本发明涉及固体力学和高速切削交叉技术领域，公开了一种超高应变率的金属材料力学性能测试方法。该测试方法首先搭建高速直角切削实验平台，准备实验；进行变切削参数的直角切削实验，得到不同切削参数下的切屑，并获得主切削力FC、进给抗力FT和刀具测量点温度Tc；将得到的切屑进行分组镶嵌，并分别进行研磨抛光处理，同时配制腐蚀溶液进行腐蚀处理后，在显微镜下观测其切屑厚度a0和剪切滑移距△x；建立基于剪切滑移距△x的高速直角切削模型，表征实验工件的力学性能；采用热导反求法，求得刀‑屑接触界面温度TAP；采用切削物理仿真方法，获得高速切削剪切滑移区的变形温度TAB；最终实现对金属超高应变率下的剪切应力、应变、应变率和变形温度的表征。本发明的方法简单、可靠也易于实现。
1.一种超高应变率的金属材料力学性能测试方法，其特征在于：该测试方法具体包括：步骤S1：搭建高速直角切削实验平台，准备实验工件(1)并将其放置在所述实验平台上；
步骤S2：在所述实验平台上，对实验工件(1)进行变切削参数的直角切削实验，即分别改变切削速度和进给量，得到不同切削参数下的切屑(5)，并获得主切削力FC、进给抗力FT和刀具(2)测量点温度Tc；
步骤S3：将步骤S2得到的切屑(5)进行分组镶嵌，并分别进行研磨抛光处理；同时配制所述实验工件(1)材料对应的腐蚀溶液，并对抛光研磨后的切屑(5)进行腐蚀处理后，在显微镜下观测其切屑(5)厚度a0和剪切滑移距△x；
步骤S4：建立基于剪切滑移距△x的高速直角切削模型；
步骤S5：根据步骤S2获得的主切削力FC和进给抗力FT、以及步骤S3获得的切屑(5)厚度a0和剪切滑移距△x，并结合步骤S4的切削模型，表征实验工件(1)的力学性能；
步骤S6：采用热导反求法，获得稳定时间点的刀具(2)测量点温度Tc与刀-屑界面温度的对应关系，求得前刀面温度TAP；
步骤S7：采用切削物理仿真方法，仿真得到切削稳定状态下前刀面温度TAP与剪切区温度之间的对应关系，并获得高速切削剪切滑移区的变形温度TAB。
2.根据权利要求1所述的超高应变率的金属材料力学性能测试方法，其特征在于：所述步骤S3中，具体包括如下：步骤S31：将得到的切屑(5)按进给量进行分组，并采用环氧树脂作为介质分别进行镶嵌，镶嵌时将切屑(5)的侧面与待观察面垂直；
步骤S32：将步骤S31中所制样本的待观察面在抛光机上进行粗研磨，直至切屑(5)纵截面完全露出，然后半精研磨和丝绒抛光，达到镜面的效果；
步骤S33：将步骤S32得到的切屑(5)样本放入腐蚀药水中腐蚀至设定时间，用蒸馏水冲洗干净，并烘干；
步骤S34：在显微镜下观测腐蚀后切削样本的切屑(5)厚度a0和剪切滑移距△x。
3.根据权利要求1或2所述的超高应变率的金属材料力学性能测试方法，其特征在于：所述步骤S5中，切削模型分别包括如下：
剪切角：φ＝atan[(accosγ0)/(a0-acsinγ0)] (a)，其中a0为切屑(5)厚度，ac为切削厚度，为已知值，γ0为刀具(2)前角；
剪切应力：τAB＝(FCcosφ-FTsinφ)sinφ/(acaw)(b)，其中aw为切削宽度；
剪切应变：γAB＝cosγ0/[sinφcos(φ-γ0)] (c)；
剪切应变率：γ′AB＝Vcosγ0/[Δxcos(φ-γ0)] (d)，其中V为切削速度。
4.根据权利要求3所述的超高应变率的金属材料力学性能测试方法，其特征在于：所述表征实验工件(1)的力学性能，具体包括：步骤S51：将步骤S3得到的切屑(5)厚度a0，代入计算公式(a)中，获得剪切角Φ随切削速度的变化趋势；
步骤S52：步骤S2中得到的主切削力FC和进给抗力FT、及步骤S51中计算求得的剪切角Φ，代入计算公式(b)中，获得剪切应力随切削速度的变化趋势；
步骤S53：由步骤S51中计算求得的剪切角Φ，代入公式(c)中，获得剪切应变随切削速度的变化趋势；
步骤S54：由步骤S3得到的剪切滑移距△x及步骤S51中计算求得的剪切角Φ，带入公式(d)中，获得剪切应变率随切削速度的变化趋势。
