文献综述
1.研究背景及意义
金属切削广泛应用于机械零件的加工,所以研究金属的切削加工过程有着十分重要的意义。切削力、切削温度和刀具磨损是反映金属的切削过程主要物理特性指标。在金属切削过程中切削热和通过切削热生成的切削温度，直接影响了刀具的磨损程度和其使用寿命，同时也会影响加工工件的表面质量和加工精度。长久以来，人们主要是从金属切削理论和金属切削试验两个大方面来进行金属切削研究的[1]。
随着计算机技术的发展，利用有限元分析的方法，使得对刀屑的最初接触到进入稳态切削的整个过程进行瞬态模拟成为了可能。有限元模拟的方法成为近三十年来进行切削加工过程研究的重要的手段之一[2] 。40多年来伴随着计算机技术的迅猛发展，有限元法已经从二维发展到了三维，几乎应用在了所有科学技术领域。有限元法 ( FEM)已经成为金属切削过程仿真的有效工具。 以计算机为工具，应用商业有限元软件包来模拟仿真大量的工程实际问题，以成为当今工程技术研究领域的热门方向，这也是当今高科技技术不断发展的必然趋势。实践证明，采用有限单元法来数值模拟解决工程实际问题能够达到所需的精度，具有很高的可靠性。而且，通过计算机的模拟仿真可以节省大量的人力和物力还可以得出许多从实验中很难得到的重要数据，仿真结果形象、直观，对实践有着很高的指导价值。采用有限元法来模拟仿真超精密的切削过程，不但可以深入地了解微量切削过程中影响加工质量的各种因素的变化规律，而且能进一 步地了解超精密切削机理，这对提高我国精密产品的制造水平具有很重要的意义[3]。
2.金属切削有限元仿真的发展现状
2.1 国内发展状况
学者李艳慧等在2017年应用有限元仿真技术与工程模拟有限元软件ABAQUS,研究了高速切削加工过程中产生的锯齿状切屑的形成过程，通过建立几何模型与材料模型、划分网格、确定切屑分离准则与材料失效准则、设定边界条件等步骤，建立了淬硬45钢(45HRC)高速切削过程三维有限元模拟仿真模型，分析了切削参数对淬硬45钢高速切削中锯齿形切屑的影响[4]。 孔虎星等在2011年的研究中，基于弹塑性的有限元理论建立了钛合金的二维切削模型，运用通用有限元软件ABAQUS对钛合金的切削加工过程进行了非线性的热-弹塑性仿真分析。研究了切削中涉及到的有限元网格模型、材料本构关系、刀屑间摩擦和材料失效准则等关键技术，得出了切削中的材料表面应力应变和温度分布，为钛合金的切削工艺优化提供了一种方法[5]。通过有限元软件 ABAQUS6.13 建立对奥氏体不锈钢（0Cr18Ni9）的正交切削仿真模型，并对其进行二维有限元仿真。分析不锈钢在切削加工过程中应力分布，通过改变刀具前角、切削速度以及进给量对切削力的影响规律，为今后研究不锈钢的切削加工及其切削机理提供参考依据[6]。
2.2 国外发展现状
1993年，Maekawa和Maed首先建立了金属切削三维模型，他们考虑了工件材料的弹塑性、温度和应变率对应力的影响，刀屑间的摩擦和刀具的磨损等方面，分析了主切削刃和副切削刃对工件作用的异同[7]。Ueda和Man.abe等人应用刚塑性有限元法建立了三维切削模型，在切削速度极低和不考虑切削热、应变率对流 动应力影响的情况下，模拟了中碳钢切屑的形成过程[8]。2002 年，P．J．Arrazola，F．Meslin，C．R．Liu，Y．B．Guo等人也对三维金属切削过程的模拟进行了深入研究，分别建立了金属切削仿真的二维和三维切削模型。他们采用了网格自适应重划算法(adaptive remeshing algorithm)来解决刀屑接触区局部单元所产生的大变形问题，分析了切削过程中的工件和刀具中的温度场、VonMises应力分布等，成功地模拟了切屑的形成过程．因为网格自适应重划算法需要事先假设切屑的初始形状，这样可以避免计算过程中产生的不收敛问题，但对仿真的结果的准确性会产生一定的影响。1987 年，Iwata 等人使用超精密切削设备和金刚石刀具切削了无氧铜( OFHC) ，测量了切削力和工件中的温度值. 1989 年,Moriwaki 等人通过理论和实验分析了超精密切削中切削热对刀具和工件变形的影响，也分析了已加工表面的完整性,但是他们没有考虑工件已加工表面中的残余应力[9] 。1999年，Lucc等人做了一系列切削实验,切削深度从0.025mm 到 15mu;m，他们采用无氧铜作为切削对象，研究了切屑形成刀-屑间的滑动,刀具对工件的耕梨作用。 研究发现只有当切削深度在 2mu;m 以下时才应该考虑切削刃钝圆半径对耕梨力的影响作用[10] 。 1993 年，Moriwaki 等人利用刚-塑性有限元方法模拟了无氧铜的微切削过程，研究了刀具与工件中温度的分布情况[11]。 Zone-Chin Lin,Ship -Peng Lo 等人研究了超精密切削过程中产生的切削热对切削力和工件变形的影响以及切削速度对切削力和残余应力的影响[12]。 通过研究发现,在工件材料受力变形过程中，应变、应变率和温度对其材料流动应力的影响中，温度的影响是最大的。切削过程中产生的大量的切削热可以使工件中的残余应力减小、工件已加工表面变形减小。如果不考虑切削热的影响，则切削速度对工件的残余应力有较大的影响。 切削速度越大，则残余应力和工件表面的变形都增大[13]。 Kug Weon Kim,Woo Young Lee,Hyo -Chol Sin 等人以无氧铜作为研究对象，采用有限元方法研究了超精密切削加工过程中刀具切削刃钝圆半径对切削热、工件残余应力和切削力的影响规律。由于考虑了切削刃钝圆半径的影响，因而可以分析切削深度和切削刃钝圆半径尺寸在同一个数量级时的微量切削过程。综上可见，尽管国外关于金属切削过程有限元模拟方面的研究工作已经开展多年，但以往的研究仿真时仅考虑了加工过程中的某个或某几个因素，编写相应的有限元子程序，编写一个专用的有限元程序是一项繁重的工作，而且往往会出现一个问题:个性成果很多，各种有限元程序也很多，但并没有形成对于切削加工过程模拟的专用程序。受编程水平的限制，仿真结果与实验结果往往相差很大[14]。
