1、本文針對淬硬鋼高速銑削過程中的鋸齒狀切屑如何形成，切削參數(shù)對切削力、切削溫度以及應(yīng)力-應(yīng)變等特征物理量的影響，對刀具磨損嚴(yán)重、刀具選擇缺乏理論指導(dǎo)等問題進(jìn)行深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究。以淬硬鋼高速銑削加工實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，更大范圍地研究了淬硬鋼高速銑削過程中鋸齒狀切屑的形成條件以及鋸齒狀切屑形變帶與轉(zhuǎn)變帶的特征；采用了高速沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)( SHPB)及材料的微觀研究方法研究了淬硬鋼材料在高溫、高應(yīng)變條件下的力學(xué)行為及微觀組織等特征，構(gòu)建了適合高速切削

2、條件下材料具有高溫、高應(yīng)變、高應(yīng)變率的“三高”流動應(yīng)力材料本構(gòu)模型；采用有限元法建立了淬硬鋼高速銑削過程的2-D有限元模型，研究了淬硬鋼高速銑削過程中第一、二、三變形區(qū)的應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場、應(yīng)變率場等特征物理量進(jìn)行了預(yù)測，揭示在高速切削中淬硬鋼材料難加工的本質(zhì)；在2-D有限元模型的基礎(chǔ)上，拓展研究了淬硬鋼3-D切削的有限元模型，分析了淬硬鋼高速銑削過程中第一、二、三變形區(qū)的不均勻應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場、應(yīng)變率場等特征，揭示在高速切削

3、中淬硬鋼材料的磨損與破損機(jī)理；模擬研究了淬硬鋼薄壁結(jié)構(gòu)件在高速銑削過程中應(yīng)力-應(yīng)變的變化規(guī)律，揭示了薄壁件高速銑削過程中讓刀變形的本質(zhì)，同時也研究了淬硬鋼斜面結(jié)構(gòu)件因路徑引起的不均勻應(yīng)力-應(yīng)變、溫度場變化規(guī)律，提出了高速銑削斜面結(jié)構(gòu)件路徑優(yōu)化策略。這些研究對深入了解淬硬鋼高速銑削過程，推動高速切削基礎(chǔ)理論的發(fā)展，提高淬硬鋼高速銑削技術(shù)的應(yīng)用水平都具有重要意義。
　　 本文主要研究結(jié)論如下：
　　 (1)在淬硬鋼高速銑削過

4、程基本物理量方面，通過高速攝影與材料微觀研究方法研究了淬硬鋼高速銑削過程中切屑流的形成過程，帶狀切屑與鋸齒狀切屑形成條件、切屑的微觀特征以及不同切削參數(shù)對切削力的影響，明確了高速銑削過程的邊界條件。研究結(jié)果表明切削速度越大，切削力減小，切屑由帶狀切屑向形變帶鋸齒狀及轉(zhuǎn)變帶鋸齒狀切屑轉(zhuǎn)變，剪切帶中心區(qū)域越窄，約2-8um，剪切帶兩邊的組織更加細(xì)?。淮阌蹭摰挠捕仍礁?，切屑形態(tài)由帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀的臨界切削速度越低，淬硬鋼硬度為62 HRC時，

5、產(chǎn)生鋸齒狀切屑臨界速度是100 m/min，切屑底部即第二變形區(qū)域呈現(xiàn)一條光亮的白層，約幾個微米，切屑基體的平均顯微硬度為732.4 HV。淬硬鋼硬度為51 HRC時，形成鋸齒狀切屑臨界速度是200 m/min，鋸齒形狀不明顯，剪切帶的顯微硬度分別為573.7HV，基體的顯微硬度為555.1HV。切削速度與材料的硬度是影響這一過程主要因素。
　　 (2)在淬硬鋼材料本構(gòu)方程建立方面，通過高速沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)(SHPB)首次研究了淬硬

6、鋼SKDlI在高溫、高應(yīng)變率以及準(zhǔn)靜態(tài)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，構(gòu)建了淬硬鋼具有高溫、高應(yīng)變、高應(yīng)變率的材料本構(gòu)模型。研究結(jié)果表明隨著應(yīng)變的增加，材料的流動應(yīng)力迅速升高，當(dāng)材料在屈服以后，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)增長狀態(tài)，變形結(jié)束后，迅速卸載；在溫度小于600℃，應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)顯著，材料在屈服以后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本上與應(yīng)變軸平行，應(yīng)變強(qiáng)化減弱：當(dāng)溫度大于600℃時，流動應(yīng)力會隨著應(yīng)變速率的增加而減小，材料的熱軟化效應(yīng)起到了重要的作用；根據(jù)一維應(yīng)力波理論

