基于细观分析的微细切削机理和力学模型研究

微细切削加工是在微细观尺度使用刀具去除材料以获得三维结构的加工方法，具有广泛的应用需求。但在该尺度，金属材料自身的多晶结构、微孔洞、夹杂等造成的非均质性以及尺寸效应都将凸显出来，因此宏观切削的现有结论不能完全适用。本项目综合使用理论分析、数值模拟和试验方法，对微细切削过程的机理和力学模型进行研究，将微细切削视为微细观尺度下非均质材料在高变形速率下产生大变形进而断裂的力学过程，研究重点为：定位于可表征晶粒形态、微观组织的细观尺度，基于金属塑性滑移和可反映材料尺寸效应的应变梯度晶体塑性理论，发展适应于微切削过程的本构关系、断裂判据和微切削数值模拟方法，揭示微切屑形成和分离过程中的机理，探索材料微结构形态、加工参数与加工质量之间的关系，为开展工程化微细切削奠定基础，促进微细观固体力学在工程中的应用。

在微细观尺度，金属材料自身的多晶结构、微孔洞、夹杂等造成的非均质性、尺寸效应都将凸显出来，材料的变形和断裂问题与宏观尺度下存在很大差别。本项目将微细切削视为微细观尺度下非均质材料在高变形速率下的产生大变形进而断裂这一力学过程，综合使用理论分析、数值模拟和试验方法，完成了如下工作：.（1）开展了被研究材料多种形式的力学性能测试和分析工作. 切削过程中金属材料将产生高应变速率的变形。在对切削进行研究时，需要对材料在不同加载模式下的参数进行测试和标定。项目组完成了OFHC纯铜多晶体和单晶体的基本力学性能测试，并利用Hopkinson冲击完成了不同应变速率下的压缩试验，利用获取的实验数据，确定了本构模型中的参数。.（2）开展了4种不同模拟方法的对比研究.探索被切削材料以切屑形式从工件上分离是切削研究的重要方面，项目综合对比了Lagrange方法、CEL方法、ALE方法及SPH方法在切削模拟中的应用能力。Lagrange方法可描述连续型切屑和断续型切屑，可用于瞬态和稳态模拟，但其具有两个缺点：一是切屑分离准则的准确性和有效性，二是大塑性变形和强摩擦导致的网格畸变和收敛性差。而且，这种方法在进行三维旋转切削（类似铣削）模拟时，由于切屑分离面不可能在模型中预先确定，因此难以处理；ALE方法可改善Lagrange方法的网格畸变，但该方法适合研究稳态切削状态，不适用于断续切削和三维旋转切削；CEL方法和SPH方法均为无网格法。这两种方法无需切屑分离准则，不会存在网格畸变导致的收敛性问题，还可模拟三维旋转切削，尽管存在材料模型的扩展、计算速度低、精度问题，但是具有潜力的模拟方法。 .（3）建立了两种切削试验平台，开展了切削的试验研究.项目建立了实施刀具直线运动切削（刨削）和工件旋转运动的切削（车削）两种工艺的试验平台，在平台内，使用三维力传感器测试了切削力的变化，使用高速摄像技术获取了切屑分离过程图像，使用显微镜观测了切削过程中工件表面形貌和刀具微观特征，并进行了对比分析。.（4）研究了不同切削参数和材料结构对切削过程的影响.探索了材料各向异性、局部非均质性对切削过程和切削结果的影响。结果表明，材料各向异性对切屑形态将产生较显著影响。非均质特征（局部材料力学性能差异和局部微空洞）对切屑形态和切削力、切削后的表面质量均有显著影响。最小切削厚度与刀具尖端半径存在适当的比例关系。