塑性材料的切削过程是包含弹性变形、塑性变形、断裂、摩擦和热场等物理现象的复杂过程。目前,分析塑性金属材料切削过程的主要理论是剪切滑移理论,剪切滑移理论对切削过程中的切削力、接触长度、变形系数等参数可以较好地解释和预测;断裂力学可以有效地解释切削中的分流点、斧劈效应、断裂等现象。切削过程具有动态复杂性,单独使用剪切滑移理论或断裂力学理论解释切削过程时,由于两种理论适用条件和观测尺度的不同,因此解释切削过程均具有一定的局限性。因此,综合剪切滑移理论和断裂力学理论合理解释切削过程不同阶段的物理现象就显得十分必要,两种理论的有机结合在对切削过程进行分析时互为补充,进而全面揭示切削过程的力学规律,进一步深入认识切削过程,为改进刀具设计、优化工艺参数提供更合理的理论基础。本文以典型的塑性材料为研究对象,建立了弹性阶段的力学模型、塑性阶段的滑移线场模型、裂纹开裂的断裂模型和裂纹动态扩展的切屑梁模型和塑性铰模型。通过正交实验和高速摄像的实验平台,分析了切削过程的滑移线场接触长度、切屑形态、切屑滑移带和切出阶段的断裂现象。揭示了滑移场的演变规律、切削过程中钝圆前部的开裂机理和三种切屑形态的转变规律。通过对切削过程不同阶段的研究,以切屑梁模型构建了剪切滑移理论和断裂力学理论之间的桥梁,将两种理论有机结合进而合理解释切削过程的物理现象。首先,以刀具和工件的接触状态为研究基础,采用弹性力学和赫兹接触理论,分析了点接触、钝圆接触、钝圆-前刀面接触状态下的弹性理论解,揭示了刀具位移和接触长度的变化的规律;建立切削力在弹性状态下的理论解,揭示切削力与刀具几何参数和工艺参数的非线性关系,为塑性分析、滑移线场构建和断裂分析建立了理论基础。其次,依据建立的前刀面和钝圆上的力场分布,建立点接触、钝圆接触、钝圆-前刀面接触共存的滑移线场;随着刀具的进给,滑移线场不断扩展,经历了钝圆接触、均匀进给、材料累积和稳定状态四个阶段;刀具与工件的接触区域稳定后,形成的滑移线场不会发生变化;分析了刀具几何参数和工艺参数等对滑移线场的影响规律。然后,以最大伸长线应变理论为基础,构建了死区和破坏区的判别条件,裂纹的产生利用裂纹张开位移理论来进行判别;裂纹开裂后将切屑作为梁模型,依据上下塑性区的边界,分析形成塑性铰的条件,结合断裂理论与塑性铰,分析锯齿状切屑形成的原因和临界条件。分析结果表明切削过程形成“刀具进给-裂纹张开-裂纹扩展”或“刀具进给-裂纹张开-裂纹扩展-塑性铰”的动态平衡状态。最后,针对典型的塑性材料紫铜和铝合金211Z,在刨床上开展正交切削实验,采用高速相机拍摄切削过程,将切屑收集后制样。利用金相显微镜将切屑的形貌和滑移带拍照。采用C#和Emgu CV编程实现轮廓的提取,将轮廓的点坐标输入到Solid Works中,对其轮廓进行拟合。通过高速摄像技术,分析切削紫铜时刀具-工件开始接触到形成稳定的切削过程中滑移线场的变化规律,验证了滑移线场发展的四个阶段;捕捉切出阶段的水平裂纹和斜向裂纹,验证钝圆前部张开裂纹的存在。通过图形分析技术,分析切削铝合金形成的切屑形貌,揭示了切屑的五段形貌和切削过程六阶段的对应关系。对切削过程的分析,在变形区域采用滑移线场分析,在刀具钝圆前部破坏区域采用断裂力学分析,通过切屑梁模型将两者有机结合在一起,能更好的解释切削过程中的物理现象。分析表明:塑性材料的切削过程中存在滑开裂纹和张开裂纹两种裂纹,并不是只有剪切滑移现象,不同的材料,两种断裂现象所起的作用不同;刀具钝圆在切削中起到十分重要的作用,对切削力、切屑变形、切屑形貌都具有重要的影响;分析切屑梁模型得出的切屑内表面发生的褶皱,可以很好的解释切屑内表面的张开裂纹;将塑性铰判据和裂纹扩展速度做为切屑三种形貌转化的判断依据。本文的研究内容将剪切滑移理论和断裂力学理论有机结合在一起,可以对切削机理的认识更深入更全面,为刀具设计和工艺参数优化提供新的视角。