5.根据权利要求1所述的超高应变率的金属材料力学性能测试方法，其特征在于：所述步骤S6中，利用Ansys Workbench软件，在其热分析环境中导入刀具(2)的三维模型，并使用热导反求法，获得稳定时间点对应的刀具(2)测量点温度TC与刀-屑接触界面温度TAP的对应关系，两者之间对应曲线成线性关系，采用线性函数予以拟合，从而求得刀-屑接触界面温度TAP。
6.根据权利要求1所述的超高应变率的金属材料力学性能测试方法，其特征在于：所述步骤S7中，在Advantedge FEM中建立切削热传导模型，采用切削物理仿真方法，仿真得到切削稳定状态下刀-屑接触界面温度TAP与剪切区温度TAB之间的对应关系。
7.根据权利要求6所述的超高应变率的金属材料力学性能测试方法，其特征在于：所述刀-屑接触界面温度TAP与剪切区温度TAB之间的对应关系，不同切削参数下，两者之间的对应曲线不同，并且二者之间的对应曲线成非线性关系，采用多项式函数拟合对应曲线，从而得到剪切区温度TAB。
一种超高应变率的金属材料力学性能测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及固体力学和高速切削交叉技术领域，更具体的说，特别涉及一种超高应变率的金属材料力学性能测试方法。
背景技术
[0002] 在机械加工高效率、高精度、高柔性和绿色化的发展趋势下，高速切削加工技术逐渐成为除料加工方式中的一种主流先进制造技术。它以其高效率、高质量和低成本等优势，得到工业界越来越广泛的应用，并将带动整个制造业的进步和效益的提高。
[0003] 技术实现与广泛应用促进了人们对高速切削机理的深入研究，同时技术实现也为高速切削机理研究提供了物质基础和实验条件。高速切削中变形是高速切削的两大基础行为之一，一直以来是切削机理研究的重点。
[0004] 金属材料在高速切削过程中的变形是一种属于大应变、超高应变率范畴的塑性变形行为。常规的材料试验方法，如分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验、撞击板、拉伸杆、爆炸4
缸等试验方法，能够提供低应变、高应变率(1～10 /s)情况下的应变效应、应变率效应以及热效应曲线。但所得结果不能完整描述，高速切削过程的材料塑性变形。因此，为获得超高应变率(105～107/s)的金属材料力学性能，需采用其他有效方法。
发明内容
[0005] 本发明目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种超高应变率的金属材料力学性能测试方法，解决了金属在超高应变率范围内的力学性能测试困难的问题，与快速落刀实验必须获得切屑根部样本相比，高速直角切削的方法降低了实验难度，方法简单、可靠也易于实现。
[0006] 为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：
[0007] 一种超高应变率的金属材料力学性能测试方法，该测试方法具体包括：
[0008] 步骤S1：搭建高速直角切削实验平台，准备实验工件并将其放置在所述实验平台上；
[0009] 步骤S2：在所述实验平台上，对实验工件进行变切削参数的直角切削实验，即分别改变切削速度和进给量，得到不同切削参数下的切屑，并获得主切削力FC、进给抗力FT和刀具测量点温度Tc；
[0010] 步骤S3：将步骤S2得到的切屑进行分组镶嵌，并分别进行研磨抛光处理；同时配制所述实验工件材料对应的腐蚀溶液，并对抛光研磨后的切屑进行腐蚀处理后，在显微镜下观测其切屑厚度a0和剪切滑移距△x；
[0011] 步骤S4：建立基于剪切滑移距△x的高速直角切削模型；
[0012] 步骤S5：根据步骤S2获得的主切削力FC和进给抗力FT、以及步骤S3获得的切屑厚度a0和剪切滑移距△x，并结合步骤S4的切削模型，表征实验工件的力学性能；
[0013] 步骤S6：采用热导反求法，获得稳定时间点的刀具测量点温度Tc与刀-屑界面温度的对应关系，求得刀-屑接触界面温度TAP；
[0014] 步骤S7：采用切削物理仿真方法，仿真得到切削稳定状态下刀-屑接触界面温度TAP与剪切区温度之间的对应关系，并获得高速切削剪切滑移区的变形温度TAB。
