信吉平 肖世宏 周 鹏

（1.中国航空制造技术研究院，北京 100024；2.数字化制造技术航空科技重点实验室，北京 100024；3.复杂构件数控加工工艺及装备北京市重点实验室，北京 100024）

金属切削是一个复杂的物理过程[1-3]。工件在刀具的挤压作用下，切削层材料由于塑性变形而发生滑移。这个过程从始滑移线开始到终滑移线结束。材料在经过第一变形区后，沿着前刀面流出形成第二变形区，从而产生切屑，这是一个大变形或者自由边界问题。在切削第一变形区和第二变形区时，塑性变形和摩擦都会产生热量。热量会引起温度场的变化，温度场会引起弹塑性本构关系的变化，这是一个热传导方程和弹塑性方程的耦合问题。在金属切削数值计算中，既要考虑热弹塑性问题，也要考虑自由边界问题，且两个问题还需要进行耦合。这里主要针对自由边界问题进行研究。切屑的形状分为带状、节状、粒状和崩碎。金属切削包括车、铣、刨、磨、钻和镗等种类，因此切屑的自由边界非常复杂，且是计算的关键点和难点。

处理金属切削自由边界问题需要特殊的方法，主要包括任意拉格郎日-欧拉方法（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE）、耦合的欧拉-拉格郎日方法（Coupling of Euler-Lagrange，CEL）和光滑粒子流体动力学方法（Smoothed particle Hydrodynamics，SPH）。 在 通 用 商业软件Abaqus、LS-Dyna、MSC Marc和专业切削软件AdvantEdge、Deform中，分别采用了这几种方法。CEL方法的特点在于拉格郎日区域和欧拉区域的耦合。由于CEL方法中欧拉方法的属性，它在精确跟踪自由边界上存在一定的难度，因此本文不作考虑。现深入比较粒子有限元方法、ALE方法和SPH方法的原理和特点，并选择PFEM开发金属切削粒子有限元求解器。……