內容簡介

本書旨在係統、全麵地介紹基於有限元的金屬切削機理，為從事相關切削理論的科學技術人員、機械科學與工程及其相關專業的研究生提供參考和指導。主要內容有金屬切削基本理論，有限元理論基礎，穩態切削加工中刀尖形態影響及切削死區形成研究，基於摩擦強度的切削死區形成機理研究，非穩態金屬切削過程的鋸齒形切屑形成研究，切屑鋸齒化程度的研究，已加工錶麵質量的研究等。書中大部分內容來源於作者在日本留學期間的研究成果，以及迴國作者所帶領的團隊近年來從切削製理論所積纍的數據和國內外齣版物及論文。全書內容完整、結構嚴謹，為從事金屬切削的專業技術人員提供一定的技術參考。

作者簡介

王大中，男，1966年齣生，上海工程技術大學機械工程學院副教授、科研處副處長，中國機械工業金屬切削刀具技術協會切削先進技術研究分會理事、美國電氣和電子工程師協會(IEEE)會員、上海市自動化學會會員、上海仿真學會會員。2002 年東渡日本留學，師從於日本著名的機電控製理論專傢山形大學大久保重範教授。2005 年、2008 年分彆取得日本山形大學工學碩士和工學博士學位，專業方嚮為機械工程及其自動化。王大中長期在海外學習工作，在金屬切削理論、智能機械、生體機能控製及機器人的研發等方麵積纍瞭豐富的經驗。2009年歸國進入上海工程技術大學從事科研與教學工作。2012 年作為訪問學者師從上海交通大學硃嚮陽教授，依托上海交通大學機械係統與振動國傢重點實驗室，從事生機電一體化、切削振動主動控製研究等工作。目前發錶SCI論文30篇，齣版專著2部，教材3部。

目錄

第1章 緒論 1
1．1 金屬切削有限元仿真研究現狀及發展趨勢 1
1．1．1 金屬切削有限元建模研究現狀 1
1．1．2 金屬切削有限元仿真研究進展 5
1．1．3 金屬切削有限元仿真研究發展趨勢 8
1．2 本書主要內容 9
參考文獻 10
第2章 切削理論基礎 15
2．1 金屬切削變形 15
2．1．1 切屑類型 15
2．1．2 切屑捲麯 17
2．1．3 切削變形規律 23
2．2 切削力 26
2．2．1 二維切削 26
2．2．2 三維切削 28
2．2．3 切削力變化規律 30
2．3 切削熱 32
2．3．1 切削熱的産生與傳遞 33
2．3．2 切削熱變化規律 35
2．4 刀具的失效 38
2．4．1 刀具磨損 39
2．4．2 刀具破損 40
2．4．3 刀具耐用度 41
2．5 已加工錶麵質量 44
2．5．1 錶麵粗糙度 46
2．5．2 錶層硬化 47
2．5．3 殘餘應力 48
2．6 本章小結 50
參考文獻 52
第3章 有限元仿真方法 58
3．1 金屬切削模型 58
3．1．1 材料模型 59
3．1．2 幾何模型 60
3．1．3 摩擦模型 62
3．1．4 剪切區域模型 65
3．2 有限元方法求解步驟 65
3．2．1 基本思想 65
3．2．2 求解步驟 66
3．2．3 分析過程 68
3．3 金屬切削有限元方法 69
3．3．1 拉格朗日有限元方法 70
3．3．2 歐拉有限元方法 71
3．3．3 任意拉格朗日?歐拉有限元方法 71
3．4 有限元建模中的幾個問題 73
3．4．1 分離準則 73
3．4．2 其他準則 77
3．4．3 熱傳導方程 78
3．5 本章小結 79
參考文獻 80
第4章 金屬切削死區形成機理研究 83
4．1 引言 83
4．2 刀具形態有限元仿真 87
4．2．1 有限元模型建立 88
4．2．2 速度場分析 93
4．2．3 應力場及溫度場 94
4．2．4 殘餘應力的分布 96
4．2．5 切削力與進給力 97
4．3 穩態摩擦死區形成機理 98
4．3．1 切削死區形成 98
4．3．2 切削速度影響分析 100
4．3．3 穩態摩擦強度 102
4．3．4 有限元網格劃分 102
4．4 動態摩擦死區形成機理 104
4．4．1 有限元建模 107
4．4．2 摩擦條件類型 108
4．4．3 靜態摩擦規律分析 109
4．4．4 動態摩擦規律分析 113
4．5 本章小結 115
參考文獻 116
第5章 材料硬化對切屑形成影響的研究 122
5．1 引言 122
5．2 材料硬化率幾何模型 124
5．3 拉格朗日有限元模型 126
5．4 非穩態切削條件下有限元仿真研究 128
5．4．1 切屑形態分析 128
5．4．2 切屑的形成過程 131
5．4．3 材料硬化率分析 131
5．4．4 應變場及溫度場 132
5．4．5 應力場及溫度場 133
5．4．6 切削力與切削能量 134
5．5 本章小結 135
參考文獻 136
第6章 切屑鋸齒化程度研究 139
6．1 引言 139
6．2 鋸齒狀切屑形成機理研究 143
6．2．1 有限元模型構建 143
6．2．2 鋸齒狀切屑的形成 144
6．2．3 模擬仿真分析 146
6．3 切屑鋸齒化程度與錶麵質量研究 151
6．3．1 切屑鋸齒化程度 151
6．3．2 切屑鋸齒化程度係數 152
6．3．3 已加工錶麵質量 155
6．4 本章小結 157
參考文獻 158
第7章 切削潤滑條件對錶麵質量影響研究 161
7．1 引言 161
7．2 二維切削仿真研究 164
7．2．1 二維切削模型與切削形態分析 164
7．2．2 切削力與切削溫度 166
7．2．3 工件錶麵應力的變化分析 167
7．3 三維切削仿真研究 169
7．3．1 三維切削模型與切屑形態的對比分析 169
7．3．2 切削力與切削溫度 171
7．3．3 工件錶麵應力的變化分析 173
7．4 本章小結 174
參考文獻 175
第8章 總結與展望 178
8．1 總結 178
8．2 展望 179

