随着航天航空、石油化工、食品医疗、民用核电、航海工业等的迅速发展,像钛合金、不锈钢等的难加工材料需求量同时也在快速增加。然而,这些具有高综合性能的材料在切削加工过程中却面临着严峻挑战,加工时糟糕的刀-屑界面环境,大量积屑层（瘤）的堆积以及严重的刀具磨损共同制约着它们的加工效率。因此拥有良好减摩效果的同时又能够延长刀具使用寿命是开发新型切削刀具的重要意义之一,而在前刀面上设计新颖的限制接触结构又将是改善切削性能的重要途径。但是截至目前关于限制接触切削加工机理研究与实际的限制接触应用尚存在诸多问题,其难点在于传统的二维限制接触切削模型理论分析无法应用于更加实用的变限制接触切削,同时使用单一的二维解析方法分析变限制接触切削产生的切削力存在结果不确定性,这与缺乏变限制接触长度切削理论有密切的关系。此外,对于变限制接触长度刀具在切削难加工材料方面仍缺乏深入的机理研究。结合以上重点难点,本研究将以316L奥氏体不锈钢和硬质合金刀具作为主要研究对象,以减少刀-屑界面温度和增加刀具使用寿命为目的,在保证刀具适用性的前提下在前刀面上开展变限制接触结构的设计。同时从切削理论入手,以具体的切削试验为基础并结合有限元分析方法,尝试建立变限制接触长度切削过程中的力学分析模型,同时也将进一步探究与分析新型变限制接触长度刀具关于奥氏体不锈钢的切削性能、刀具磨损情况以及对表面完整性的影响,阐明变限制接触结构在切削过程中的作用机理。其中具体的研究如下:1.提出并建立关于变限制接触长度刀具在非自由车削过程中切削力分量的预测模型。在研究中首先构建了限制接触刀具在正交自由切削时切削力的分析模型,然后根据第一变形区非等分剪切带理论、金属切削原理以及统一力学原则,提出了相对应车削过程中变限制接触长度刀具的三维切削力分析模型。通过结合实验结果以及对限制接触长度与模型关系的讨论,建立了变限制接触长度刀具在车削过程中切削力分量的分析预测模型。最终在通过对比大量的试验结果后验证了所提出模型的准确性。2.建立热-力耦合的有限元分析模型,对限制接触切削加工过程进行仿真研究与分析。其中主要包括:对比分析传统切削、限制接触切削以及变限制接触长度切削的区别;建立限制接触切削的数学-力学模型;分析与研究切削参数与限制接触刀具参数对限制接触切削过程中关键输出结果,例如切削力、等效应力、等效应变等的影响规律;探明加工参数、限制接触长度以及变限制接触形状对限制接触切削过程中刀-屑接触与切屑形成的影响。3.通过对切削过程中产生的现象以及实验后的相关结果表征,建立了普通切削、传统限制接触切削和变限制接触长度切削在干环境下切削性能全面且系统的评估方法。采用不同的分析方法,从切削功率、刀具振幅、切削力、刀-屑接触界面摩擦、切削温度、切屑形成、刀具磨损以及表面粗糙度、硬度分布、残余应力、表面织构等表面完整性方面进行了分析与研究,并评价所设计的变限制接触长度刀具的切削性能;分析了普通刀具、传统限制接触刀具和变限制接触刀具产生的切削力、切削温度、切屑厚度、切屑卷曲半径、表面粗糙度随加工参数的变化规律,探究在不同切削参数下变限制接触结构对切削性能的影响。4.通过对变限制接触刀具在切削过程中降低热-力载荷、减少摩擦系数、增加刀具抗磨损性能等的结果,讨论并揭示了变限制接触切削机制以及其结构改善切削性能的作用机理。一方面,由于不同变限制接触形状存在于刀-屑界面,在原有的矩形限制接触基础上又进一步减小了刀-屑接触区域的面积,这将有利于减少切削力与温度载荷。一方面,变限制接触结构的存在改变了正应力在前刀面上的分布情况,这将增加正应力的平均值,降低表观摩擦系数并改善刀-屑界面间的摩擦性能。另一方面,变限制接触结构所形成的空隙区域也将更有利于收集硬质磨粒,更短的刀-屑接触长度还会抑制材料冷焊粘附过程以及硬质微磨粒对刀具表面的耕犁破坏,减小刀具磨损。对于以上研究成果,在建立变限制接触长度切削力分析模型的基础上,还探明了变限制接触切削加工机理,这将为今后开发高性能刀具的相关设计理论和方法提供坚实基础。