摘 要

本文围绕硬质合金倒棱刀片和AISI 304不锈钢的负前角切削加工过程进行探索，提出一种考虑刀具微刃口几何的滑移线场模型和一种切削热模型。DEFORM数值模拟验证了所提模型的正确性和合理性。该模型能对金属切削结果实现一定程度上的预测，为刀具几何设计提供一定参考。本文主要内容如下：

首先，参考Fang和Karpat的模型，在其基础上做出改进，提出了一种改进的滑移线场模型，并根据滑移线场中的几何关系给出相关角度和长度的计算表达式。依据迭代计算的手段可以预测特定切削工况下滑移线场涉及的角度和长度，从而识别得到滑移线场和死区的形态。

其次，应用前人的热理论方法建立了切削过程中金属切削热模型，明确了切削过程中的热源分布。本文还尝试探究各部分热源对工件、切屑、刀具温升的影响，给出了温升表达式。借助先前得到的滑移线场相关参数再次通过迭代计算最终预测得到了较为合理准确的切削温度，最终识别得到切削过程的温度场形态。

最后，借助DEFORM-2D有限元仿真软件，模拟了一系列硬质合金倒棱刀片和AISI 304不锈钢的正交切削仿真试验。滑移线场形态和温度场形态的模型预测结果跟仿真结果达成一定的相似性，有效验证了所提出滑移线场模型的正确性。

关键词：倒棱刀片；滑移线场；有限元仿真；温度

Abstract

This paper focuses on the negative rake angle cutting process of carbide chamfered insert and AISI 304 stainless steel, proposing a cutting thermal model and a slip-line field model considering the micro-edge geometry of tool. The correctness and rationality of the proposed model are verified by the DEFORM simulation experiment. The model can predict the metal cutting results to some extent, and provide a reference for the tool-geometric design. The main contents of this article are as follows:

Firstly, referring to the models of Fang and Karpat, and making improvements on the basis of it, an improved slip-line field model is proposed. The calculation expressions of the relevant angles and lengths are given according to the geometric relationship in the slip-line field. According to the method of iterative calculation, the angle and length involved in the slip-line field of a specific cutting condition can be predicted. In this way, the shape of the slip-line field and the dead metal zone can be finally identified.

Secondly, using the proposed thermal theory method to establish a metal cutting thermal model during the cutting process. The heat source distribution during the cutting process is clarified. This paper also try to explore the influence of each part of the heat source on the temperature rise of the workpiece, chip, and tool, and give the temperature rise expression. With the help of the relevant parameters of the slip-line field obtained before, a more reasonable cutting temperature is finally predicted by the iterative calculation. In this way, the shape of temperature field during the cutting process can be finally identified.

Finally, with the help of DEFORM-2D finite element simulation software, a series of orthogonal cutting simulation experiments of carbide chamfered insert and AISI 304 stainless steel are simulated. The model predicted results of the slip-line field shape and temperature field shape reach a great similarity with the simulation results, which effectively verifies the correctness of the proposed slip line field model.

Key Words: Chamfered insert; Slip-line field model; FE simulation; Temperature

目 录

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 5

　　1.4 本章小结 6

第2章 滑移线场建立及分析 7

　　2.1 滑移线场模型的建立 7

　　2.2 滑移线场相关角度及长度解析 8

　　2.3 切削力 9

　　2.4 滑移线场相关角度长度预测方法 11

　　2.5 本章小结 12

第3章 温度场的建立与分析 13

　　3.1 热模型的建立 13

　　3.2 速度矢量图 14

　　3.3 温升公式的确定 14

　　　　3.3.1 工件温升公式的确定 14

　　　　3.3.2 切屑温升公式的确定 16

　　　　3.3.3 刀具温升公式的确定 18

　　3.4 温度预测方法 19

　　3.5 本章小结 21

第4章 基于DEFORM-2D的切削仿真实验 22

　　4.1 DEFORM软件概述 22

　　4.2 DEFORM-2D仿真设置 23

　　　　4.2.1 试验组设置 23

　　　　4.2.2 切削模型 23

　　　　4.2.3 材料模型 24

　　4.3 切削过程与切削力 25

　　　　4.3.1 切削过程 25

　　　　4.3.2 切削力 25

　　4.4 仿真及预测结果比较 26

　　4.5 温度模型仿真结果与对比分析 26

　　4.6 本章小结 33

第5章 总结与展望 34

　　5.1 总结 34

　　5.2 展望 35

参考文献 36

致谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景

切削加工从诞生至今已经发展了相当长一段时间。金属切削加工就是通过刀具和工件的相对运动使工件材料从工件上分离开来，并最终使加工表面达成精度要求的过程^[1]。可以肯定的是，金属切削加工过程是一个囊括了弹塑性变形、剪切、挤压、温度等物理现象的复杂物理过程^[2]。而发展到现在，切削加工领域提倡高品质高效率的新要求。在机械工业各界研究工作者们的努力下，高精加工、超精密切削、微切削、纳米加工、硬车削等系列较新型的切削加工频频被发掘出来。不可否认，这些新型切削加工方式的出现大大改善了表面加工质量和加工效率，虽然目前加工成本偏高，但是这点有望在日后得到完善。另一方面，新型加工方式存在诸多不足，仍需要研究人员深入探索。矛盾就是，即便是最简单直接的切削加工过程就已经具备相当高的完全解析难度，新型加工方式的解析研究难度可想而知。

Cr和Ni占一定含量的不锈钢材料具备优异的防锈防腐特性，因为不锈钢材料表面形成了薄薄的铬膜，使得材料基体同其他化学腐蚀介质隔离开。此外，不锈钢材料在强度、刚度、耐热、耐磨等方面表现突出，故其在生产生活里应用场景十分广泛。不过，不锈钢材料塑性大、韧性大，导热系数小的特性^[3]，也给加工带来刀具易磨损、刀具寿命下降、工件表面粗糙等诸多难题。所以，探究不锈钢材料切削加工机理，尝试通过优化切削参数的方法有效避开不锈钢材料天然的特性障碍，就变得尤为重要。

过去相当长一段时间里，专家学者研究金属切削机理都建立在刀具绝对尖锐的基础上。事实上，刀具使用过程中必然会伴随磨损的发生，形成一定大小的倒棱结构。值得一提的是，此前已有相关研究证明滞留区的存在，而倒棱的结构则正好更方便地促成工件材料流动时发生在前刀面附近的滞留效应，这对倒棱刀片刃口强度的提高、磨损的降低、寿命的延长和散热的增强都有帮助。实际上，已经有无数实例表明，倒棱刀片在实际加工过程中表现出了优异的刃口强度和更长的刀具寿命。然而，由于现有理论仍未能完全揭示倒棱刃口作用下的材料流动机理及其对刀具切削性能的影响，这种刀片在实际金属材料加工中未取得广泛应用。对倒棱附近的材料流动机理和发热问题的研究可能有助于全面认识带倒棱刀片的高性能切削。