前言/序言

前言

金屬切削加工是一個復雜的非穩態變化過程，具有大變形、熱力耦閤作用明顯等特徵。近百年來，許多學者在金屬這一領域做瞭大量的工作，對切削加工技術的發展起到瞭促進作用，現在還有許多不為我們所知的理論需要探索，如切削過程中多因素非綫性相互作用機理、基於熱力學理論的刀具磨損機理、鏜削顫振産生機理等尚需要進一步研究。目前，有限元仿真已能解決金屬成形仿真的相關問題，隨著有限元分析軟件的不斷發展和成熟，對金屬切削過程的研究已經從單因素試驗進入多因素試驗，從簡單的靜態觀測進入復雜的動態觀測，從宏觀研究過渡到微觀研究。有限元模擬仿真不僅形象、直觀，而且能很好地反映切削過程中各個參數的變化狀態。模擬仿真技術的進一步發展，將為金屬切削有限元仿真

研究帶來更廣闊的空間。

本書綜閤作者多年從事金屬切削的理論研究成果，藉鑒本領域大量國內外文獻資料，係統闡述近年來作者在本領域的最新研究成果。全書由8 章構成：第1 章是全書的緒論，主要考察基於有限元理論的金屬切削機理研究的現狀，迴顧金屬切削有限元理論成果及存在的不足，展望發展方嚮，闡述本書理論研

究的基本問題；第2 章闡述金屬切削基本理論，包括切削力、切削熱、錶麵質量等相關理論問題；第3 章進行金屬切削有限元理論基本問題的探討，為後續研究奠定基礎；第4 章討論金屬切削過程中死區形成機理，包括穩態加工中不同刀尖形態有限元仿真分析，以及摩擦條件對金屬切削過程中死區形成影響的有限元分析；第5 章開展材料硬化對切屑形成影響的研究；第6 章是切屑鋸齒化程度研究；第7 章研究金屬乾濕切削加工的有限元仿真問題，通過二維和三維仿真分析，探討不同切削條件下切削機理，開展已加工錶麵質量研究；最後是全書的總結與展望。

本書在成稿過程中得到瞭國內外同仁的大力支持。著者要特彆感謝上海交通大學陳明教授，哈爾濱理工大學劉獻禮教授，華僑大學黃輝教授，東北大學硃立達教授等給予的大力幫助。在成稿過程中實驗室研究生高亞運、趙崗、張鵬飛、張嘉嘉、孔超、印佳慧等都做瞭大量的工作，感謝上海工程技術大學學術專著齣版基金的資助，使得本書得以齣版。

本書可作為機械科學與工程及其相關專業研究生的教材或參考書使用，也可供從事相關領域研究的廣大工程技術人員和科技工作者自學參考。因成書時間倉促，錯誤之處在所難免，請同行給予批評指正。

著 者

2017 年12月