基于位錯機制應變梯度理論的微切削加工機理研究.pdf

1、國防、微電子、現(xiàn)代醫(yī)學及生物工程等領(lǐng)域?qū)?超精密三維微小零件的需求變得日益迫切。微切削技術(shù)是加工這些微小零件的主要技術(shù)之一。但微切削加工始終揮之不去的尺度效應會導致的切削力不穩(wěn)定、表面質(zhì)量難以控制等許多瓶頸問題。傳統(tǒng)的經(jīng)典塑性力學理論由于不具備描述材料特征尺度的能力，無法解釋這些問題，因此必須從材料的微觀塑性力學以及材料位錯理論的角度來分析微切削加工過程。
　　微切削與傳統(tǒng)切削之間的最主要區(qū)別在于，當材料處于微米加工級別時，材

2、料的內(nèi)在力學行為是具有尺度相關(guān)性的。材料內(nèi)部的內(nèi)界面對變形所產(chǎn)生的約束是造成尺度效應現(xiàn)象的重要原因。具體來講，就是微切削加工中所采用刀具的刃口半徑很小，切削過程往往發(fā)生在晶體材料內(nèi)部本身。晶體的內(nèi)界面約束特性會導致非均變形場內(nèi)的“材料特征波長”的產(chǎn)生，由于該波長主要受刃口半徑大小的影響，處于微米級，與大多數(shù)材料的“內(nèi)稟長度”十分接近，這會造成微觀幾何必須位錯在內(nèi)界面附近累計和交互作用，從而導致材料的剪切強度和塑性流動應力必須考慮局部非均

3、勻應變場內(nèi)應變梯度效應。因此可以認為，微觀位錯的出現(xiàn)等材料尺度相關(guān)特性是導致微切削材料強化、冷硬現(xiàn)象嚴重以及切削力增加等尺度效應現(xiàn)象產(chǎn)生的最根本原因。為了分析和解決這些加工中遇到的難題，本文借助理論分析、實驗對比和數(shù)值模擬等手段展開了微切削加工機理的研究，主要內(nèi)容如下：
　　首先，采用基于位錯機制的應變梯度塑性理論來描述微尺度材料力學行為，提出了微切削加工條件下的應變梯度的數(shù)值求解方法，建立了真實反映微切削尺度效應、應變梯度分布以

4、及加工后表面質(zhì)量等現(xiàn)象的材料本構(gòu)模型。
　　其次，通過有限元材料用戶材料子程序?qū)崿F(xiàn)了微觀領(lǐng)域下材料本構(gòu)模型的建立，并將其應用于微切削加工動態(tài)物理仿真模型，開發(fā)出了基于應變梯度塑性理論的材料本構(gòu)關(guān)系的微切削加工動態(tài)物理仿真模型。該仿真模型采用了先進的任意拉格朗日歐拉邊界條件和網(wǎng)格劃分技術(shù)，十分適用于模擬刃口半徑效應顯著的微切削加工過程，并驗證了該模型的正確性。
　　最后，基于微切削動態(tài)物理仿真模型，借助所獲得的微切削加工參數(shù)以