面向硬切削的切削区域温度场解析建模及实验研究

论文作者：华中科技大学 / 李林文

指导教师： 李斌《研究领域：数控装备技术、智能制造，网络制造和智能控制技术、数控装备动力学等领域）

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

硬切削加工是一种以切代磨的高效精加工工艺，但是硬切削加工过程中在切削作用区域形成的恶劣热力环境一直是严重影响刀具使用寿命和工件加工质量的重要原因之一。其中造成这一问题的原因是切削作用区域的热力耦合机理不清楚，而深入开展这一机理性研究的瓶颈问题和基本方法是切削作用区域的温度及其分布的准确测量和高精度预测。上述问题也是当今高速、高精切削加工机理研究的热点和前沿。

论文针对以上难题，以硬切削加工过程中切削作用区域（刀尖区域~1mm2）温度分布的实验测量方法和温度场预测建模两个方面的内容作为研究对象。在实验研究方面，采用了在PCBN刀具中无缝嵌入微尺度薄膜热电偶阵列的方法，对切削作用区域的切削温度及其分布进行了近距离的原位测量，解决了切削加工过程中切削温度分布的高分辨率精确测量的难题。在建模研究方面，建立了一个改进并修正了的全热力耦合正交切削模型，模型的预测结果得到了实验数据的准确验证，能用于切削作用区域温度场及应力分布等切削参数的高精度准确预测。论文提出的实验测量方法和温度预测模型，是硬切削加工机理研究和切削温度高精监控的新方法。

论文的主要创新性工作有：

对现有正交切削模型的平行边剪切理论进行了改进，基于现有实验研究所观察到的第二变形区存在的切屑流动滞留现象，首次提出了切屑沿前刀面非线性流动的数学模型；

改进了现有切削温度预测模型的绝热假设边界，提出了一个更符合干切削加工条件的切削温度预测模型；

实验研究首次采用的无缝嵌入式微尺度薄膜热电偶传感器阵列，解决了切削温度分布高分辨率、近距离原位测量的实验测量难题，并通过实验数据验证了解析模型的预测准确性和有效性；

最后应用实验测量和模型预测得到的热力数据，对硬切削加工过程中发生在狭小切削作用区域的稳态、动态热力耦合行为开展了相应的研究，得出了一些有价值、有新意的机理性结论。