它只能在模拟是否进一步增加网格密度，如4.2节所述。这表明在较低的切削速度下形成分段切屑的趋势较小。

  外表

  已经示出了使用标准软件（ABAQUS / Standard）的金属切削过程的有限元模型。该模型依赖于以下技术：

使用四边形元素;

经常重新划分;

初始网格的特殊形状;

对分段芯片进行不连续的重新划分;

使用两种不同的分离技术。

  该模型应用于钛合金的正交切削，采用基于实验的塑性流动曲线，但具有一定的实验不确定性。

  还显示了使用该模型产生的一些结果。可以分析芯片形成过程的细节。剪切带形成从工具尖端开始。在芯片上形成第二变形区域背面，两个地区加入。形成区域进一步变窄，直到变形集中在非常小的剪切带中。剪切带可能随后分裂，这种现象在一些实验中也已观察到。

  已经给出了可能的解释。

  另外，研究了弹性模量和切削速度的影响。弹性模量影响芯片的分割程度。随着流动曲线等温地显示出强烈的最大值，形成分段的芯片如果网格密度足够高，即使在低切割速度下也是如此。

  考虑到输入参数的不确定性，模拟和实验生产芯片之间的一致性是合理的。最重要的是模拟中的分割程度小于实验。这可能是由于使用的塑性流动曲线非常有利于产生剪切带，因此分割的频率增加并且分割程度相应地降低。这可以表明材料失效必须包含在模拟中，但目前尚不清楚。

  出于简单的原因，本研究忽略了对工具的摩擦和热传导。未来的研究将包括这些过程，从而可以研究它们对芯片形成过程的影响。

  必要的改进涉及工具形状，尤其是在纯变形模型的情况下。这里，被动力和工件表面的变形太小，因为没有材料被推到工具下面。该假设一个无限尖锐的工具，并且必须通过增加有限的刀具半径来改善材料进入工具（见图8）。

最后，可以进行参数研究以理解不同材料参数对芯片形成过程的影响。最有趣的变量是塑性流动曲线和热量钛合金的性能。这些研究的结果不仅有助于理解钛合金切割的原因，还可能指出合金的可能改进。