1．目的及意义

1. 研究目的及意义

据统计，制造业创造了人类社会60%~80%的财富，而机械制造业中有30%~40%的工作量都是切削加工^[1]。随着科学技术的发展，社会对切削加工提出了越来越高的要求，如对加工效率、加工精度和表面质量的要求^[2]。切削刀具的刃口形状对切削加工具有重要影响，对于加工表面的质量，尤其是其表面微结构具有决定性作用。而就刀具本身而言，切削刃口几何形状对刀具的寿命和性能具有决定性作用。适当的刃型可改善刀具的耐磨性，进而提高 刀具的寿命及可靠性，改善切削加工的稳定性和工件的质量。切削刃口几何形状包括刃口宏观几何和微观几何及 刃口表面形貌^【3】。

近年来，刀具刃口的研究在高精密加工领域和微加工领域已经受到了广泛关注。尤其是在一些难加工材料（如钛合金）的加工方面已经作为一项急需攻克的高精难点。难加工材料的切削加工技术水平的高低是衡量一个国家机械加工技术水平的重要组成部分，工业发达国家无一不重视难加工材料的切削加工技术研究，并不断提高其水平^[4]。针对难加工材料的精密加工中，区别于其他一般加工的特点在于刀具前刀面与工件的接触面积减少，刀具刃口将承担主要的材料去除过程，所以刀具刃口的几何参数将对整个精密加工过程产生很大的影响，尤其是切削接触趋于的力热特征^【5】。

针对刀具刃口的研究最初起始于 Albrecht^【6】对于刀具切削过程的新猜想，他认为，刀具刀尖不可能是理想状态（尤其是解析建模）下的刀尖半径为0的情况。在这种情况下，刀具对于工件的作用不只是传统的由于前刀面的剪切作用，而是一种新的由于刀具刃口的犁耕理论。此后，许多学者针对刀具刃口的犁耕过程进行了多方面深入的研究。其中，Basuray^【7】提出钝化刀具切削工件时，随着未变形切屑的增加，存在着由犁耕作用向着剪切作用过渡的过程。如图一所示，他认为，存在着一个理论上的分割线（AB），将切削过程分为犁耕和剪切两个部分，这条线以下的工件材料被压至工件表面，这条线以上的部分受到剪切作用形成切屑。而在微加工过程中，由于切削的未变形切厚与刀具的刀尖半斤处于同一尺度级别，所以刀具刀尖产生的犁耕作用对于微切削加工具有重要的意义。微切削中存在且具有很大作用的犁耕作用表现为“最小切厚（MUCT）”的提出，许多学者发现，当切削过程的未变形切厚小于最小切厚时，与刀具接触的工件材料全部收到犁耕作用而被压至工件表面，所以没有切屑产生。除此之外，Waldorf^【8】针对这种犁耕作用，提出滑移线理论，而随着时间的沉淀，滑移线理论已被许多学者应用于对宏观刀具刃口作用下的切削力-热建模中。

犁耕作用的存在为切削过程引入新的区别于切削力的犁耕力，而对于犁耕力的建模和求取，许多学者采用了许多直接间接的方法。Stevenson^【9】提出一种利用正交实验测得犁耕力（零进给力）的方法，他认为犁耕力可以通过停止进给的同时工件继续旋转获得。Guo^[10] 则用外推法，实现利用切削力于经给的线性关系，推导当进给为0 时的切削力作为犁耕力力。然而这些方法由于其难度性并未广泛使用。目前，对于犁耕力的值，标定法（也称为半实验法）使用较为广泛有效。标定法表现为经典切削力模型，该模型将切削过程中的力分为切削力和刃口力两个部分^【11】，认为切削力与未变形切厚成正比，而刃口力与未变形切厚无关。近年来，随着信息技术的告诉发展，有限元仿真技术已被广泛用于犁耕效应和犁耕力的分析和求取过程中。

产品的高精化和低成本一直是制造行业追求的目标，随着中国制造2025的行业风向，绿色发展，结构优化的号召下，有限元仿真技术逐渐受到制造行业的广泛青睐，而仅对于切削加工来说，有限元仿真技术可以避免大量的实验消耗，且有限元技术所包含的丰富的变形知识可以极大地缩短研发周期，提高研发效率，符合绿色高效发展的要求。而就本文所研究的圆刃口刀具切削过程中的犁耕效应，通过有限元的方法更是可以方便快捷地测得犁耕力的值。

对于刀具刃口的研究是难加工材料精密加工的一个突破口，目前有关刀具刃口的形状，制备，以及其对加工过程的影响仍旧处于一种类似黑盒子的状态，尤其是对于刀具不同刃口的力的基础分析方面仍旧缺乏高度和深度。而结合有限元这一行业设计发展趋势，势必可以为我国仍旧处于弱势的高端加工技术领域做出一定的贡献。

本文研究一种基于ABAQUS有限元仿真软件的圆刃口刀具犁耕机理的研究方法。对于传统的犁耕过程进行阐述，并且建立有限元仿真模型，仿真圆刃口刀具的犁耕过程，同时对于犁耕过程中的力进行辨别和测量，对广泛使用的经典标定力模型进行进一步的细化和探究。