基于应变梯度塑性理论的正交微切削变形研究

摘要

微细产品在光学、电子、医学、生物科学、通信等领域的广阔需求促使微小产品加工技术迅速发展。因微切削技术加工材料范围广泛、生产率高，加工成本低而成为微细产品的主要加工技术之一。微切削技术水平的提高必然要求深刻理解微切削加工变形机理。
　　 宏观切削理论一般假定切削过程中工件材料变形均匀，着重研究机床性能，刀具几何参数及切削速度、进给量、切削深度等切削用量对切削力、切削温度、刀具寿命、表面质量等的影响。当切削用量减小到微米级时，微切削过程出现强烈的尺度效应和犁切效应及最小切削厚度现象。以经典连续介质力学为理论基础的宏观切削理论不含表示材料特征尺度的量，不能反映微切削过程中工件材料在微观尺度下的变形行为；应变梯度塑性理论引入材料内禀特征长度，成功的解释了金属材料在微观尺度的尺度效应，然而目前它在微切削方面的应用研究并不深入。
　　 借助理论分析、实验研究和数值模拟等手段，研究正交微切削中材料微观尺度变形特性和切削厚度与切削刃口圆弧半径比及其对微切削性能如切削力、表面粗糙度和最小切削厚度的影响，探索微切削变形机理，为微切削变形的预测和控制、微切削刀具设计及微切削工艺参数优化选择提供理论依据。
　　 提出微切削圆弧第一变形区模型。设计正交微铣削实验得到切屑根部，对切屑根部试样进行镶嵌、打磨、腐蚀，获得切屑根部第一变形区的金相图，应用所得的金相图验证圆弧第一变形区模型。通过微切屑根部显微硬度实验，分析微切削圆弧第一变形区内的有效流动应力分布规律，研究第一变形区中材料的应变不均匀分布和应变梯度。用透射电镜观测切屑根部的位错分布，发现微切削中的位错密度随切削厚度的减小而增大。用扫描电镜观测切屑根部断裂区的表面微观形貌，发现微切削中的断裂形式为张开型(Ⅰ型)和滑开型(Ⅱ型)的混合型。实验结果表明：随着材料每齿进给量(即正交切削中的切削厚度)与切削刃刃口圆弧半径比的增大，切屑根部断裂特征分布逐渐变均匀；当进给量与切削刃口圆弧半径比越小时，切削过程中的材料拉伸变形越不均匀，拉伸应变梯度越大。
　　 引入基于位错密度的应变梯度塑性理论，在微切削圆弧第一变形区模型的基础上建立微切削圆弧第一变形区位错模型。将微切削过程类比于微压痕过程，基于应变梯度塑性理论表示微切削第一变形区的有效应变梯度，计算第一变形区的厚度，分析切削刃几何参数对有效应变梯度的影响。
　　 基于应变梯度塑性理论，建立考虑材料变形特性的微切削力理论模型。提出微切削力由三部分组成：犁切作用产生的犁切力、剪切作用产生的剪切力及断裂作用产生的断裂力。进行正交微切削实验，测量正交微切削力，揭示进给量(切削厚度)、切削速度、切削刃口圆弧半径对微切削力的影响规律；分析剪切角与进给量(切削厚度)与切削刃刃口圆弧半径比的变化规律并建立微切削力的经验公式。
　　 研究微切屑形态和微切屑变形系数的变化规律。基于应变梯度塑性理论确定最小切削厚度。根据包含最小切削厚度的表面粗糙度模型和提出的最小切削厚度确定方法，探求已加工表面粗糙度最小时的进给量(切削厚度)与切削刃口圆弧半径比，并根据比值提出变切削刃口圆弧半径的微切削刀具设计方案。
　　 应用应变梯度塑性理论建立微观尺度下金属材料的本构方程。进行正交窄槽微铣削实验获得微切削力及切屑厚度，应用模型逆辩识技术获得正交微切削本构方程中的材料系数。利用热-力耦合有限元法和得到的正交微切削材料本构方程，进行正交微切削过程的有限元仿真，分析微切削第一变形区应力、应变分布规律及切削厚度与切削刃口圆弧半径比对材料变形的影响规律。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号及单位

声明

第1章绪论

1.1微切削技术概述

1.1.1微切削定义

1.1.2微切削技术分类

1.2研究背景

1.3微切削变形的研究意义和现状

1.3.1切削变形的理论研究

1.3.2切削变形的实验研究

1.3.3切削变形的仿真研究

1.4应变梯度塑性理论

1.4.1应变梯度塑性理论

1.4.2应变梯度塑性理论在微切削中的应用

1.5存在问题

1.6论文的主要工作

第2章正交微切削圆弧第一变形区的研究

2.1宏观尺度切削模型及变形区

2.2微切削模型及变形区

2.3正交微铣削切屑根部第一变形区实验

2.3.1正交切削

2.3.2正交微铣削实验

2.3.3切屑根部的扫描电镜(SEM)观察

2.3.4切屑根部的金相实验

2.3.5显微硬度实验

2.3.6切屑根部的透射电镜(TEM)观察

2.4微切削过程中第一变形区的材料变形特性

2.4.1宏、微切削第一变形区形态比较

2.4.2微切削第一变形区位错分布和增殖机制

2.4.3微切削第一变形区流动应力分布

2.5微切削断裂区

2.5.1断裂形式

2.5.2每齿进给量与切削刃口圆弧半径比对断裂区的影响

2.5.3材料对断裂区的影响

2.6本章小结

第3章正交微切削有效应变梯度及微切削力研究

3.1应变梯度塑性理论

3.1.1应变梯度塑性理论基础

3.1.2基于Taylor关系的非局部应变梯度塑性理论

3.2微切削第一变形区的有效应变梯度

3.2.1平行剪切区有效应变梯度模型

3.2.2圆弧第一变形区有效应变梯度模型

3.3微切削力模型

3.3.1微切削力模型建立的假设条件

3.3.2微切削力预测模型

3.4正交微切削实验

3.4.1实验设计

3.4.2微切削力模型验证

3.4.3实验结果及分析

3.4.4微切削剪切角研究

3.5修正的微切削力经验公式

3.6本章小结

第4章微切削切屑变形及已加工表面形貌研究

4.1微切屑形态及分析

4.2微切屑变形系数研究

4.3最小切削厚度的确定

4.3.1最小切削厚度理论分析

4.3.2最小切削厚度实验验证

4.4考虑最小切削厚度的微切削表面粗糙度

4.5微切削实验验证

4.6实验结果及分析

4.6.1材料对表面粗糙度的影响

4.6.2进给量与切削刃口圆弧半径比对表面粗糙度的影响

4.6.3变切削刃口圆弧半径刀具设计

4.7本章小结

第5章微切削材料本构方程与有限元仿真研究

5.1有限元仿真理论基础

5.2确定应变梯度的有限元方法

5.3微切削有限元建模

5.3.1正交微切削材料本构方程的建立

5.3.2摩擦模型

5.3.3切屑分离准则

5.4仿真结果分析

5.4.1仿真模型验证

5.4.2微切削第一变形区的有效应力分布

5.4.3微切削第一变形区的有效应变分布

5.4.4微切削切屑根部实验验证

5.5本章小结

第6章总结和展望

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

发表论文一

发表论文二