1.2 金属材料切削加工研究的意义及内容

1.2.1 研究的意义

重点开展一种沉淀硬化不锈钢（牌号为0Cr12Mn5Ni4Mo3Al）零部件的高效、高质量切削加工技术的研究，解决切削加工的实验、动态仿真和优化的共性技术和理论问题，对于揭示多工况条件下难加工材料的切削机理、零部件加工质量的影响规律具有重要的理论意义，同时把研究成果用于指导企业零部件的切削加工，大幅度提高零部件的生产能力，提升装备的制造能力，对于实现生产的高效率、高质量和低成本具有重要的现实意义。

1.2.2 研究中需要解决的主要内容及难点

本研究项目来源于企业，因此，从生产实践出发，结合金属切削理论，在以下几个方面开展研究工作：

（1）沉淀硬化不锈钢材料的静态、动态性能研究 通过沉淀硬化不锈钢的静态、动态实验，得到了材料在不同应变、应变率和温度下材料的流动应力变化曲线，分析了材料流动应力的变化规律；基于Johnson-Cook材料的本构模型，运用拟合方法，得到JC模型中的各个系数或指数，即建立了材料的本构模型。

（2）基于有限元理论的金属切削加工仿真技术的研究 根据金属切削过程切屑形成的特点，确定：切屑与工件的分离准则；刀具的前刀面与切屑、刀具的后刀面与已加工表面的分离准则；刀具与切屑的摩擦模型及研究切削加工过程中温度和应力的耦合问题。

（3）车削和铣削的切削力、切削温度的变化规律分析 基于金属切削理论，运用正交实验法，对车削、铣削过程的切削力、切削温度的变化规律进行了研究；在建立切削力、切削温度经验模型的基础上，探讨在固定工作条件下切削参数对其影响的大小。

（4）基于Marc的车削、铣削加工的参数化建模与仿真方法的研究 在Marc的加工环境下，开展切削加工数值模拟的参数化建模技术的研究，然后对69111材料的二维车削、铣削过程开展数值模拟技术的应用。

（5）车刀、铣刀磨损机理的分析 通过对69111材料的车削、铣削实验，分析对比几种刀具材料，优选车刀、铣刀材料，分析切削过程中车刀和铣刀的前、后刀面的磨损机理。

（6）切削加工表面完整性的研究 通过车削、铣削69111材料的实验，建立表面粗糙度与切削参数的模型；分析表面粗糙度的变化规律，研究常规切削条件下的加工表面层、次表面层金相组织和显微硬度变化规律，探讨切削速度与加工硬化深度和硬化程度的变化规律。

（7）基于最佳切削温度的切削参数优化方法的研究 根据最佳切削温度守恒定律，对69111材料进行了车削和铣削实验，考察相对磨损量与切削温度的变化规律；建立切削过程优化切削的参数方程；结合建立的切削温度模型，构建基于刀具最低磨损量的切削参数耦合模型。

本项研究的难点：

（1）基于Marc的切削加工有限元参数化的建模方法 结合有限元理论和参数化建模方法，提出基于Marc的切削加工有限元参数化建模方法；应用高级语言间的接口技术、数据库技术、参数化建模方法，在有限元软件Marc环境下，实现刀具、工件建模和切削参数的设置等过程的自动化，最终完成车削、铣削加工的有限元模型的构建。

（2）基于最佳切削温度的切削参数耦合模型的建立 从最佳切削温度恒定定律出发，提出基于刀具最小磨损的切削参数耦合模型的构建方法；通过考察刀具磨损程度与切削速度的变化规律，构建刀具磨损量与切削速度的关联模型；同时构建切削温度与切削参数关系的模型，找到刀具最低磨损对应的切削温度值，最终构建基于最佳切削温度的切削参数耦合模型。

1.2.3 研究目标

本研究的目标是：针对沉淀硬化不锈钢的切削加工，通过建立材料的本构关系模型（Johnson-Cook模型），构建车削、铣削加工的数值模拟平台；探索金属切削的实验技术，并将其与数值模拟技术相结合，研究切削机理；研究刀具磨损机理，获取基于刀具最低磨损的切削参数耦合模型，为优化切削参数提供理论和方法的支持；最终实现一种难加工材料（0Cr12Mn5Ni4Mo3Al）的高效、高质量切削。