高速铣刀安全性衰退机理及其跨尺度关联设计方法

高速铣削中，铣刀与工件发生碰撞、冲击使其产生高速激烈应变，铣刀组件结合面出现压溃、脆性或延性断裂等问题导致的铣刀安全性衰退已成为制约高速铣削效率提高的瓶颈，铣刀材料学行为的科学实质有待揭示。高速铣刀安全性具有动态特性，跨尺度关联是研究安全性衰退机理的"制高点"。 目前，研究高速铣刀跨尺度关联方法，探索铣刀材料结构与性质的本质联系，为新型高速铣刀的研制提供科学依据和设计方法，是高速铣刀设计研究新方向。本申请拟在已有的高速铣刀减振机理和结构化设计方法研究基础上，研究非线性多场强耦合作用下高速铣刀安全性稳定性，揭示安全性衰退机理；重点研究连续介质－分子动力学关联问题，探究原子群运动和连续介质运动的耦合匹配关系，建立安全性衰退本征/非本征模型并研究其交互作用，提出高速铣刀跨尺度关联设计方法。课题的完成将在高速铣刀设计理论上取得突破，研究成果在该领域达到国际先进水平。

为揭示多强场耦合作用下高速铣刀安全性的科学实质，解决高速铣刀安全性衰退导致的不稳定切削等问题，采用结构化设计方法构建高速铣刀安全稳定性物理原型，提出了高速铣刀安全性表征方法，获得了离心力与动态切削力交互作用对铣刀安全稳定性、组件变形行为及铣刀完整性破坏影响规律，建立了高速铣刀宏观层次安全性衰退行为特征模型，阐明了铣刀组件宏观模型形变、结合面压溃、延性断裂对结构、合金成分、切削参数的响应特性。. 在分子力学结构优化基础上，获得了铣刀组件最优构型，阐明了高速铣刀组件晶面解理、位错形核、位错运动和塞积、微裂纹扩展、晶界迁移、位错攀移对应力及应变速率的响应特性，建立了高速铣刀介观层次安全性本征/非本征模型，揭示出高速铣刀安全性衰退的介观本质特征及演变规律。. 沟通与整合介观/宏观层次理论，建立了原子/有限元交叠带模型，提出了基于力连接的高速铣刀连续介质－分子动力学关联方法，实现了材料点与原子间相互转换，验证了材料点区域和分子动力学区域的同步关联演化过程，揭示出组件材料原子点阵位错运行转变为连续介质位错群的动态过程；建立了原子群熵值的分析模型，提出乱序原子判定，阐明了原子群运动和连续介质运动的耦合匹配关系，建立了高速铣刀安全性衰退本征/非本征模型，揭示出高速铣刀安全性衰退机理及跨尺度同步关联演变规律。. 阐明了高速铣刀安全性本征/非本征衰退交互作用，揭示出铣刀结构、合金成分、切削参数对安全性衰退的影响规律，构建了安全稳定性和完整性约束条件下的高速铣刀设计原型；通过沟通和整合介观结构域、宏观结构域和功能域之间映射变换途径，建立底层功能优化设计模型，形成高速铣刀跨尺度关联设计方法。.本项目重点解决了高速铣刀介观/宏观安全动态特性、高速铣刀原子群运动与连续介质运动耦合匹配关系、高速铣刀安全性本征/非本征衰退及其交互作用机理等关键科学问题，揭示了多强场耦合作用下高速铣刀安全性的科学实质，实现了安全性衰退行为的定量描述，获得了铣刀结构、材料、切削参数对安全性衰退影响规律，实现了高速铣刀跨尺度关联设计，为完善《高速铣刀安全性要求》国际标准和高速切削刀具设计提供了理论依据和技术指导。