内容简介

本书旨在系统、全面地介绍基于有限元的金属切削机理，为从事相关切削理论的科学技术人员、机械科学与工程及其相关专业的研究生提供参考和指导。主要内容有金属切削基本理论，有限元理论基础，稳态切削加工中刀尖形态影响及切削死区形成研究，基于摩擦强度的切削死区形成机理研究，非稳态金属切削过程的锯齿形切屑形成研究，切屑锯齿化程度的研究，已加工表面质量的研究等。书中大部分内容来源于作者在日本留学期间的研究成果，以及回国作者所带领的团队近年来从切削制理论所积累的数据和国内外出版物及论文。全书内容完整、结构严谨，为从事金属切削的专业技术人员提供一定的技术参考。

作者简介

王大中，男，1966年出生，上海工程技术大学机械工程学院副教授、科研处副处长，中国机械工业金属切削刀具技术协会切削先进技术研究分会理事、美国电气和电子工程师协会(IEEE)会员、上海市自动化学会会员、上海仿真学会会员。2002 年东渡日本留学，师从于日本著名的机电控制理论专家山形大学大久保重范教授。2005 年、2008 年分别取得日本山形大学工学硕士和工学博士学位，专业方向为机械工程及其自动化。王大中长期在海外学习工作，在金属切削理论、智能机械、生体机能控制及机器人的研发等方面积累了丰富的经验。2009年归国进入上海工程技术大学从事科研与教学工作。2012 年作为访问学者师从上海交通大学朱向阳教授，依托上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，从事生机电一体化、切削振动主动控制研究等工作。目前发表SCI论文30篇，出版专著2部，教材3部。

目录

第1章 绪论 1
1．1 金属切削有限元仿真研究现状及发展趋势 1
1．1．1 金属切削有限元建模研究现状 1
1．1．2 金属切削有限元仿真研究进展 5
1．1．3 金属切削有限元仿真研究发展趋势 8
1．2 本书主要内容 9
参考文献 10
第2章 切削理论基础 15
2．1 金属切削变形 15
2．1．1 切屑类型 15
2．1．2 切屑卷曲 17
2．1．3 切削变形规律 23
2．2 切削力 26
2．2．1 二维切削 26
2．2．2 三维切削 28
2．2．3 切削力变化规律 30
2．3 切削热 32
2．3．1 切削热的产生与传递 33
2．3．2 切削热变化规律 35
2．4 刀具的失效 38
2．4．1 刀具磨损 39
2．4．2 刀具破损 40
2．4．3 刀具耐用度 41
2．5 已加工表面质量 44
2．5．1 表面粗糙度 46
2．5．2 表层硬化 47
2．5．3 残余应力 48
2．6 本章小结 50
参考文献 52
第3章 有限元仿真方法 58
3．1 金属切削模型 58
3．1．1 材料模型 59
3．1．2 几何模型 60
3．1．3 摩擦模型 62
3．1．4 剪切区域模型 65
3．2 有限元方法求解步骤 65
3．2．1 基本思想 65
3．2．2 求解步骤 66
3．2．3 分析过程 68
3．3 金属切削有限元方法 69
3．3．1 拉格朗日有限元方法 70
3．3．2 欧拉有限元方法 71
3．3．3 任意拉格朗日?欧拉有限元方法 71
3．4 有限元建模中的几个问题 73
3．4．1 分离准则 73
3．4．2 其他准则 77
3．4．3 热传导方程 78
3．5 本章小结 79
参考文献 80
第4章 金属切削死区形成机理研究 83
4．1 引言 83
4．2 刀具形态有限元仿真 87
4．2．1 有限元模型建立 88
4．2．2 速度场分析 93
4．2．3 应力场及温度场 94
4．2．4 残余应力的分布 96
4．2．5 切削力与进给力 97
4．3 稳态摩擦死区形成机理 98
4．3．1 切削死区形成 98
4．3．2 切削速度影响分析 100
4．3．3 稳态摩擦强度 102
4．3．4 有限元网格划分 102
4．4 动态摩擦死区形成机理 104
4．4．1 有限元建模 107
4．4．2 摩擦条件类型 108
4．4．3 静态摩擦规律分析 109
4．4．4 动态摩擦规律分析 113
4．5 本章小结 115
参考文献 116
第5章 材料硬化对切屑形成影响的研究 122
5．1 引言 122
5．2 材料硬化率几何模型 124
5．3 拉格朗日有限元模型 126
5．4 非稳态切削条件下有限元仿真研究 128
5．4．1 切屑形态分析 128
5．4．2 切屑的形成过程 131
5．4．3 材料硬化率分析 131
5．4．4 应变场及温度场 132
5．4．5 应力场及温度场 133
5．4．6 切削力与切削能量 134
5．5 本章小结 135
参考文献 136
第6章 切屑锯齿化程度研究 139
6．1 引言 139
6．2 锯齿状切屑形成机理研究 143
6．2．1 有限元模型构建 143
6．2．2 锯齿状切屑的形成 144
6．2．3 模拟仿真分析 146
6．3 切屑锯齿化程度与表面质量研究 151
6．3．1 切屑锯齿化程度 151
6．3．2 切屑锯齿化程度系数 152
6．3．3 已加工表面质量 155
6．4 本章小结 157
参考文献 158
第7章 切削润滑条件对表面质量影响研究 161
7．1 引言 161
7．2 二维切削仿真研究 164
7．2．1 二维切削模型与切削形态分析 164
7．2．2 切削力与切削温度 166
7．2．3 工件表面应力的变化分析 167
7．3 三维切削仿真研究 169
7．3．1 三维切削模型与切屑形态的对比分析 169
7．3．2 切削力与切削温度 171
7．3．3 工件表面应力的变化分析 173
7．4 本章小结 174
参考文献 175
第8章 总结与展望 178
8．1 总结 178
8．2 展望 179