[0015] 所述步骤S3中，具体包括如下：
[0016] 步骤S31：将得到的切屑按进给量进行分组，并采用环氧树脂作为介质分别进行镶嵌，镶嵌时将切屑的侧面与待观察面垂直；
[0017] 步骤S32：将步骤S31中所制样本的待观察面在抛光机上进行粗研磨，直至切屑纵截面完全露出，然后半精研磨和丝绒抛光，达到镜面的效果；
[0018] 步骤S33：将步骤S32得到的切屑样本放入腐蚀药水中腐蚀至设定时间，用蒸馏水冲洗干净，并烘干；
[0019] 步骤S34：在显微镜下观测腐蚀后切削样本的切屑厚度a0和剪切滑移距△x。
[0020] 所述步骤S5中，切削模型分别包括如下：
[0021] 剪切角：φ＝atan[(accosγ0)/(a0-acsinγ0)](a)，其中a0为切屑厚度，ac为切削厚度，为已知值，γ0为刀具前角；
[0022] 剪切应力：τAB＝(FCcosφ-FTsinφ)sinφ/(acaw)(b)，其中aw为切削宽度；
[0023] 剪切应变：γAB＝cosγ0/[sinφcos(φ-γ0)](c)；
[0024] 剪切应变率：γ′AB＝Vcosγ0/[Δxcos(φ-γ0)](d)，其中V为切削速度。
[0025] 所述表征实验工件的力学性能，具体包括：
[0026] 步骤S51：将步骤S3得到的切屑厚度a0，代入计算公式(a)中，获得剪切角Φ随切削速度的变化趋势；
[0027] 步骤S52：步骤S2中得到的主切削力FC和进给抗力FT、及步骤S51中计算求得的剪切角Φ，代入计算公式(b)中，获得剪切应力随切削速度的变化趋势；
[0028] 步骤S53：由步骤S51中计算求得的剪切角Φ，代入公式(c)中，获得剪切应变随切削速度的变化趋势；
[0029] 步骤S54：由步骤S3得到的剪切滑移距△x及步骤S51中计算求得的剪切角Φ，带入公式(d)中，获得剪切应变率随切削速度的变化趋势。
[0030] 所述步骤S6中，利用Ansys Workbench软件，在其热分析环境中导入刀具的三维模型，并使用热导反求法，获得稳定时间点对应的刀具测量点温度TC与刀-屑接触界面温度TAP的对应关系，两者之间对应曲线成线性关系，采用线性函数予以拟合，从而求得刀-屑接触界面温度TAP。
[0031] 所述步骤S7中，在Advantedge FEM中建立切削热传导模型，采用切削物理仿真方法，仿真得到切削稳定状态下刀-屑接触界面温度TAP与剪切区温度TAB之间的对应关系。
[0032] 所述刀-屑接触界面温度TAP与剪切区温度TAB之间的对应关系，不同切削参数下，两者之间的对应曲线不同，并且二者之间的对应曲线成非线性关系，采用多项式函数拟合对应曲线，从而得到剪切区温度TAB。
[0033] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0034] 本发明中解决了金属在超高应变率范围内的力学性能测试困难的问题，与快速落刀实验必须获得切屑根部样本相比，高速直角切削的方法降低了实验难度，在保证测试精确的同时，对计算模型进行基于剪切滑移距△x的优化，由于剪切滑移距△x便于从切屑中获得，降低了对实验设备的技术要求，围绕高速切削加工中常见的车床为实验平台，使实验操作更简单易行，整个测试方法也可靠且易于实现。
附图说明
[0035] 图1为本发明超高应变率的金属材料力学性能测试方法的流程图。
[0036] 图2为本发明直角切削实验原理图。
[0037] 图3为本发明布置热电偶的微孔位置示意图。
[0038] 图4为本发明主切削力测量数据。
[0039] 图5为本发明进给抗力测量数据。
[0040] 图6为本发明切屑厚度测量数据。
[0041] 图7为本发明剪切滑移距测量数据。
[0042] 图8为本发明直角切削的剪切区变形模型图。
[0043] 图9为本发明剪切角随切削速度变化趋势。
[0044] 图10为本发明剪切应力随切削速度变化趋势。
[0045] 图11为本发明剪切应变随切削速度变化趋势。
[0046] 图12为本发明剪切应变率随切削速度变化趋势。
[0047] 图13为本发明刀-屑接触面(第二变形区)温度随切削速度变化趋势。
