杨勇，柯映林，董辉跃

　　(浙江大学机械与能源工程学院，浙江杭州310027)

　　摘要　　采用有限元模拟方法对钛合金切削加工中的绝热剪切带形成过程进行了研究.通过对材料本构模型、刀一屑接触摩擦、切屑分离和绝热剪切等关键物理环节建模，建立了切削加工有限元模型.利用该有限元模型模拟和分析了钛合金TC4切削绝热剪切带形成的全过程，得到了与试验相似的锯齿状切屑，切屑中绝热剪切带分布规律与试验结果较为一致，切削力模拟结果与试验数据相吻合.研究结果表明，刀尖处首先形成小的变形区并逐渐扩展至切屑表面，变形区发生集中滑移，锯齿节块滑出，最终形成变形高度集中的剪切带;绝热剪切带内的温度相当高，而其两侧材料温度较低;绝热剪切带的形成与弹性能释放密切相关，弹性模量越小，切屑锯齿化程度和剪切带间隔时间越大.

　　关键词　　钛合金;切削;有限元模拟;绝热剪切带;热塑性失稳

　　钛合金属于难加工材料，其切削加工过程最主要的特征是易产生锯齿状切屑，而锯齿状切屑以绝热剪切带(又称集中剪切滑移带)为典型特征[1].连续的绝热剪切带的产生会导致刀一屑接触条件的改钛合金切削绝热剪切带形成过程的有限元分析变，引起切削力波动和切削振动，从而对金属切削过程产生重要的影响.因此，研究绝热剪切带形成过程并加以控制对优化钛合金切削加工工艺具有十分重要的意义.
　　绝热剪切带是高应变速率加载条件下形成的应变高度集中的窄带，这一现象普遍地存在于高速撞击、高速成型、切削加工和冲蚀等变形过程中.切削加工过程所具备的大应变、高应变率和热集中环境，对于很多金属材料，都可以观察到绝热剪切带，这一特点为研究切削加工中的绝热剪切带现象提供了很大便利.但是由于切屑的尺寸很小，切屑的形成过程非常短暂，往往难以取得满意的观察效果，特别是制备电镜试样有很大的难度，而且切削加工过程较其他加载方式更为复杂，影响因素更多，所以尽管对绝热剪切带研究涉及的领域很广，但对金属切削过程中产生的绝热剪切带研究却相当少.当前的研究主要集中在高强度钢切屑内绝热剪切带的微细组织以及显微硬度等静态现象[2-3]，而对钛合金切削加工中的绝热剪切带形成机理及动态发展过程缺乏全面、深入的研究.为此，本文采用有限元数值模拟方法深入研究钛合金切削加工过程，通过对绝热剪切带形成过程的有限元模拟分析，明确绝热剪切带形成机理及发展过程，为钛合金切削加工机理和工艺研究提供理论依据.

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