金属高速切削机理及相关力学基础理论研究

金属高速切削是冲击动力学和先进制造工艺力学领域的前沿问题之一，核心是工件材料在刀具高速冲击下切屑如何形成与剥离，其中涉及多个尺度的热-力和时-空耦合的动力学过程。目前，高速切削的内在机理以及相关的基础力学问题仍然不清楚，严重制约了这一先进制造技术的应用和发展。本项目针对金属合金材料，发展切削速度从每秒几米到200米左右的高速切削模拟实验技术、理论分析方法与多尺度数值模拟技术，建立高速切削条件下的热力耦合动态本构模型，揭示材料从工件剥离的物理过程、切屑形成及其形态转变机制、切削力和切削温度的变化规律、切削加工表层与切屑材料的微结构与物性演变等，探索Salomon曲线的存在性，阐明涵盖易加工到难加工金属材料高速切削过程的共性控制机理，形成金属高速切削力学理论。本项目的研究将推动人们对热力耦合复杂应力条件下金属材料动态力学行为的认知，并将为高速切削加工技术的发展和应用提供关键理论基础。

金属高速切削是冲击动力学与先进制造力学领域的前沿问题之一，核心是在刀具高速冲击下多余材料如何以切屑的形式与工件分离，其中涉及多个尺度的热力和时空耦合动力学过程。本项目针对金属高速切削的内在机理以及相关的基础力学问题，从实验平台建设、理论建模分析到多尺度数值模拟，开展了系统深入的研究。取得的主要成果包括：（1）建立了目前国际上切削速度范围跨度最广的高速切削模拟实验平台，并实现了切削温度、切削力和变形场的在位瞬态测量；（2）针对从易加工到难加工的典型金属材料开展了系统的高速切削实验，全面揭示了切屑形态与结构、工件表面质量、切削温度、切削力和变形场随着切削速度演化的普遍规律；（3）建立了金属高速切削的力学理论模型，得到了切屑锯齿状流动的涌现条件和普适标度律，理论预测了锯齿切屑的特征间距，揭示了锯齿切屑向不连续断屑的转变机制；（4）通过发展高速约束切削实验技术，实现了对锯齿状切屑形态、微结构，工件表面质量以及系统动力学的有效控制；（5）建立了约束条件下金属高速切削的力学理论模型，得到了抑制锯齿状切屑形成、系统动力学失稳分叉等的控制条件；（6）基于分子动力学、相场有限元、物质点与边界元耦合等方法，从多个尺度实现了对金属高速切削过程的数值模拟，重现了实验中观察到的多个物理现象。本项目研究基本建立起金属高速切削的力学理论，初步证实了作为高速切削核心的Salomon假说，为高速切削加工技术的发展和应用提供关键理论基础。