面向硬切削的切削區域溫度場解析建模及實驗研究

論文作者：華中科技大學 / 李林文

指導教師： 李斌《研究領域：數控裝備技術、智能制造，網絡制造和智能控制技術、數控裝備動力學等領域）

Kornel F. Ehmann《研究領域：Micro/meso-scale manufacturing;precision engineering; machine tool dynamics and control; material removal processes; automation and robotics》

硬切削加工是一種以切代磨的高效精加工工藝，但是硬切削加工過程中在切削作用區域形成的惡劣熱力環境一直是嚴重影響刀具使用壽命和工件加工質量的重要原因之一。其中造成這一問題的原因是切削作用區域的熱力耦合機理不清楚，而深入開展這一機理性研究的瓶頸問題和基本方法是切削作用區域的溫度及其分布的準確測量和高精度預測。上述問題也是當今高速、高精切削加工機理研究的熱點和前沿。

論文針對以上難題，以硬切削加工過程中切削作用區域（刀尖區域~1mm2）溫度分布的實驗測量方法和溫度場預測建模兩個方面的內容作為研究對象。在實驗研究方面，采用了在PCBN刀具中無縫嵌入微尺度薄膜熱電偶陣列的方法，對切削作用區域的切削溫度及其分布進行了近距離的原位測量，解決了切削加工過程中切削溫度分布的高分辨率精確測量的難題。在建模研究方面，建立了一個改進并修正了的全熱力耦合正交切削模型，模型的預測結果得到了實驗數據的準確驗證，能用于切削作用區域溫度場及應力分布等切削參數的高精度準確預測。論文提出的實驗測量方法和溫度預測模型，是硬切削加工機理研究和切削溫度高精監控的新方法。

論文的主要創新性工作有：

對現有正交切削模型的平行邊剪切理論進行了改進，基于現有實驗研究所觀察到的第二變形區存在的切屑流動滯留現象，首次提出了切屑沿前刀面非線性流動的數學模型；

改進了現有切削溫度預測模型的絕熱假設邊界，提出了一個更符合干切削加工條件的切削溫度預測模型；

實驗研究首次采用的無縫嵌入式微尺度薄膜熱電偶傳感器陣列，解決了切削溫度分布高分辨率、近距離原位測量的實驗測量難題，并通過實驗數據驗證了解析模型的預測準確性和有效性；

最后應用實驗測量和模型預測得到的熱力數據，對硬切削加工過程中發生在狹小切削作用區域的穩態、動態熱力耦合行為開展了相應的研究，得出了一些有價值、有新意的機理性結論。