基于“热-力-相变”耦合机理的精密切削表面残余应力建模

残余应力建模是精密切削/磨削领域的重要基本科学问题之一，准确控制切削表层/次表层残余应力廓形是高效强化表面疲劳性能的重要技术途径。本课题针对淬硬钢、钛合金等难加工材料，探索基于"热-力-相变"多场耦合机理的残余应力建模新方法。拟综合利用高速切削理论，表面强化机理和微观测试技术，结合相变理论、位错密度演化模型，再结晶动力学等，对切削力、切削温度和材料相变进行宏-微观耦合作用建模，以克服J-C本构方程不能体现应变-应变率-温度耦合作用，不能反映材料微观组织演变等对材料性能影响的不足。并将"热-力-相变"的耦合模型、"应力、温度"广义载荷的滚动-滑动接触混合算法、工件-刀具-切屑摩擦关系等物理约束引入残余应力建模中，着重从理论层面建立高速精密切削表面残余应力的数学物理模型，提高残余应力预测精度和效率；基于参数敏感度分析、残余拉/压应力转换机制、残余应力解耦算法等，探索控制残余应力的科学原理和方法

该项目系统研究了钛合金、铝合金、淬硬钢、镍基合金在高速切削过程中的切削力(机械应力)、切削热（热应力）和材料物理性能改变（材料相变）对加工表面残余应力的影响机制，探究出切削过程多尺度有限元建模和切削表面物理性能的表达方法，探索出材料相变机制对钛合金高速切削时的锯齿形切屑绝热剪切带的形成、断裂过程和表面残余应力形成过程的影响机理。基于材料自洽方法，构建了钛合金（Ti-6Al-4V）耦合相变机理新的材料本构方程和断裂失效准则，并将其应用于高速切削残余应力的有限元仿真计算模型中，实现了切屑形态、断裂过程和残余应力的准确预测。采用McDowell混合算法, 深入研究了微量润滑切削条件、低温切削条件、干式切削条件下残余应力的解析建模方法，并对这些切削状态进行了理论建模和实验测试，实现了基于解析模型微量润滑条件下高速切削钢材表面残余应力的准确预测和控制。