基于位错机制应变梯度理论的微切削加工机理研究

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1、Mechanismstudyofmicro-cuttingbasedondislocationsandstraingradienttheoryADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnMechanicalEngineeringbyYangMing-mingUndertheSupervisionofProf.LuDongSchoolofAeronauticalManufacturingEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaMay,2012摘要国防、微电子、现代医学及生

2、物工程等领域对精密/超精密三维微小零件的需求变得日益迫切。微切削技术是加工这些微小零件的主要技术之一。但微切削加工始终挥之不去的尺度效应会导致的切削力不稳定、表面质量难以控制等许多瓶颈问题。传统的经典塑性力学理论由于不具备描述材料特征尺度的能力，无法解释这些问题，因此必须从材料的微观塑性力学以及材料位错理论的角度来分析微切削加工过程。微切削与传统切削之间的最主要区别在于，当材料处于微米加工级别时，材料的内在力学行为是具有尺度相关性的。材料内部的内界面对变形所产生的约束是造成尺度效应现象的重要原因。具体来讲，就是微切削加工中所采用刀具的刃口半径很小，切削过程往往发生在晶体材料内

3、部本身。晶体的内界面约束特性会导致非均变形场内的“材料特征波长”的产生，由于该波长主要受刃口半径大小的影响，处于微米级，与大多数材料的“内禀长度”十分接近，这会造成微观几何必须位错在内界面附近累计和交互作用，从而导致材料的剪切强度和塑性流动应力必须考虑局部非均匀应变场内应变梯度效应。因此可以认为，微观位错的出现等材料尺度相关特性是导致微切削材料强化、冷硬现象严重以及切削力增加等尺度效应现象产生的最根本原因。为了分析和解决这些加工中遇到的难题，本文借助理论分析、实验对比和数值模拟等手段展开了微切削加工机理的研究，主要内容如下：首先，采用基于位错机制的应变梯度塑性理论来描述微尺度

4、材料力学行为，提出了微切削加工条件下的应变梯度的数值求解方法，建立了真实反映微切削尺度效应、应变梯度分布以及加工后表面质量等现象的材料本构模型。其次，通过有限元材料用户材料子程序实现了微观领域下材料本构模型的建立，并将其应用于微切削加工动态物理仿真模型，开发出了基于应变梯度塑性理论的材料本构关系的微切削加工动态物理仿真模型。该仿真模型采用了先进的任意拉格朗日欧拉边界条件和网格划分技术，十分适用于模拟刃口半径效应显著的微切削加工过程，并验证了该模型的正确性。最后，基于微切削动态物理仿真模型，借助所获得的微切削加工参数以及实验数据，对微切削的加工机理进行了深入分析和研究。研究了应

5、变梯度对切削力、切削应力、单位切削能量以及切削温度分布的影响；研究了刃口半径对刃口前方的工件材料应力分布状态的影响；得到了刃口半径前方滞留区域的分布特点。进I而掌握了尺度效应、表面质量等外在表象与内在的微尺度材料力学行为之间的映射机制。关键词：微切削，位错结构，尺度效应，应变梯度，刃口半径，金属滞留区IIAbstractThereisanurgentgrowingneedfortheprecision/ultraprecisionpartsandcomponentsintheengineeringfieldsofnationaldefense,micro-electronic

6、s,modernmedicalscienceandbiologicalscience.Micro-cuttingprocessisoneofthemostimportanttechniquesinmachiningthesecomponents.Butitcanbeeasilyaffectedbythebottleneckissuesofunsteadycuttingforces,toughsurfacequalityandsoonduetosizeeffectandminimumcuttingdepthwhichcharacterizethemicromachiningpr

7、ocess.Traditionalplasticitymechanicstheoryfeaturingnomateriallengthscalecannotexplainwelltotheseproblems,sothatmicroplasticitymechanicstheoryandmaterialdislocationshavetobeputforwardedtoanalyzeandsolvetheseabnormalissues.Themostcriticaldifferentpointbetw