前言/序言

前言

金属切削加工是一个复杂的非稳态变化过程，具有大变形、热力耦合作用明显等特征。近百年来，许多学者在金属这一领域做了大量的工作，对切削加工技术的发展起到了促进作用，现在还有许多不为我们所知的理论需要探索，如切削过程中多因素非线性相互作用机理、基于热力学理论的刀具磨损机理、镗削颤振产生机理等尚需要进一步研究。目前，有限元仿真已能解决金属成形仿真的相关问题，随着有限元分析软件的不断发展和成熟，对金属切削过程的研究已经从单因素试验进入多因素试验，从简单的静态观测进入复杂的动态观测，从宏观研究过渡到微观研究。有限元模拟仿真不仅形象、直观，而且能很好地反映切削过程中各个参数的变化状态。模拟仿真技术的进一步发展，将为金属切削有限元仿真

研究带来更广阔的空间。

本书综合作者多年从事金属切削的理论研究成果，借鉴本领域大量国内外文献资料，系统阐述近年来作者在本领域的最新研究成果。全书由8 章构成：第1 章是全书的绪论，主要考察基于有限元理论的金属切削机理研究的现状，回顾金属切削有限元理论成果及存在的不足，展望发展方向，阐述本书理论研

究的基本问题；第2 章阐述金属切削基本理论，包括切削力、切削热、表面质量等相关理论问题；第3 章进行金属切削有限元理论基本问题的探讨，为后续研究奠定基础；第4 章讨论金属切削过程中死区形成机理，包括稳态加工中不同刀尖形态有限元仿真分析，以及摩擦条件对金属切削过程中死区形成影响的有限元分析；第5 章开展材料硬化对切屑形成影响的研究；第6 章是切屑锯齿化程度研究；第7 章研究金属干湿切削加工的有限元仿真问题，通过二维和三维仿真分析，探讨不同切削条件下切削机理，开展已加工表面质量研究；最后是全书的总结与展望。

本书在成稿过程中得到了国内外同仁的大力支持。著者要特别感谢上海交通大学陈明教授，哈尔滨理工大学刘献礼教授，华侨大学黄辉教授，东北大学朱立达教授等给予的大力帮助。在成稿过程中实验室研究生高亚运、赵岗、张鹏飞、张嘉嘉、孔超、印佳慧等都做了大量的工作，感谢上海工程技术大学学术专著出版基金的资助，使得本书得以出版。

本书可作为机械科学与工程及其相关专业研究生的教材或参考书使用，也可供从事相关领域研究的广大工程技术人员和科技工作者自学参考。因成书时间仓促，错误之处在所难免，请同行给予批评指正。

著 者

2017 年12月