图 1 两种屈服准则的屈服轨迹比较
对于大多数金属材料，Von Mises 屈服准则与实验数据更为吻合，故本研究建模时选
择 Von Mises 屈服准则作为材料是否进入屈服状态的判定标准。材料在热软化过程中
将出现流动性，单个塑性应变分量 eplx、eply 的发展方向可通过流动准则来描述，其
表达式为

式中：epl——材料的塑性应变
l——塑性增量系数
Q——决定材料应变方向的应力函数
随着塑性应变的发展，屈服准则可用等向强化和随动强化两种强化准则来描述，本
研究选用了多线性等向强化准则(MISO)，它采用输入最多 5 

—

个应力 应变数据点的

—

方法来表示应力 应变曲线，适用于遵守 Von Mises 屈服准则、按比例加载的情况以
及大应变分析。
在切屑形成过程中，切屑中单元位移的改变和单元取向的改变会影响模型的总体刚
度，这是一个包括大应变和大挠度的几何非线性问题，对于此类问题，可以通过激
活大应变效应方程迭代出一个正确的解。
刀具前刀面与切屑之间以及刀具后刀面与已加工表面之间均存在摩擦。为了正确描述
摩擦模型，必须考虑整个过程的状态非线性接触问题，本研究选用了刚性体对柔性
体的接触模式。由于前刀面上存在粘结区和滑动区，且两区域的位置因切削条件不同
而异，故可通过设置一个最大许可剪应力 tmax 来加以控制，即界面剪应力低于 tmax
的区域为粘结区，界面剪应力高于 tmax

 

的区域为滑动区。

为使数值模拟实验更具代表性，本研究选取硬质合金 WC-TiC-TaC-Co 作为刀具材料，
其弹性模量 E=550GPa，泊松比 µ=0. 3；选取 A3 钢作为工件材料，其弹性模量
E=210GPa，泊松比 µ=0.

3，极限应力 sb=520MPa，屈服应力 ss=320MPa，极限变形为 20%。

图 2 直角自由切削有限元模型

图 3 剪切角形成图

图 4 刀具体有效应力分布图