材料动态本构模型和数据是面向高端制造的先进数据库的有机组成部分,现代加工技术以高速、高精度以及新型难加工材料为典型特征,尤其随着以第三代高强钢为代表的高强度钢、超高强度钢和以碳化硅增强的铝基复合材料(SiC_p/Al)为代表的高比强复合材料等先进的新型难加工材料的广泛应用,这些材料在高速精密加工中的切削力学、表面质量和刀具磨损有待深入研究。材料去除过程伴随着大应变、高应变率和高温条件下的极端变形,结合材料的动态力学特性研究深入探索切削机理对于实现新型难加工材料高速高精度加工技术和推进先进加工理论和技术的发展极为重要。本论文将针对航空航天、汽车等关键行业中用于制造关重件的SiC_p/Al复合材料这类典型难加工材料开展以下研究:面向高速切削的本构模型材料参数确定、基于相关性集成的非连续唯象本构建模、基于真实微观结构的SiC_p/Al复合材料多尺度力学行为研究、强非连续性SiC_p/Al复合材料高速铣削与钻削性能研究、SiC_p/Al复合材料切削刀具磨损机理研究。论文主要研究内容如下:1.提出了面向高速切削的的本构模型材料参数确定的多目标优化方法,以解决传统的本构模型材料参数确定方法试验成本大、精度低,以及高应变率下较差信噪比引起的数据波动性等问题。本方法以复合材料准静态和动态力学试验数据为对象,建立不同加载条件下基于测量误差加权的多目标优化函数,结合Levenberg-Nielsen算法,反向拟合Al6063/SiC_p/65p复合材料本构模型参数,实现其本构模型的快速、准确确定。并通过小孔钻削切削力、切屑形貌的试验与模拟结果对比,验证了基于测量误差加权的本构模型参数确定多目标优化方法的可靠性。2.提出了一种基于相关性集成的唯象本构建模方法,结合多权重的本构模型材料参数确定的多目标优化方法,并考虑塑性变形过程中应变率变化和温度补偿,根据拟合质量准则确定其本构模型基本形式及其材料参数,降低相同材料本构开发的不确定性和非统一性。针对SiC_p/Al6061复合材料建立了含有压缩损伤演化的塑性本构模型,通过本构模型材料子程序的开发,应用于Al6061/SiC_p/30p复合材料的二维车削仿真中。通过对比多种切削速度下切屑形态和切削力的仿真和试验结果,验证了基于相关性集成的本构建模方法建立的Al6061/SiC_p/30p复合材料本构模型的有效性和可靠性。3.建立起一个从离散原子尺度到连续介质尺度的分层多尺度细观力学模型,以逆向确定强非连续性SiC_p/Al复合材料微观结构和本构性质间的关系。为此,基于数字图像分析技术,并结合微观结构图像像素-有限元网格映射方法实现了SiC_p/Al复合材料真实微观结构的有限元建模;通过分子动力学模拟研究了不同温度下SiC_p/Al复合材料I型拉伸裂纹和II型剪切裂纹形成的界面力学行为,确定了用于表征其界面脱粘的界面应力-张开位移的内聚力模型;基于Taylor非局部塑性理论分别考虑材料制备淬火过程中由热错配和塑性变形过程中由模量错配引起的Al基体流动强化。动态力学试验和细观力学模拟的应力-应变曲线对比表明,基于SiC_p/Al复合材料真实微观结构的分层多尺度细观力学模型能准确预测SiC_p/Al复合材料的动态力学行为。在此基础上,开展了不同应变率下的微观损伤演化研究为SiC_p/Al复合材料高速切削加工表面形成的非协调机制起主导作用的理论分析奠定了基础。4.开展了Al6063/SiC_p/65p复合材料的高速铣削和钻削试验和仿真研究以及理论分析。根据铣削工艺参数和刀具几何参数,结合Armarego经典斜交切削力模型和Waldort滑移线场模型,并引入了材料塑性本构模型建立了高速铣削SiC_p/Al复合材料切削力预测模型。本文认为,高速铣削参数对加工表面形成和亚表面损伤的影响源于静水压力变换、SiC颗粒去除方式的改变、高应变率引起的应变和损伤的局域化以及几何变形的非协调性。相比于PCD钎焊钻头,CVD金刚石涂层钻头的切削力稳定、磨损较轻、钻孔质量稳定,更适合用于强非连续性SiC_p/Al复合材料的钻削。结合钻削有限元仿真,从断裂力学角度分析了孔棱边缺陷形成的主要机制。5.研究了切削含1.51wt%Cu的Al6063/SiC_p/65p复合材料金刚石刀具的主要磨损机制。SiC颗粒高频划擦引起的磨粒磨损和切削诱导的金刚石石墨化磨损为PCD钎焊钻头和CVD金刚石涂层钻头主要共同的磨损形式。切削SiC_p/Al复合材料时金刚石刀具石墨化机理为:在Cu催化反应和切削诱导高温压力条件下,金刚石表面化学吸附氢发生解吸附反应并在金刚石表面形成石墨薄层,以及随后由于硬质SiC颗粒的高频刮擦和冲击导致新形成的石墨薄层很快被刮掉,从而导致金刚石石墨化的持续发生。在Cu催化作用下,温度高于500 ~oC和压力低于15 GPa是切削Al6063/SiC_p/65p复合材料时金刚石石墨化转变的先决条件。基于金刚石刀具的主要磨损机制,提出了一个耦合磨粒磨损-金刚石石墨化磨损的磨损率模型,并开发了相应的刀具磨损率子程序,结合三维热力耦合的钻削有限元模型,有效预测了PCD钻头和CVD金刚石涂层钻头钻削Al6063/SiC_p/65p复合材料时的刀具磨损演变过程。