刀具与工件粗糙表面间微凸体的切削过程研究

The friction and wear behavior of micro cutting asperities between random rough surfaces strongly affect the stability quality of the micro cutting product. In this project, the digital characterization and reconstruction of the rough surface is realized by combining the numerical simulation and experiment. And the relationship between adhesive contact and rough contact is established by using multi-scalar techniques, such as domain decomposition method and the coupling method between molecular dynamics and the finite element. Then the micro cutting model for the rough surfaces between tool and workpiece is established. This tribo-dynamic model consider the analysis of the asperity interaction, time-variant rough surface, the elasto-plastic deformation of material, and the structural effect of the real cutting components. The distribution of the real contact region and size, stress and strain of tool and workpiece, temperature，adhesive region after every time of cutting and separation is analyzed dynamically. And the relationship among the dynamic cutting force, cutting chatter ,tool wear,cutting heat, adhesion characteristic and the random rough surface during the single /multiple cutting process is analyzed. The variation of the structual parameters of rough surface during cuting and seperation process is summeried, the tool edge radius effect, workpiece strain gradient effect, material properties and so on impact on the chip forming mechanism are explored. These achievements are expected to play an important role in the micro tribology, and are of significance to developing micro cutting processing advanced theory and technology of improving the quality stability of the micro parts.

微切削技术被誉为21世纪十大关键技术之首，而微凸体在切削过程的磨损动态性能决定了微切削加工的稳定性。本项目以提高微切削加工零件的制造精度和表面质量为目标，提出采用分子动力学和有限元法相耦合的数值仿真模型来分析微切削过程的研究思路，揭示微切削过程刀具与工件磨损的影响因素；采用实验与数值仿真相结合的方法，建立刀具和工件间随机双粗糙面的微切削模型，考虑微凸体间相互作用、粗糙面时变性、弹塑性变形以及实际切削构件结构影响等；研究微切削过程中切削工艺参数对实际接触区域、工件及刀具应力、应变、粘着区域、温度等的影响规律；研究微切削过程中各种动态影响因素，如动态切削力、颤振、刀具磨损、切削热、粘着特性等对零件表面质量的影响规律和控制方法，总结切削后工件表面轮廓结构参数的变化规律。研究结果将有助于为微切削加工工艺研究与应用提供重要的理论依据和应用价值，也将丰富微观摩擦学的基础理论。

在超精密加工中，特别是进行微纳米级加工时，加工发生在很小的区域，工作过程中的能量分配、已加工表面的形成、材料的去除、脆/塑性机理转变过程以及加工过程中的物理现象、基本规律等都和常规加工存在巨大差别。. 本项目以提高微纳米切削加工零件的制造精度和表面质量为目标，采用分子动力学和有限元法相耦合的数值仿真模型来分析微纳米切削过程的研究思路，揭示切削过程刀具与工件磨损的影响因素。主要研究内容及结果如下：. a、获得初始随机粗糙表面以及因切屑分离而发生变化的接触粗糙面的数字化表征，建立切削后表面粗糙度与粗糙面结构特征尺寸参数、粘着力等的变化关系；. b、建立刀具与工件间的微切削接触模型，获得弹塑性变形下，切削过程中力与位移之间非线性关系的半解析模型，研究了切削刃钝圆半径对切屑形成过程的影响。发现切削进入稳定阶段后，材料表层的位移矢量会出现明显的分化，由分化的方向可以确定出分流点的位置；随着切削刃钝圆半径的减小，刀具的犁耕作用越来越明显；在达到最小切削厚度后，切屑并不会在切削一开始就形成，而需要经过一个短暂的材料堆积过程，堆积的高度与分流点高度相关；. c、建立基于分子动力学的刀具/工件间切削接触模型，分析切削过程中接触粗糙面的表面轮廓结构参数的变化规律及不同粗糙度对切屑形成的影响，找出不同粗糙度下最小切削厚度大小，及其不同切削速度、每次切削接触时真实接触区域、大小、刀具尖端应力、应变、温度等的分布规律及对切削过程中产生的粘着力、摩擦系数等的影响规律。改变材料晶格特性，分析其对微切削过程中磨损动态接触特性的影响。探讨刀刃圆弧半径效应、工件应变梯度效应、材料特性、表面粗糙度等对切屑成形机理的影响。. 微纳米级切削研究不但对实现超精密切削有重要意义，还可以揭示加工过程中的材料去除过程和加工表面的形成机理，对国防、航天航空、电子等高尖端技术的发展有极其重要的指导意义，并能够带来巨大的社会和经济效益。