基于位錯機(jī)制應(yīng)變梯度理論的微切削加工機(jī)理研究.pdf

1、國防、微電子、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)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(yīng)會導(dǎo)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(xué)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(xué)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(dāng)材料處于微米加工級別時，材

2、料的內(nèi)在力學(xué)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)致材料的剪切強(qiáng)度和塑性流動應(yīng)力必須考慮局部非均

3、勻應(yīng)變場內(nèi)應(yīng)變梯度效應(yīng)。因此可以認(rèn)為，微觀位錯的出現(xiàn)等材料尺度相關(guān)特性是導(dǎo)致微切削材料強(qiáng)化、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重以及切削力增加等尺度效應(yīng)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(jī)理的研究，主要內(nèi)容如下：
　　首先，采用基于位錯機(jī)制的應(yīng)變梯度塑性理論來描述微尺度材料力學(xué)行為，提出了微切削加工條件下的應(yīng)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(yīng)、應(yīng)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(yīng)用于微切削加工動態(tài)物理仿真模型，開發(fā)出了基于應(yīng)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(jìn)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(yīng)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