基于微结构演化机制的多晶体金属微切削机理研究

The mechanism of micro-cutting will be studied under the background of 3D miniature components manufacturing. Through the cutting experiments of typical metal-polycrystalline and the changes of microstructure observed and analyzed by high-speed photography devices, the micro-structure evolution in the micro cutting process will be investigated under various cutting conditions. Based on crystal plasticity theory the constitutive equations will be deduced considering large strain, strain rate and temperature. The mathematical and physical materials model will be established further, which involves the grain sizes, distribution, orientations and grain boundaries. The FE model will be developed through geometric parameters of the microstructures obtained by series section images obtaining . The simulation of micro-cutting process will be carried out using VUMAT developed utilizing explicit algorithm, and the analyses of microstructure evolution will be performed. On the basis of the results of experiments and FE computations, the intrinsic features of micro cutting will be studied deeply. A novel micro cutting force model and quality evaluation methods for machined surface will be proposed.

本项目以三维微小零件精密微切削为研究背景，开展多晶体金属微切削机理研究。通过典型多晶体金属微切削实验，利用高速摄影设备观察、分析微切削过程中材料微观组织变化，研究不同切削条件下微切削过程中微结构演化规律；根据晶体塑性理论，综合考虑大应变、应变率、温度等因素，建立材料本构关系，提出能够反映晶粒大小、分布、取向以及晶界效应的数学物理模型；利用连续切片图像技术提取微观组织的几何特征参数，建立有限元分析模型；采用显式动力学算法开发用户自定义材料子程序,对金属多晶体微切削过程进行有限元仿真，分析微切削过程中的微结构演化机制，深入揭示金属微切削过程的本质特征；建立微切削力计算模型，提出微切削表面质量评价方法，为微切削工艺优化及微切削精度的提高提供理论基础。

微切削过程中，材料去除量很小，切削深度、切屑厚度及刀具刃口钝圆半径一般与多晶体金属材料的微结构在尺度上处于同一数量级。因尺度的减小，与宏观切削相比, 微切削过程在加工机理上必然存在显著差异。.本项目以三维微小零件精密微切削为背景，通过研究微切削过程中材料微结构的演化机制，深入分析切屑形成机理；研究材料性质及切削参数对微切削加工表面质量影响，揭示金属微切削过程的本质特征和机理。.设计开发了精密微切削实验装置，开展了典型多晶体金属微切削实验研究，分析了多晶体金属微切削过程中的变形特征与微切屑形成机制。微切削实验结果证明了多晶体金属微切屑形成的本质材料在发生剧烈塑性变形同时产生了韧性断裂，进而形成新的表面；在深入考察多晶体金属微切削物理过程基础上，基于微切削本质特征，综合考虑塑性流动、摩擦和延性断裂等因素，建立了微切削理论解析模型，阐明了剪切角和极限切削厚度不仅取决于刀具刃口钝圆半径、材料剪切强度和刀具与工件材料间摩擦系数，还与工件材料断裂韧度相关；利用ABAQUS/EXPLICIT，分别采用ALE法和基于损伤/断裂分离层模型，进行了微切削过程正交切削有限元模拟仿真，分析了切削速度、刀具刃口钝圆半径等参数对微切削力的影响，以本构关系为基础，提出了微切削表面硬化层深度预测方法。.利用自行研制的小型高速精密微铣削机床开展了典型多晶体材料高速微铣削参数优化试验研究，深入研究分析了微切削参数对试件表面加工质量影响规律。.针对微型刀具高速微切削过程中磨损严重难题，基于表面非光滑技术，开展了非光滑表面微织构刀具设计与制造技术研究，应用制造的非光滑表面微织构刀具进行了典型多晶体金属精密微切削试验，试验结果表明：刀具表面微织构改善了切屑形态，增强了刀具排热及抗黏结性能，显著提高了刀具减磨性能和已加工表面质量。项目研究成果为微切削工艺优化及微切削精度的提高奠定理论基础和提供技术保障。