摘 要

制造业快速发展的今天，超精密切削，微切削以及难加工材料的切削逐渐占据着重要的地位。在这些加工手段中，刀具的前刀面通常情况下承担较少的材料去除功能，刀具的圆刃口则处汇聚了较多的材料和能量。刀具的圆刃口不仅影响工件的已加工表面质量，包括表面粗糙度，残余应力以及加工硬化；同时一定的圆刃口会提高刀具的抗磨损性能，进而提高刀具寿命。然而，目前关于圆刃口的切削过程仍旧存在一些问题。首先，切削过程中犁耕现象的认识匮乏，刃口力与剪切力之间的界限模糊不清；其次，对于圆刃口处的工件变形几何始终缺乏足够清晰的描述和公式表达；最后，圆弧状的接触刃导致很难对于切削过程中的力热进行建模和预测。

本文将以圆刃口刀具的切削过程为例，以ABAQUS数值仿真为基础，深入且系统的研究刀具圆刃口的切削机理。首先，本文从一般切削过程中的经典切削力理论为切入点，更进一步的，分析圆刃口刀具切削过程中占有重要地位的犁耕作用，提出分离线在犁耕过程中存在的必然性。在此基础上，创造性地提出沿着刀具切削刃分布的三个力分量：位于前刀面上的切削力分量（F_ci）；位于刀具圆刃口处同时促进切屑产生的切削力分量（F_ri）；位于刀具圆刃口处同时促进已加工表面成形的切削力分量（F_mi）。在理论分析的基础之上，借助ABAQUS数值分析软件，建立力热耦合二维正交切削模型。仿真中，观察犁耕效应的完整过程，同时分别以点位移向量为基础和以Kragelskii-Drujuanov 公式为基础得到分离线的高度值；进一步的，以点接触力模型为基础，识别并测得三个切削力分量的值。借助精密微刃口测量仪器Alicona，测得实际加工过程中的圆刃口刀具的刃口结构，同时借助高精密车床，进行一系列正交切削实验，并将实验测得的切削力值与仿真对比，从而提高数值仿真的精度与可靠性。最后，将提出的三个切削力分量应用于解决圆刃口刀具切削过程中的特殊现象的解释与分析中。其中包括，以比切削能非线性变化为基础的尺度效应现象；圆刃口刀具切削过程中，切屑形态随未变形切厚增加的演变过程问题以及经典切削力标定模型中，刃口力的识别和求取问题。

关键词：圆刃口刀具；犁耕机理；刃口力；有限元仿真；尺寸效应

Abstract

With the rapid development of the manufacturing industry, ultra-precision cutting, micro-cutting and cutting of difficult-to-machine materials have gradually occupied an important position. In these cutting situations, the round edge of the cutting tool plays a very important role. In ultra-precision machining and micro-cutting, the round edge geometry of the tool plays a decisive role in the quality of the machined surface. In the cutting process of difficult-to-machine materials, the cutting edge of the tool not only affects the machining accuracy, but also greatly improves the wear resistance of the tool, thereby improving the tool life. However, there are always many problems in the research of the effect of round edge. First, the identification and calibration of the edge force during the cutting process; Secondly, the influence of the round edge of the tool on the chip shape and thirdly the exploration of the size effect phenomenon that is common during the cutting process.

The plough phenomenon generated by the micro-scale cutting edge of insert plays an important role in tool wear, chip formation and machined surface integrity. In this study, the plough mechanism in orthogonal cutting process with rounded-edge tool is investigated by Finite Element Method (FEM) to deeply understand the generation of cutting force. Three force components along the cutting edge are proposed to extract edge force component from total cutting force. Rake face force and plough force are distinguished by different tool geometry subjected to cutting force. Further, the separation line is introduced dividing the plough force into force component contributing to the chip formation and force component acting on machined surface formation, the latter force component is also called edge force component popularly. The Johnson-Cook constitutive model and Johnson-Cook ductile damage criteria are used to describe the plastic deformation and damage mechanics in the cutting simulations. A developed way is proposed based on nodal displacement to determine the separation line under different cutting conditions. The values of three force components are achieved through the calculations of contact forces. Series of orthogonal cutting tests are demonstrated to validate the accuracy and correctness of the FEM model. Moreover, the nonlinearly increase relationship between specific cutting energy and edge radius were discussed with the consideration of size effect.

Key Words: Rounded-edge tool; Plough mechanism; Edge force; Finite Element Method (FEM); Size effect

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 2

1.3 论文主要内容 3

第2章 基于犁耕效应的圆刃口切削力分析 4

2.1切削力模型建立及演变 4

2.2 基于圆刃口刀具切削过程的犁耕效应 7

2.3 基于犁耕效应的切削力分析 8

2.4 本章小结 9

第3章 基于Abaqus/Explicit切削仿真实验 10

3.1 力热耦合模型 10

3.1.1 几何模型 10

3.1.2 材料模型 12

3.2 仿真结果 14

3.2.1 基于点位移向量的分离线高度分析 14

3.2.2 基于Kragelskii-Drujuanov的分离线高度分析 15

3.2.3 基于接触力模型的三力分量值 16

3.3 本章小结 18

第3章 实验研究和结果分析 19

4.1 正交切削实验 19

4.1.1 基于Alicona仪器的刀具圆刃口识别 19

4.1.2 基于CAK5085nzj车床的正交切削 20

4.1.3 数据对比 20

4.2 基于数值仿真的切屑演化过程 21

4.3 经典标定模型中刃口力的提取 24

4.4 基于比切削能的尺寸效应 26

4.5 本章小结 28

第五章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2展望 30

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景

“中国制造2025”计划对制造行业的发展提出了一系列新的要求和挑战。首先，在加工领域，加工精度成为一项重要指标，超精密机械加工技术是我国成为工业强国的一大突破点。抓住机遇，提高产品的质量，保证机械加工的精密性已经是发展趋势^[1]。其次，随着集成化和微小化零件的需求，微加工技术也逐渐成为制造领域研究和突破的热点^[2]。除此之外，航空航天行业的高速发展对于难加工材料的切削质量，尤其是零件表面加工质量提出了更高的要求^[3]。而精密加工，微加工以及难加工材料的切削加工三者均对切削刀具的刀具钝圆刃口提出了很高的要求。

精密切削加工一般要求加工精度为0.1μm-1μm^[4],且其一般属于精加工的范畴。所以其加工尺度较低，一般介于微观和宏观之间的介观尺度。因此在加工过程中，区别一般其他切削，精密加工的工件材料去除主要集中于刀具刃口处，而不是前刀面处。因此精密加工中，刀具的刃口处的刃口几何以及与由刃口导致的表面的滑擦作用对工件的已加工表面的精度具有决定性的作用。