高速切削切屑流动失稳机制和临界判据研究

High speed machining (HSM) is an advanced manufacturing technology which has many advantages such as high removal rate, high surface quality and low cost. It is one of the key and leading problems in impact dynamics. At recent, the mechanisms underlying the HSM are still unclear, significantly impeding the application and development of this advanced manufacturing technology. The formation and evolution of chip flow under high-rate loading are the basic processes of HSM. They are key important for the mechanism research of HSM, which involves several temporal-spatial and thermo-mechanical coupled dynamic processes. This research focuses on the mechanism and criterion of the chip flow instability and transformation. HSM experiments of various typical metallic materials will be carried out over wide range of cutting speed form several mm/s to 200 m/s. The universal law involved in HSM will be summarized and the chip flow instability mechanism will be revealed. And thus, the mechanical model of HSM will be further established to achieve the critical condition and control mechanism for the chip flow instability and transformation. This research will promote the understanding of the dynamic mechanical behavior of metals under coupled thermo-mechanical and complex stress state, and provide key basics for the application and development of HSM technology.

高速切削是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，同时也是冲击动力学的前沿问题之一。目前，高速切削内在机理和相关基础力学问题仍不清楚，严重制约了这一先进制造技术的应用和发展。高应变率加载条件下切屑的形成及流动演化是高速切削加工的基本过程，也是高速切削机理研究的核心问题，其中涉及多个热-力和时-空耦合的动力学过程。本项目重点针对高速切削过程中切屑流动失稳导致形态转变的物理机制和临界判据等核心力学问题开展系统研究。首先针对多种典型金属材料开展切削速度从每秒几毫米到两百米左右的高速切削实验研究，总结高速切削过程的共性规律，揭示切屑失稳转变的力学机理。进一步发展高速切削力学模型，获取切屑失稳转变的临界判据及物理控制机制。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，并为高速切削技术的发展和应用提供关键理论基础。

高速切削是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，同时也是冲击动力学的前沿问题之一。热塑剪切带的涌现及其演化是高速切削的显著特征，是一种典型的力学失稳现象。本项目针对高速切削过程中切屑流动失稳的物理机制和临界判据等核心力学问题开展了系统研究。1. 首先针对五种典型金属工件材料开展了速度涵盖0.001 m/s ~ 210 m/s的高速切削模拟实验，通过其共性规律阐明了切屑由连续状向锯齿状并进一步向不连续片状断屑失稳转变的物理机制，指出锯齿状切屑是由刀具尖端向自由表面扩展的周期性绝热剪切引起的，而不连续片状断屑是剪切带成熟演化的结果；2. 构建了高速切削力学模型，引入了高速切削特有的刀-屑加卸载作用、物质对流作用和惯性作用，基于摄动分析得到了具有明确物理内涵的切屑流动失稳临界判据，可对切屑由连续状向锯齿状的流动失稳做出精确预测；3. 基于量纲分析和数值模拟构建了高速切削热塑性失稳转变临界速度关于加工参数和材料物性的显示表达式，阐明了锯齿状切屑流与湍流之间的相似性；4. 创造性地将剪切带演化理论引入高速切削研究，实现了对锯齿状切屑空间特征的理论预测，揭示出锯齿频率和雷诺热数之间存在普适的标度率关系，该标度率关系适用于任何工件材料和加工参数；5. 基于动量扩散理论建立了锯齿状切屑演化模型，首次实现了对锯齿状切屑向不连续片状断屑转变的理论预测。本项目的研究加深了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，并为高速切削技术的发展和应用提供了必要的理论基础。