[0048] 图14为本发明剪切区(第一变形区)温度随切削速度变化趋势。
[0049] 其中：1—实验工件、2—刀具、3—刀杆、4—测温小孔、5—切屑。
具体实施方式
[0050] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。
[0051] 除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0052] 参阅图1所示，本发明提供的一种超高应变率的金属材料力学性能测试方法，该测试方法具体包括：
[0053] 步骤S1：搭建高速直角切削实验平台，根据实验目的及实验条件准备实验工件1并将其放置在所述实验平台上；
[0054] 本发明采用实验工件1的外径为80～125mm，根据具体车床可夹持范围进行选择，选用的壁厚为4～6mm，长度为150～180mm。本实施例选用的材料为4根镍白铜B10材料金属管，其外径为122mm，壁厚为4mm，长度为150mm，如图2所示。
[0055] 所述实验平台包括车床、刀具2、实验工件1、测力系统和测温系统，本实施例中，选用主偏角为0°的YG6硬质合金材料刀具2，其刀杆3连接在Kistler 9257测力仪上。同时，在刀具2切削刃附近布置K型热电偶对切削温度进行测定，如图3所示，测温深孔采用电火花加工方法来实现。
[0056] 本实施例中，选用DMG-NEF 400车床进行直角切削实验，机床最高转速为4000rpm，最大工件回转直径为350mm，测力仪通过转角工装连接到机床上。
[0057] 步骤S2：在步骤S1搭建好的实验平台上，对实验工件1进行变切削参数的直角切削实验，即分别改变切削速度和进给量，得到不同切削参数下的切屑5，并获得主切削力FC、进给抗力FT和刀具2测量点温度Tc；本实施例中，所述切削参数包括如下：
[0058] ①实验工件1切削直径为120mm，切削宽度为4mm；
[0059] ②进给量为0.05mm/r、0.08mm/r、0.11mm/r；
[0060] ③在200～1400m/min较高切削速度下，进行直角切削实验，根据切削速度不同分为9组实验，测定待测镍白铜B10在高速下的主切削力FC(如图4所示)、进给抗力FT(如图5所示)和刀具2测量点温度Tc。
[0061] 步骤S3：将步骤S2得到的切屑5分组镶嵌，并进行研磨抛光处理；同时配制所述实验工件1材料对应的腐蚀溶液，并对研磨抛光的切屑5进行腐蚀处理后，在显微镜下观测其切屑5厚度a0和剪切滑移距△x，具体包括如下：
[0062] 步骤S31：将得到的切屑5按进给量进行分组，并采用环氧树脂作为介质进行镶嵌，镶嵌时将切屑5的侧面与待观察面垂直；本步骤中，其分为3组。
[0063] 步骤S32：将步骤S31中所制样本的待观察面在抛光机上进行粗研磨，直至切屑5纵截面完全露出；然后半精研磨和丝绒抛光，达到镜面的效果，当在显微镜下已经不能看到半精研磨的划痕方可达标；本步骤中，采用的抛光机为Struers-TegraForce-5金相抛光机，并采用200#砂纸进行粗研磨，依次使用400#、800#、1000#砂纸进行半精研磨，最终使用W5、W3研磨膏进行抛光。
[0064] 步骤S33：将步骤S32得到的切屑5样本放入腐蚀药水中腐蚀至设定时间(30s)，用蒸馏水冲洗干净，并烘干；本步骤中，选用30％浓度的双氧水和98％浓度的浓硫酸以21：1的比例配制腐蚀药水；
[0065] 步骤S34：在显微镜下观测腐蚀后切削样本的切屑5厚度a0和剪切滑移距△x，结果如图6和图7所示；本步骤中，所述显微镜为OLYMPUS-BX60显微镜。
[0066] 步骤S4：建立基于剪切滑移距△x的高速直角切削模型，得到的切削模型参阅图8所示，分别包括如下：
[0067] 剪切角：φ＝atan[(accosγ0)/(a0-acsinγ0)](a)，其中a0为切屑5厚度，ac为切削厚度，为已知值，γ0为刀具2前角，本实施例中为0°；
[0068] 剪切应力：τAB＝(FCcosφ-FTsinφ)sinφ/(acaw)(b)，其中aw为切削宽度；
[0069] 剪切应变：γAB＝cosγ0/[sinφcos(φ-γ0)](c)；
