结合材料动态转变行为的高速切削机理和物理模型的研究

本项目以高速切削过程中材料的动态应力应变行为以及微观结构随切削参数变化的演变过程对切削几何和切削力的影响为基础，结合能量最低和切削力平衡的原理，建立基于材料动态形变行为（应力应变行为）和材料动态转变行为（再结晶和相变）的高速切削物理模型；通过模型的研究，分析高速切削过程中材料微观结构的变化规律对切削过程中切变角(Shear Angle)的影响；通过对切削过程中切变区应变和温度变化规律，以及切削参数在高速切削过程中对材料和刀具界面的作用，揭示材料动态转变对刀具快速磨损的机理和切屑形貌的关系；将切削过程的物理模型和材料模型与有限元计算方法有机结合，实现对高速切削过程的仿真分析；研究切削参数对刀具磨损行为的影响规律；通过晶界快速扩散通道的原理，分析切削参数对刀具磨损寿命影响的材料学机制。为提高刀具寿命新方法（夹杂物改性、超声振动等）的开发提供必要的理论和应用基础。

根据项目申请书提出的研究内容，以1045钢和钛合金为主要研究对象，重点对材料在切削过程中的动态再结晶和相变这种微观组织的动态转变行为对切削几何和力学平衡、切屑形貌以及刀具磨损行为的作用进行了系统的分析，并从材料学原理揭示了这种影响的物理本质。.研究表明，切削过程中第一切变区和第二切变区的能量总和达到最低时，材料进入稳态切削，对应于平衡剪切角。根据能量最低原理，以第一切变区和第二切变区的应变能计算建立了平衡剪切角的计算模型。在模型建立和计算过程中，考察了材料的应力与应变、应变速度和切削温度的变化关系，通过计算材料动态再结晶的临界应变，建立了包含材料的动态形变行为和动态再结晶行为的切削过程材料本构模型，用于平衡剪切角的计算。通过实验和文献的验证，理论分析的结果和实际取得了较好的吻合。.以平衡剪切角为基础，工件材料在开始切削时将从切入角向平衡剪切角转动以达到最低切削能量。然而在转动过程中，切变区的应力、应变、应变速度和温度之间的相互关系将发生变化。随着应变的积累和温度的提高，当温度达到材料的相变温度或应变达到动态再结晶临界应变，将会发生材料的动态转变行为。这种材料的动态转变行为导致的迅速软化必定影响到原有的切削几何和力学平衡而需要重新建立新的平衡。正是这种新旧平衡的周期性变化导致了切屑形貌从连续带状向不连续锯齿状的改变，从而揭示了随着切削速度提高切屑形貌变化的物理本质。在切削过程中由于热力耦合的作用，刀具中的硬质相破断导致界面曲率的减少，形成基体相中硬质元素的浓度梯度，造成了硬质元素的回溶为扩散磨损提供了条件；而材料的动态转变行为形成的超细纳米尺寸晶粒为刀具的扩散磨损提供了高速通道，由此从材料学原理解释了实际切削过程中锯齿状切削形貌与刀具加速磨损紧密联系的内在原因。.根据物理模型，结合材料动态转变行为进行了有限元分析的二次开发，分析了切削过程中第一切变区和第二切变区的应力、应变、温度和应变速度的变化规律，针对刀具的磨损行为进行了有限元模拟。结果表明，随切削速度增加，切变区的应变速率显著升高，形变区域也随之更加狭窄，温度升高更为显著，这是切削速度增加易于造成材料动态转变行为的原因，刀具磨损的形貌成月牙洼形态，与实际观察得到了吻合。.通过研究揭示了材料的动态转变行为在切削过程中对刀具磨损的重要影响和基本理论，为抑制刀具磨损行为的切削工艺设计和刀具寿命预测提供了科学依据。