基于廣義邊界層理論的超高速切削穩(wěn)定性的理念與數(shù)值模擬研究.pdf

1、做為一種重要的加工成型手段，超高速切削具有效率高，精度好，在航空航天和模具制造等工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。切削過程中包含著材料發(fā)生的高應(yīng)變、高應(yīng)變率和過程中產(chǎn)生的高溫等機(jī)理，導(dǎo)致材料發(fā)生屈服、失穩(wěn)和斷裂等現(xiàn)象。熱粘塑性固體材料，在高應(yīng)變率的加載條件下，常常會形成一條窄的、劇烈變化區(qū)域的剪切帶。這種情形在很多情形下都會遇到;材料的超高速加工，終端彈道學(xué)（沖擊動力學(xué)）。這種類型的變形，都有一個相似的特點(diǎn):這種剪切帶類似流體邊界層，是一個很薄的、具

2、有大的變形梯度的區(qū)域。其厚度的量級通常在10-100μm，同時伴有局部溫度的劇烈變化，并且?guī)У膫鞑ニ俣群芸欤袝r能超過1000m/s。此種情況下，通常需要考慮以下因素:塑性大變形、率敏感性、應(yīng)變硬化（加工硬化）、熱對流、熱傳導(dǎo)、熱軟化、內(nèi)耗作用和慣性效應(yīng)。純粹通過固體力學(xué)中定理與方程已經(jīng)很難將這些影響因素考慮進(jìn)去，必須適當(dāng)借助流體力學(xué)邊界層的相關(guān)理論進(jìn)行研究。
　　本文主要基于廣義邊界層理論與線性攝動理論，建立包含應(yīng)變硬化（加工硬

3、化）、應(yīng)變率硬化、熱軟化和慣性效應(yīng)的切削穩(wěn)定性動力學(xué)模型。本文所做的工作，主要包含一下兩部分內(nèi)容:
　　1)在廣義邊界層理論的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用流體力學(xué)中的納維斯托克斯(Navier-Stokes)方程、連續(xù)性方程（不可壓縮性）、歐拉場的應(yīng)變演化方程、變形協(xié)調(diào)方程和能量方程建立二維平面應(yīng)變問題的超高速切削的控制方程。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用流體力學(xué)邊界層理論的無量綱化方法對上述控制方程進(jìn)行無量綱化，用廣義雷諾數(shù)Re(generalized

4、Reynolds number)來表征切削過程中的慣性效應(yīng);通過廣義雷諾數(shù)的引進(jìn)來解決其他學(xué)者無法在切削理論模型中考慮慣性效應(yīng)的困局，從而，真正在理論上討論超高速切削問題（在以前的研究表明:低速切削時，切削穩(wěn)定性的主控因素為應(yīng)變硬化;在中高速切削時，主導(dǎo)因素為熱軟化作用;但是在超高速切削階段則由慣性作用主導(dǎo)）。然后運(yùn)用線性攝動理論對無量綱化后的控制方程進(jìn)行近似求解得到能夠完整描述切削穩(wěn)定性的判據(jù)。
　　2)在第二章中所建立超速切削

5、穩(wěn)定性理論判據(jù)的基礎(chǔ)上，首先運(yùn)用商業(yè)軟件ABAQUS/explicit and standard對高溫鎳基合金GH4169進(jìn)行數(shù)值模擬研究。切削的速度范圍為低速，中高速和超高速切削，最高速度達(dá)到360m/s。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)三個速度階段絕熱剪切失穩(wěn)的情況，然后通過研究切削過程中的切削力的波動情況來描述超高速切削階段慣性作用對于塑性失穩(wěn)的影響，找到切削力的波動情況隨著切削速度增加的變化情況。最后，將數(shù)值模擬研究中得到的數(shù)值運(yùn)用第二章得到的