第 1 章 绪论
1.1课题研究背景与意义
制造业是现代工业中关系到国计民生和经济的支柱产业，是国家综合国力的重要表现，制造技术是各种高科技赖以产生和发展的技术支撑[1,2]。近年来，随着科学技术的日新月异，产品的小型化已经发展成为一种全球化的趋势[3-6]，如图 1.1 所示。微小零件在航空航天领域方面的应用主要表现在卫星雷达等零部件上，不但能够实现结构多样化、功能集成化、尺寸微型化，并且能够减小卫星雷达的体积、减轻重量和降低成本，对其使用寿命的提高也有很大的帮助；在国防科技方面，飞机的武器装备还有在侦察方面上的应用都在大范围上增加了军队的实力；在医学方面，使用微小型机器人通过进入患者的血管或者身体中来进行病因的检查及治疗，采用这种方法能够减轻病人的痛苦，并能够更加准确的检测疾病，该方法的实现与微小型零件密不可分；在电子产品方面，集成电路小型零件被开发出来，因此手机尺寸变得越来越小而用途功能却变得广泛、其他电子产品如：笔记本电脑、壁挂电视、摄像机等使我们的生活变得舒适愉悦。而所有这些都使得对小型化设备和产品的需求势必与日俱增、日益迫切，对于小型技术的研究工作已经引起了各领域科学家的关注，也成为了许多科学工作者的研究热点。随着微小型零件的用途越来越广泛，其需求量及要求的精度也大幅度增加，这必然导致在现有的制造技术水平下难以满足对微小型零件的需求，而怎样满足对复杂结构零件、多种加工材料、与提高加工精度及其低成本的实现，是制造技术水平的核心问题[7]。小型化产品与设备的零件尺寸一般仅仅只有几毫米，零件几何特征尺寸只有几微米至几百微米，微米级尺寸的加工属于介观尺度的加工范围，为了提高小型零件的加工制造技术，对介观尺度加工进行研究是非常重要的。与普通加工相比，介观尺度加工有着截然不同的特点，介观尺度加工过程中刀具的钝圆半径与切削厚度在同一数量级上，因此在普通加工中刀具可以被认为是绝对锋利的，但在介观尺度切削加工中不能这样认为。
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1.2介观尺度切削概况
对于传统切削来说通常是忽略刀具切削刃钝圆半径的影响，即认为刀具的切削刃是绝对锋利的，如著名的麦钱特剪切面模型。其假设的合理性在于对于传统切削加工中切削厚度通常是切削刃钝圆半径的 倍，然而对于介观尺度加工，其加工的特征尺寸为微米级，此时切削厚度与切削刃钝圆半径相当，不能忽略切削刃钝圆半径对加工过程的影响。对于介观尺度切削加工，刀具钝圆半径与进给量的尺寸都处于微米数量级，这样就会使得在切削过程中刀具的实际前角并不是名义上的前角，通常会变为很大的负值，负前角就会让工件材料发生大的弹塑性变形，此时不再为单纯的切削而会变为耕犁作用。在传统切削过程中切屑伴随着切削每次都会产生，但在介观尺度切削过程中，由于要考虑刀具钝圆半径的影响，并不是每次切削都会产生切屑，当切削厚度远远小于切削刃钝圆半径时，并不会产生切屑，此时工件仅仅只会发生弹性变形；随着切削厚度的增加，当与切削刃钝圆半径相差不多时，实际的切削前角不再是刀具名义前角，会变为较大的负角切削，工件此时产生较大的弹塑性变形；当切削厚度进一步增大时切削过程才会有切屑产生。由上述分析可知：在切屑形成的过程中肯定有一个能稳定产生切屑的最小切削厚度。
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第 2 章 介观尺度切削过程有限元仿真建模
2.1 引言
从加工对象、加工尺度以及加工精度来分类的话，切削加工可以分为宏观尺度、介观尺度、微观尺度和介观尺度加工。介观尺度加工过程本身是非常复杂的工艺过程，涉及到弹性力学、塑性力学、热力学以及摩擦学等。已有的理论和实验研究证明：介观尺度切削加工有类似于宏观切削过程的大应变、高应变率以及大的温度差等一般特点，但是介观尺度切削加工也有自己独特的一些加工特征，绝不仅仅是宏观尺度加工简单的尺寸减小，主要表现为介观尺度切削的尺度效应、耕犁效应、圆弧半径效应以及最小切削厚度现象，这些介观尺度加工所特有的现象将引起不同于宏观尺度切削的理论与工艺问题，有必要对这些特征进行理论和仿真建模的研究，用来揭示在介观尺度切削加工过程中所蕴含的机理，同时能够为切削过程的工艺优化提供一定的理论依据。金属切削加工仿真技术是近年来随着计算机仿真技术在机械制造领域中的应用而迅速兴起的，该技术可以有效减少现场试验成本、缩短产品设计制造周期并优化产品工艺流程。有限元分析方法是研究介观尺度加工的关键技术，对介观尺度切削过程建立合适的有限元仿真模型是对介观尺度加工至关重要的一部分，仿真模型建立的好坏直接影响最后的分析结果，本章将对 ABAQUS 有限元分析软件的建模过程及仿真分析中应用的本构模型进行介绍。
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2.2 有限元仿真分析原理
