基于多时空力-热耦合作用的高速切削锯齿形切屑形成机制及其对刀具磨损的影响规律

In order to provide theoretical basis for accurate design of cutting tools and decision of the machining technics of high-speed cutting, this project takes typical difficult - to - cut materials, titanium alloys and the hardened die steel, high-speed cutting technology as studying object, uses multidisciplinary theory and advanced hardware and software supporting technologies, centers on the effect mechanism of multiple space-time mechanical-thermal coupling field formed by high-speed cutting deformation behavior and tribological behavior, develops high-speed cutting serrated chip formation mechanism and tool wear effects of research under the action of multiple space-time mechanical-thermal coupling field, builds and develops the basic theory of high-speed cutting serrated chip formation mechanism, and controlling the theory and methods of friction, wear and tear of high-speed cutting tool effectively. This project main researches multiple space-time mechanical-thermal coupling mechanism of high-speed cutting , establishes the mechanical-thermal coupling field of space-time distribution mathematical model. Study chip formation kinetics behavior of high-speed cutting under the action of multiple space-time mechanical-thermal coupling field, explores material failure mechanism of micro crack growth and stress wave resonant ,and reveals the serrated chip formation mechanism and its effects on the cutting edge plastic deformation and brittle breakage. Researches tool - chip-work interface contact and tribological behavior, reveals the tool wear mechanism under the action of multiple space-time mechanical-thermal coupling field, and establishes the tribology control model cutting and tool life prediction model of high-speed cutting.

以典型难加工材料钛合金和淬硬模具钢高速切削技术为研究对象，运用多学科交叉理论和先进的软硬件支撑技术，围绕着由高速切削变形行为和高速切削摩擦学行为形成的多时空力-热耦合场作用机制，开展多时空力-热耦合场作用下的高速切削锯齿形切屑形成机制及其对刀具磨损影响规律研究，建立和发展高速切削锯齿形切屑形成机理的基础理论，以及有效控制高速切削刀具摩擦、磨损和破损的理论和方法，为高速切削刀具精准化设计和加工工艺制订提供理论依据。主要研究高速切削过程多时空力-热耦合作用机制，建立力-热耦合场的时空分布数学模型；研究多时空力-热耦合场作用下高速切削切屑形成动力学行为，探索微裂纹扩展与应力波谐振的材料破坏机制，揭示锯齿形切屑形成机理及其对刀具切削刃塑性变形与脆性破损的影响规律；研究刀具-切屑-工件界面的接触与摩擦学行为，揭示多时空力-热耦合场作用下的刀具的磨损机制，建立高速切削摩擦学控制模型和刀具寿命预报模型。

课题以钛合金、高强度钢、高温合金和CFRP等典型难加工材料切削加工技术为研究对象，运用多学科交叉理论和先进的软硬件支撑技术，围绕着由高速切削变形行为和高速切削摩擦学行为形成的多时空力-热耦合场作用机制，开展多时空力-热耦合场作用下的高速切削切屑形成机制及其刀具磨损影响规律研究，建立和发展高速切削切屑形成机理的基础理论，以及有效控制高速切削刀具摩擦、磨损和破损的理论和方法。主要研究内容：（1）发明了一种用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，构建了典型难加工材料的粘弹性Johnson-Cook本构模型，采用Abaqus和AdvantEdge等软件仿真了难加工材料的高速切削过程，研究了多时空力-热耦合场作用机制，建立了多种难加工材料的切削力预测模型，并优化了难加工材料的切削参数，制定了典型零件的加工工艺，研究了钻削参数对钛合金孔质量的表面粗糙度的影响, 为难加工材料切削参数的选择和典型零件加工工艺的优化提供参考；（2）研究了切削参数、刀具材料和刀具磨损对锯齿形切屑形成的影响，并从切屑自由表面、后表面和横截面研究了切屑的形态特征，揭示了锯齿形切屑对刀具磨损的影响，为高速切削过程多时空力-热耦合作用下锯齿形切屑的形成提供理论基础；（3）研究刀-屑界面的接触和摩擦的非线性特征，尝试使用剪切应力来表征粘结的刀-屑界面特征，建立了刀屑接触长度的预测模型及刀屑接触长度与锯齿形切屑节距之间的关系，为刀-屑接触界面的接触长度和摩擦学行为的研究提供研究基础，同时研究了钻头切削刃形对CFRP层合板钻削性能和制孔质量的影响，优化了麻花钻的几何结构；（4）研究了一系列切削速度下金属陶瓷刀具铣削淬硬3Cr13Cu的失效过程，探索刀具失效过程中刀具表面微裂纹的扩展速率，并对比研究了硬质合金刀具和金属陶瓷刀具铣削淬硬3Cr13Cu的刀具磨损，开发了TiCN基梯度功能金属陶瓷刀具，为难加工材料切削刀具结构设计和刀具材料开发提供理论参考。