切削过程中,零件材料在强烈的机械和热载荷作用下发生剧烈的塑性变形。加工塑性变形与零件表面完整性形成具有紧密的联系,进而影响零件的服役性能。目前,切削加工塑性变形研究存在两方面的挑战:一是现有的切削区加工塑性应变预测模型尚缺乏有效、直接的实验校验手段;二是由于材料本构参数和刀具-切屑摩擦模型存在误差,切削数值仿真模型难以准确预测剪切角、刀具-切屑接触长度和切削应力等关键物理变量。针对以上切削加工面临的挑战,本文利用高速成像技术对切削过程进行原位观测,获取零件材料切削区变形场,进而得到应变和应变率场,并基于零件材料本构模型,获取加工应力和加工表层显微硬度。在切削区工件应变应力预报研究中,本文取得了如下创新型成果:1.提出了通过切削过程应变/应变率高速成像,进行材料本构参数辨识的新方法。通过成像技术获得切削剪切角、刀具-切屑接触高度和变形场;进一步,进行切削过程有限元仿真,将仿真结果与实验结果进行比照,辨识出加工材料的本构参数。利用该方法,分别辨识了航空钛合金和铝合金材料的热粘塑性本构参数和塑性本构参数。2.提出了基于实验测量切削区变形场计算应力应变场的方法。首先根据实验测量切削区等效应变和等效应变率场以及材料塑性本构模型快速计算工件等效应力场;然后采用增量分析理论,计算弹塑性应变和应力场,根据平衡方程进行静水压强修正,获取切削主变形区的应力分量场,通过对应力场进行路径积分计算主切削力,与实验测量主切削力对比发现平均误差约为2%～18%;最后建立残余不平衡节点力与偏应力的关系,结合塑性流动法则修正切削工件速度场,获得满足边界条件和平衡方程的切削应力应变场,计算主切削力与实验测量结果最大相差5%。3.发展了切削应力应变场实验-数值混合仿真模型,通过逐步更新短行程切削仿真的初始等效塑性应变场、温度场和刀具-切屑摩擦系数,达到稳态切削状态。该方法充分利用了成像结果,获得满足稳态切削的零件变形场,以及满足边界条件和平衡方程的应力场。实验结果表明采用此方法获得的剪切角、刀具-切屑接触长度和主切削力与实测值比较吻合。4.建立了加工亚表层塑性变形半解析预测模型。采用Oxley和Fang切削模型预测加工表层机械和热载荷,基于接触力学和移动热源理论获取工件应力场和温度场,然后根据弹塑性力学理论和协调函数计算零件亚表层塑性应变,最后根据塑性变形与显微硬度的关系预测亚表层显微硬度。实验结果与预测结果对比表明:该模型可以较好的预测塑性变形与切削速度和未变形切屑厚度的关系以及显微硬度与未变形切屑厚度的关系。