[发明专利]一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法

说明书

本发明提供一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法，其包括如下步骤，步骤1，利用高速摄像机经光学系统连续拍摄得到高速铣削过程中的应力波传播轨迹；步骤2，对步骤1中的高速铣削过程进行仿真，得到切削材料在整个高速铣削过程中的应力分布结果；步骤3，根据平面应力状态下应力波波速的理论计算公式，得到应力波纵波与横波在切削材料中的传播速度，并结合应力波传播轨迹，得到高速铣削过程中应力波纵波与横波的波阵面位置信息及在切削材料中的作用区域；步骤4，根据步骤2得到的应力分布结果，结合步骤3纵波与横波波阵面在切削材料中的作用区域，分析得到刀片撞击切削材料瞬间，产生的应力波传播、反射及迭加形成复合应力波效应的过程。

技术领域

本发明涉及机械工程中的高速加工，具体为一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法。

背景技术

高速切削技术在大幅度提高加工效率的同时切削力也得到下降，且大部分切削热被切屑带走，能提高刀具寿命和工件表面质量，成为一些大型薄壁件、发动机叶片等零件加工的迫切需求。但与传统速度的切削加工相比，高速切削过程中呈现出了许多无法利用传统的剪切滑移理论解释的特殊现象：如切削力减小，但伴随着高频周期波动；切屑锯齿化，甚至单元崩碎等。为使高速切削技术更好的发展，高速切削机理值得深入研究。

当高速切削时，局部材料区域应变高达8～10，应变率高达10⁶/s，甚至更高；刀具冲击材料(尤其是多齿铣削)的载荷作用时间极短，在这样的动载荷条件下，材料介质微元体处于随时间迅速变化着的动态过程中，材料介质的惯性效应突显，不得不考虑应力波的作用。此外，在微-介观尺度下，由于(多晶)材料的晶粒取向、晶界强度差异以及组织缺陷等使得材料表现出微观不均匀性，这对应力的传播会造成巨大影响，同时这种不均匀性会在应力波冲击的作用下成倍放大，使材料力学性能发生很大变化。因此高速铣削过程的应力波效应不容忽视，分析刀具冲击材料产生的应力波传播过程成为研究应力波对材料作用的前提，为研究高速切削机理奠定基础。

目前，检测一般性应力波的通用方法有电测法和动态光弹性法，前者通过在材料中特定位置安装应变仪检测应变变化的大小和时间来推导应力波的传播过程，该方法前期准备过程繁琐，且需要专用设备，不能直观、简单的得到全场范围内的应力波传播轨迹；后者多采用平行光投射式偏振光光学系统，用于冲击动力学应力波问题研究，但由于光学系统结构的限制，难以用于高速铣削过程中的应力波传播过程的拍摄。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法，操作方便，分析简单，能够深入研究刀片撞击材料瞬间产生的切削应力波传播、反射及迭加过程。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高速铣削过程中应力波效应的分析方法，包括如下步骤，

步骤1，利用高速摄像机经光学系统连续拍摄高速铣削过程中的应力条纹从刀具前刀面到切削材料内部的传播过程，得到高速铣削过程中的应力波传播轨迹；

步骤2，对步骤1中的高速铣削过程进行仿真，利用离散元法对高速铣削过程中切削材料的应力进行数值计算，得到切削材料在整个高速铣削过程中的应力分布结果；

步骤3，根据平面应力状态下应力波波速的理论计算公式：

计算得到应力波纵波与横波在切削材料中的传播速度，并结合步骤1得到的应力波传播轨迹，得到高速铣削过程中应力波纵波与横波的波阵面位置信息及在切削材料中的作用区域；

步骤4，根据步骤2得到的应力分布结果，结合步骤3纵波与横波波阵面在切削材料中的作用区域，分析得到刀片撞击切削材料瞬间，产生的应力波传播、反射及迭加形成复合应力波效应的过程。