鋁7075介觀尺度切削過程的仿真研究*

（北京理工大學，北京 100081）

近年來，生產具有軍事、醫療用途的微型發動機、血管清道夫以及尺寸微小、功能復雜的微型機電產品正在成為一種趨勢，這種產品小型化的趨勢使介觀制造技術成為研究的熱點。介觀切削不僅僅是宏觀切削在尺寸上的減小，而且存在諸如尺度效應、最小切削厚度等與宏觀切削截然不同的特點和機理。由于經典塑性理論不能表現材料在不同尺度層次上的不同力學響應行為，因此不能很好地解釋尺度效應。為了解釋介觀切削中的尺度效應，描述當切削量與材料特征長度相當時的材料變形特征，研究人員引入了基于微觀機制的應變梯度（Mechanism-based Strain Gradient，MSG）塑性理論；在MSG理論中，為了平衡應變和應變梯度的量綱引入了材料內稟長度l(長度量綱)，成功揭示了金屬材料的尺度效應，即材料強度隨特征尺寸的降低而增加的現象。Jin[1]等擴展傳統的切削理論，分析了微切削過程中刀具切削刃鈍圓半徑對尺度效應的影響；Lai[2]、Liu[3]、Ding[4]等將MSG理論運用于材料銅、Al5083、H13模具鋼的有限元仿真建模研究之中。

一般微型產品都對產品的輕量化有一定的要求，在鋁合金材料中，Al7075具有很高的強度，非常適合用于制造輕量化要求高的飛機承載結構件，如飛機零部件、齒輪和軸等，尤其是微型飛機發動機的零部件[5]。針對Al7075的微切削加工開展基于MSG理論的有限元建模技術研究，首先建立Al7075的介觀尺度力學性能的本構關系，然后結合ALE算法建立切削過程有限元仿真模型，最后通過Al7075微切削的有限元仿真，研究介觀尺度下Al7075材料的最小切削厚度、單位切削力以及尺度效應。……