高速铣削刀具的微观破损机理与刀具抗破损设计方法的研究

在高速立铣加工过程中，由于刀刃高频切入切出，刀具在多物理场及多种因素的耦合作用下常发生早期破损和非正常破损。本项目针对高速铣削刀具的早期破损现象，深入研究高速铣削刀具的微观破损机理与演化过程，基于可移动元胞自动机模型定量阐述的刀具破损行为，研究刀具破损的从微观到宏观的多尺度描述和微观破损判据，建立刀具破损过程中宏观-微观结合的刀具物理场自组织计算分析方法；分析刀具参数/切削材料/切削参数等因素与刀具破损之间的复杂映射关系，建立高速铣削过程的各种因素对刀具破损的定量描述和机理性表达，获取影响刀具破损的关键因素集合；基于微观抗破损判据，以追求健壮性和抗破损的刀具为设计目标，融合自上而下的数学模型控制与自下而上的自组织演化机制，建立对强耦合工作环境效具有健壮性的刀具结构迁移规则，构建抗破损刀具的自组织设计和评价体系，为抗破损和环境可控的高速铣刀设计提供试验数据和原创性设计方法。

在高速立铣加工中，由于刀刃高频切入切出，刀具在多物理场及多种因素的耦合作用下常发生早期破损和非正常破损。本项目针对高速立铣难加工材料时，刀具发生的早期破损和非正常破损问题，深入探讨了高速铣刀的微观破损机理，建立了基于多种耦合效应驱动的高速铣削刀具的抗破损设计理论，进行了整体高速铣刀的抗破损设计研究。本项目的主要进展如下。. 1. 建立了立铣刀高速铣削的侧刃和横刃的切削力模型与温度场模型，然后合并侧刃和横刃的模型，得到了立铣刀的切削合力模型与温度场预测模型。预测值与实验值、仿真值的比较表明，所建模型能较好预测刀具的受力状况和前刀面温度场，为研究立铣刀力热耦合冲击提供了理论依据。. 2. 进行了高速铣削切削力、热、振动、破损综合试验研究，对刀具的各种破损形态及破损的微观机理进行了详细的分析与讨论。通过切削试验和数值仿真研究了高速铣刀破损的形式、分类及多种因素的影响规律，揭示了高速铣削刀具的微观破损机理，明确了刀具从局部（微观）破损到整体（宏观）失效过程。. 3. 针对高速铣刀破损问题，建立了刀具切削过程的力热耦合方程，分析了切削力、切削热和力热耦合对刀具的影响，详细讨论了力热耦合作用下刀具的应力和变形机理，揭示了力、热单一物理场及其耦合场对刀具结构及刀具破损的作用机理。. 4. 提出了高速铣刀抗破损性能的灵敏度解析方法，定量计算和表达了刀具抗破损性能对结构参数的敏感度，获得了铣刀结构最为关键的若干参数；为高速铣刀的抗破损设计提供了方向，提高了抗破损设计的效率，也为高速铣刀的制备控制提供了可量化的参考依据。. 5. 提出了基于MDO的高速铣刀抗破损设计方法，集成各个学科的设计分析软件，统一各软件之间的数据接口，并在设计分析过程中考虑不同学科间的耦合作用。利用人机接口控制整个多学科设计优化过程，实现了自动设计和自动寻优，完成了高速铣刀抗破损设计等高层次的设计优化。. 6. 提出了高速铣刀抗破损性能灵敏度定量评价方法和综合评价方法，既可以用于高速铣刀抗破损性能评价，也可以用于高速铣刀设计优化的收敛条件或约束条件，实现了对刀具抗破损特性的定量和定性认识。. 本项目发表论文24篇，录用论文1篇。其中SCI检索3篇，EI检索14篇；SCI待检索1篇，EI待检索3篇；国内核心期刊发表4篇。硕士研究生毕业3人，开题3人；博士研究生毕业1人。