有限元分析方法是基于变分原理和计算机技术的求解复杂工程问题的近似数值解法。从数学的角度看，它的基本思想是：在整个求解区域内要解某一微分方程很困难时，先将求解区域离散为有限个节点相连接的单元，并在单元内假设一个满足微分方程的简单函数作为解，求出单元内各点的解；然后根据各单元间的相互影响，求出整个求解区域的场量。有限元法可以将实际复杂问题由简单的问题所取代，具有精度高、可适用各种复杂形状等优点，是一种行之有效的工程分析手段[48]。
通过有限元分析方法来求解工程问题的一般步骤为：
（1）将结构理想化，求解域离散化；
（2）选择位移模型，得到位移函数和相应的形状函数；
（3）分析单元的力学特性；
（4）集合所有单元的平衡方程；
（5）求解未知节点和单元的位移；
（6）根据已知节点的位移矢量，利用固体力学或结构力学的有关方程求解单元应力和应变。
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第 3 章 本构模型的二次开发与验证..........25
3.1 引言 ..... 25
3.2 VUMAT 子程序开发规范.......... 25
3.3 子程序开发过程 ......... 28
3.4 子程序的验证 ..... 35
3.5 本章小结 ..... 39
第 4 章 微细铣削试验及仿真模型验证......41
4.1 引言 ..... 41
4.2 准直角自由微细铣削试验 ......... 42
4.3 铣削力测量结果 ......... 44
4.4 仿真模型验证 ..... 48
4.5 本章小结 ..... 49
第 5 章 仿真结果分析..........51
5.1 引言 ..... 51
5.2 应变梯度效应分析 ..... 51
5.3 最小切削厚度分析 ..... 58
5.4 切削力与等效应力影响因素分析 ..... 60
5.5 本章小结 ..... 64
第 5 章 仿真结果分析
5.1 引言
介观尺度切削加工与宏观切削加工有着不同的特点，因此需要对介观尺度切削加工中表现出的不同于宏观切削加工的现象进行分析，并研究介观尺度切削过程中产生这些现象的原因进行研究。在介观尺度切削加工过程中，随着材料切削深度的减小，切削力与切削比能出现非线性的增大，表现出强烈的尺度效应。介观尺度切削加工过程中，当切削深度远远小于刀具切削刃钝圆半径时，在切削过程中不产生切屑，随着切削深度的增加才会产生切屑，从不产生切屑到产生切屑的过程中，必然存在着能稳定产生切屑的最小切削厚度。研究介观尺度切削力的影响因素，将有助于分析介观尺度切削过程，并对生产实际有着重要的指导意义。本章通过建立的适用于介观尺度切削加工的仿真模型对介观尺度切削加工过程进行仿真分析，通过仿真分析研究应变梯度对切削力、单位切削力、等效应力的影响；研究切屑的形成过程并确定 AL7075 的最小切削厚度与刀具切削刃钝圆半径的倍数关系，并分析刀具前角和切削速度对切削形成的影响；研究介观尺度切削加工切削力的影响因素，分析切削速度、前角以及钝圆半径对切削力的影响。
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总结
在介观尺度切削加工过程中，材料表现出了尺度效应与最小切削厚度等特有的工艺特性，为了研介观尺度加工的内在机理与规律，从材料微观力学与材料位错的方面对其进行仿真分析和试验研究。本文以 PCD 刀具、Al7075 材料为研究对象，基于位错机制的应变梯度（MSG）塑性理论，开发了基于 MSG 的 JC 修正模型的材料本构子程序，采用任意拉格朗日-欧拉 ALE 算法，建立了铝合金介观尺度切削过程的二维动力学有限元仿真模型，并通过准直角自由的铣削实验对仿真模型进行了验证，验证了本文采用的理论与模型的可靠性及准确性。应用所建立的仿真模型对铝合金介观尺度加工过程中进行仿真分析，研究了应变梯度对加工过程中的切削力、单位切削力、等效应力的影响，最小切削厚度产生的原因及与钝圆半径的数值关系、切削力与等效应力的影响因素等。主要研究成果与结论如下：
（1）基于位错机制的应变梯度（MSG）塑性理论的修正本构模型能够正确反映切削厚度减小引起的几何必需位错密度的增值现象（尺度效应），对介观尺度切削加工进行有效的仿真预测，比经典的 JC 模型更适合于介观尺度切削的仿真，所预测的切削力和单位切削力更接近试验值。
（2）通过材料力学中的弹塑性理论与有限元计算方法联系起来推导了基于塑性应变梯度理论的材料本构模型的算法，并实现了 ABAQUS 材料本构模型 VUMAT 子程序的编译与开发。
（3）PCD 刀具切削铝合金 Al7075 的最小切削厚度，其值大概为刀具钝圆半径的0.25-0.3 倍，刀具钝圆半径是最小切削厚度产生的主要原因。
（4）材料应变梯度的存在使得材料表现出强烈的尺度效应，并且使切削力与单位切削力随着进给量的减小明显地增大；随着切削厚度的减小，切削区的最大应力值大幅增加，这种最大应力值的增加基本是由几何必需位错密度增值产生的。
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参考文献（略）