金属切削加工在过去、现在乃至未来都是机械制造业的主导加工方法。制造业水平的提升对切削加工技术的发展提出了越来越高的要求,尤其是先进制造技术的出现,要求切削加工技术实现高度数字化和信息化。切削是伴随着大变形、高应变率、高切削温度和复杂摩擦情况的工艺过程,具有动态性和高度非线性的特点,初始切入时刀具对工件具有明显的惯性冲击效应。在以往的研究中,切削过程的冲击动力学特性被忽略,都采用静态或准静态平衡解析法进行研究,这就使切削力、切屑变形等参数的理论分析结果与实验结果相差较大,不能准确而定量地揭示和解释切削过程中复杂的物理、力学变化机理。随着计算技术的进步和数值分析理论的迅猛发展,高精度的数值模拟技术和理论解析方法正成为研究切削机理的重要手段,而且也已成为虚拟制造技术的一个热点研究方向。本文利用非线性显式动力有限元方法和塑性结构冲击动力学理论对低碳钢切削过程进行研究,主要包括以下几方面内容:(1)利用通用非线性有限元程序,建立了低碳钢切削过程的三维显式动力分析模型。模型采用单点积分Lagrange算法的三维显式实体单元,切削层材料的流动应力依赖于应变、应变率和温度的变化,以复合几何物理分离准则模拟切屑的形成过程。通过合理建立切削几何模型并设置合适的计算参数,有效解决了数值模拟中的网格畸变问题,实现了对直角切削和刃倾角在10°-45°范围内斜角切削三维大变形过程的模拟。数值分析结果模拟出切屑从刀具开始切入直至切削达到稳定状态时的形成过程。模型中三维实体单元的变形和流动情况,可以清晰地表现出切削层金属晶粒的剪切滑移、纤维化和流动现象。对切削过程中切削力的变化情况,切削层材料的应力、应变、应变率、位移场、速度场、温度场以及刀-屑间接触压力等的分布情况做了系统研究。切削达到稳态时切削力及切屑变形等参数的模拟结果与实验结果相吻合,验证了模型的正确性和可靠性。(2)切削过程中,切屑与前刀面的摩擦界面是由滑动摩擦区和黏结摩擦区组成。采用修正的库仑模型模拟刀-屑间的摩擦接触关系,通过将刀-屑摩擦系数从0.1到0.6依次取值,研究刀-屑摩擦对切削力、切屑变形、切削温度、流屑特性、前刀面磨损及剪切面形状等参数的影响趋势和影响机理,并对以往研究中关于流屑特性、剪切面形状及前刀面磨损等的认识分歧给予了合理解释。该研究既可为不同切削润滑条件下切削结果参数的预测和控制提供参考,又可为实际切削加工中刀-屑摩擦系数的确定提供一种有效方法。(3)通过数值模拟和实验测试,研究了切削速度对切削过程的影响机理。研究结果表明,切削速度提高时,较高的变形速度对增加材料变形抗力的影响,基本抵消了由于材料热软化降低强度的影响;由切削速度提高引起的刀-屑间摩擦系数的减小是切削力和切屑变形减小的主要原因。本文建立了刀-屑摩擦系数随切削速度呈指数下降关系的摩擦模型。采用该模型得到的不同切削速度时的切削力与切屑变形的模拟结果与实验结果一致,表明该模型可以对在形成连续切屑条件下,切削速度对切削过程的影响机理进行准确而定量的解释和描述。(4)通过切削实验和数值模拟均可以发现,刀具对工件的切削存在明显的惯性冲击效应。本文对切削过程的动力响应特征进行了详细的描述和验证,并将刀具对切屑的冲击作用解析为承受阶跃载荷的理想弹塑性悬臂梁模型。通过对悬臂梁在冲击载荷作用下的动力响应模态进行分析,推导出刀-屑接触长度和主切削力上、下极限值的解析计算公式。结果表明,单位面积切削力的实验结果和数值模拟结果均在解析计算的极限值范围之内。而且发现,当刀-屑间摩擦系数较小时,切削力数值接近于解析计算的上限值;当刀-屑摩擦系数较大时,切削力数值接近于解析计算的下限值。(5)建立了斜角切削时剪切角和三向基本切削力的计算模型。在模型中提出,斜角切削时法剖面内的刀-屑摩擦力是流屑方向总摩擦力的分量,法剖面内的刀-屑摩擦角随流屑角的增大而减小。采用该模型对不同前角、不同斜角、和不同刀-屑摩擦系数时的三向基本切削力进行计算,计算结果与数值模拟结果高度一致。该模型从理论上解释了法剖面内剪切角随刃倾角增大而增大的模拟结果,是对已有斜角切削计算模型的有效改进。