[0070] 剪切应变率：γ′AB＝V cosγ0/[Δxcos(φ-γ0)](d)，其中V为切削速度。
[0071] 步骤S5：根据步骤S2获得的主切削力FC和进给抗力FT、以及步骤S3获得的切屑5厚度a0和剪切滑移距△x，结合步骤S4的切削模型，表征待测镍白铜B10材料的力学性能，具体包括：
[0072] 步骤S51：将步骤S3得到的切屑5厚度a0，代入计算公式(a)中，获得剪切角Φ随切削速度变化趋势，如图9所示；
[0073] 步骤S52：将步骤S2中得到的主切削力FC和进给抗力FT、及步骤S51中计算求得的剪切角Φ，代入计算公式(b)中，获得剪切应力随切削速度变化的趋势，如图10所示；
[0074] 步骤S53：由步骤S51中计算求得的剪切角Φ，代入公式(c)中，获得剪切应变随切削速度变化的趋势，如图11所示；
[0075] 步骤S54：由步骤S3得到的剪切滑移距△x及步骤S51中计算求得的剪切角Φ，带入公式(d)中，获得剪切应变率随切削速度变化的趋势，如图12所示。
[0076] 步骤S6：采用热导反求法，获得稳定时间点的刀具2测量点温度Tc与刀-屑界面温度(第二变形区温度)的对应关系，求得刀-屑接触界面温度TAP；
[0077] 本步骤中，利用Ansys Workbench软件，在其热分析环境中导入刀具2的三维模型，并使用热导反求法，获得稳定时间点对应的刀具2测量点温度TC与刀-屑接触界面温度(第二变形区温度)TAP的对应关系，呈线性关系，相应表达式为TAP＝1.79TC-17.31，求得刀-屑接触界面温度TAP，如图13所示。
[0078] 其中实验工件1材料为镍白铜B10，其导热系数为40W/m2℃、比热为380J/Kg℃、密3 2
度为8690Kg/m ；刀具2材料为硬质合金，其导热系数为71W/m ℃、比热为452J/Kg℃、密度为
15600Kg/m3；刀杆3材料为工具钢，其导热系数为70W/m2℃、比热为419J/Kg℃、密度为
7800Kg/m3。选择热-瞬态方式，设置初始参考温度20℃，并在前刀面上加载切削温度，其他面上加载空气对流载荷，此时的切削温度定义为平均温度。
[0079] 步骤S7：采用切削物理仿真方法，仿真得到切削稳定状态下刀-屑接触界面温度TAP与剪切区温度(第一变形区的温度)之间的对应关系，并获得高速切削剪切滑移区变形温度TAB；
[0080] 本步骤中，在Advantedge FEM中建立切削热传导模型，采用切削物理仿真方法，仿真得到切削稳定状态下，获得刀-屑接触界面温度TAP与剪切区温度(第一变形区的温度)TAB之间的对应关系，不同切削参数下，两者之间的对应曲线不同，并且二者之间的对应曲线成非线性关系，采用多项式函数拟合对应曲线：
[0081] 当进给量f＝0.05mm/r时，
[0082] y＝-2.90×10-4x+2.16×10-7x2-8.40×10-11x3；
[0083] 当进给量f＝0.08mm/r时，
[0084] y＝-1.85×10-4x+1.23×10-7x2-4.72×10-11x3；
[0085] 当进给量f＝0.11mm/r时，
[0086] y＝-6.19×10-4x+5×10-7x2-1.59×10-10x3；
[0087] 其中，x为TAP，y为TAB。
[0088] 上述中，实验工件1材料为自定义镍白铜B10，热膨胀系数1.62E-5/℃，弹性模量1.25E+11Pa，泊松比0.3，输入材料本构方程，实验工件1尺寸为5mm×1mm；刀具2前角0°，后角7°，切削刃半径0.02mm，材料选用硬质合金，前刀面长度和后刀面长度均为2mm；最小划分网格为0.005mm，摩擦系数采用软件默认参数。
[0089] 最终获得镍白铜B10高速切削剪切区温度TAB随切削速度变化趋势，即为镍白铜B10材料的变形温度，如图14所示。
[0090] 综上，可以实现对金属材料力学性能(剪切应力、剪切应变、剪切应变率和剪切变形温度)的表征。
[0091] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