7、與單因素迭代的方法擬合適合“三高”應(yīng)力流的材料本構(gòu)模型，建立了淬硬鋼低溫負(fù)應(yīng)變率效應(yīng)、高溫軟化效應(yīng)的修正Johnson-Cook模型。與未進(jìn)行修正的相比，其精度提高了102％左右。
　　 (3)在淬硬鋼材料微觀研究方面，利用XRD物相分析、金相顯微分析與SEM形貌分析等材料微觀研究手段，首次研究了淬硬鋼材料在低溫、低應(yīng)變率時，其表面的相組成主要有：Fe-Cr合金、Cr7C3. Fe等，且表面有眾多微裂紋；高溫高應(yīng)變時，其表面的相

8、組成主要有：Fe-Cr合金、FeCrO4、 Fe2O3等；在低溫、高應(yīng)變率的作用下，試樣的表面有明顯的微裂紋，這是由于材料脆性斷裂的結(jié)果；在高溫高應(yīng)變率的作用下，試樣的表面未見細(xì)小的微裂紋，而是在試樣的心部發(fā)生剪切與斷裂，這與高速銑削過程中切削速度為300m/min的絕緣剪切行為相類似，進(jìn)一步證實(shí)了淬硬鋼材料具有低溫負(fù)應(yīng)變率效應(yīng)、高溫軟化效應(yīng)的特性。
　　 (4)在淬硬鋼高速銑削過程2-D數(shù)值模擬方面，采用有限元法首次研究了淬硬

9、鋼在不同切削速度下的切屑形成過程、應(yīng)力.應(yīng)變分布以及溫度的梯度分布情況，并對材料硬度、不同切削參數(shù)、摩擦系數(shù)、刀具前角對第一、二、三變形區(qū)的應(yīng)力。應(yīng)變、應(yīng)變率以及溫度場進(jìn)行預(yù)測，揭示了高速切削中淬硬鋼材料難加工的本質(zhì)。研究結(jié)果表明材料的硬度越高，材料在切削區(qū)域內(nèi)的有效應(yīng)力越大，應(yīng)變減小，變形越困難，切削溫度越高。對HRC62淬硬鋼，其最大的等效應(yīng)力為3670MPa，等效應(yīng)變達(dá)3.76，切削溫度達(dá)1207℃；切削的速度越高，應(yīng)力-應(yīng)變的等

10、值線越密，拉應(yīng)力增大，切削溫度升高，約為1230℃：摩擦系數(shù)增大時，剪切區(qū)內(nèi)應(yīng)力越大，變形越明顯，應(yīng)力-應(yīng)變的等值線越密，切削溫度明顯的增加；刀具前角增大，剪切區(qū)應(yīng)力-應(yīng)變的等值線變得稀疏，拉應(yīng)力增大，切屑的分離趨勢增強(qiáng)，淬硬鋼材料的變形不明顯，切削溫度減小。
　　 (5)在淬硬鋼高速銑削過程3-D數(shù)值模擬方面，在2-D有限元模型的基礎(chǔ)上，拓展研究了淬硬鋼3-D切削的有限元模型，對高速銑削過程切屑的形成、應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)變率以及熱

11、-力耦合的溫度場進(jìn)行相關(guān)預(yù)測，揭示了高速切削中淬硬鋼材料刀具磨損與破損的本質(zhì)。研究結(jié)果表明淬硬鋼材料的硬度越高，發(fā)生破壞的變形越困難，在切削區(qū)域內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變及切削溫度均增大。在剪切區(qū)內(nèi)有效應(yīng)力的等值線相對較密，其最大值為3380MPa，最大有效應(yīng)變率為8.99×105s-1，切削溫度為1163℃。在第二形區(qū)應(yīng)變等值線較密，最大有效應(yīng)力在2900-3380MPa內(nèi)波動，對刀刃沖擊較大，磨損嚴(yán)重。
　　 (6)在典型薄壁結(jié)構(gòu)件與斜面