锯齿形切屑形成过程的有限元模拟结果

截取整个锯齿形切屑一个单元发展过程中有代表意义的6个时刻的模拟结果，即a～f时刻，得到其等效应力、应变、切削温度和切削力的模拟仿真结果。这6个时刻分别对应图4-9～图4-11中的a～f图及图4-12、图4-13中的a～f点。

4.3.2.1 等效应变仿真结果

图4-9为锯齿形切屑一个单元发展过程中的等效应变仿真结果。在一个切屑单元形成开始时，最大的等效应变出现在刀尖位置，当到达d、e点时，最大等效应变向第一变形区扩散，第一变形区和刀屑接触面形成两个等效应变很高的区域。此时在剪切面上发生塑性失稳，产生集中的剪切滑移，形成绝热剪切带，并最终形成一个锯齿形切屑单元。

锯齿形切屑形成过程的变形有两部分，第一部分是在绝热剪切带的绝热剪切滑移，这部分变形量很大；另一部分的变形量相对较小，是切屑节段内部塑性变形，使切屑外表面隆起，待切削的平行四边形材料经过切削后梯形化。

图4-9 锯齿形切屑一个单元发展过程中的等效应变仿真结果

4.3.2.2 等效应力仿真结果

图4-10为锯齿形切屑一个单元发展过程中的等效应力分布情况仿真结果。在锯齿形切屑单元形成的最初a、b阶段（图4-10a、b），等效应力的最大值在刀尖区域，并依次向外逐渐减小，分布较均匀；c、d阶段（图4-10c、d），第一变形区出现应力较大区域，在第一变形区的未加工表面一侧，出现最大等效应力，d点时刻发生绝热剪切失稳，第一变形区内的等效应力达到材料的破坏应力，然后产生断裂，如图4-10e所示。此时最大等效应力回到刀尖区域，并继续发生塑性变形，最后形成锯齿形切屑的一个单元（图4-10f）。

4.3.2.3 切削温度仿真结果

图4-11为锯齿形切屑一个单元发展过程中的切削温度分布情况仿真结果。在开始阶段，最大切削温度出现在刀尖区域及其附近的刀屑接触区域，随着切削的进行，第一变形区内温度逐渐升高，在d时刻后，第一变形区靠近刀尖一侧出现切削温度较高区域，随后发生塑性剪切失稳，第一变形区温度有一个下降的过程然后回升，最后形成完整的一节锯齿形切屑。

图4-10 锯齿形切屑一个单元发展过程中的等效应力分布情况仿真结果(www.xing528.com)

4.3.2.4 一个切屑单元形成过程的切削力与切削温度描述

图4-12和图4-13为锯齿形切屑一个单元发展过程中的切削力仿真结果与第一变形区靠近刀尖处的切削温度仿真结果。前一切屑单元在a点时刻呈锯齿状，在b点时刻已完全形成，同时新切屑单元在刀具的作用下开始外表面隆起，产生少量变形；b点时刻与c点时刻之间形成切削力最大区域，在c点时刻，切屑外表面继续隆起，切屑底面在前面上的滑动量较小，使切屑变形为梯形，此单元的切屑形状已基本形成，应力、应变率和温度的最高值均出现在刀尖附近，于是在刀尖处的材料发生软化，并在剪切面上发生了塑性失稳，产生集中的剪切滑移；c点时刻与d点时刻之间切削力迅速下降，在刀具的挤压作用下，已发生滑移的切屑单元继续滑移，d点和e点时刻之间切削力上升，而在e点时刻此单元切屑完全形成，且下一单元切屑的滑移区也已经形成。

图4-11 锯齿形切屑一个单元发展过程中的切削温度分布情况仿真结果

图4-12 锯齿形切屑一个单元发展过程中的切削力仿真结果

图4-13 锯齿形切屑一个单元发展过程中的第一变形区靠近刀尖处的切削温度仿真结果

4.3.2.5 发生剪切失稳时刻仿真结果描述

观察等效应变、等效应力、切削温度和切削力的模拟结果，在d点时刻发生剪切失稳，可看出等效应变、等效应力和温度均在刀尖处具有最高值，此处材料发生软化，使得第一变形区的承载能力下降并发生集中滑移，形成锯齿形切屑单元后，切削力下降。在刀具的挤压作用下，已发生滑移的切屑单元继续滑移，e点时刻后切削力又呈上升趋势。

剪切失稳时刻可以描述为：刀具挤压被切削层，在刀尖处的变形、温度较高，易于形成热软化区。由于热软化区的存在导致切屑根部滑移区的承载面积下降，出现过载，此时发生塑性失稳。