介观尺度应变梯度强化作用下微薄壁铣削加工变形预测与参数优化

In recent years, with the development of micro-nano manufacturing science and technology, miniaturization of products has gradually become a new trend in the fields of aerospace, information and communications, new energy, etc. Micro-milling technology is widely used in precision machining of micro thin-walled products in above fields. The micro-thin wall generates significant machining deformation in micro-milling under the dynamic cutting force and heat load effect, affecting product performance. Aiming at deformation problem in micro milling of micro thin wall, this project intends to investigate the material strengthening phenomenon caused by strain gradient, derive the mesoscopic material elastic-plastic constitutive model considering strain gradient by using the strain-gradient plasticity theory, and establish the micro-milling cutting force and temperature model considering strain gradient and the edge radius. The multi-physics finite element method is employed to predict the machining deformation of micro thin wall in micro milling with cutting force, heat and deformation feedback coupling effects, and the process parameters optimization model in micro milling of micro thin wall is developed by using the reinforcement learning algorithm, The achievements of this project will be applied in milling of hypersonic (above Mach 5) precooled engine inlet surface cooling micro-fluid channels. It contribute to enrich the theory of micro milling of micro thin wall, and expand the applications of micro milling in the precision machining of micro thin wall.

近年来，随着微纳制造科学与技术的发展，产品微小型化在航空航天、信息通讯和新能源等领域已逐渐成为一种新趋势，微细铣削技术被广泛应用于上述领域微小型薄壁加工。微小型薄壁微细铣削加工中工件在动态切削力热载荷作用下产生明显加工变形，影响产品使役性能。针对微小型薄壁微细铣削加工变形问题，本项目分析介观尺度工件材料应变梯度引起的材料强化现象，采用应变梯度塑性理论推导介观尺度工件材料弹塑性本构模型，建立考虑工件应变梯度和刃口钝圆半径的微铣削切削力热模型。采用多物理场有限元方法，建立考虑切削力热作用和变形反馈耦合的微薄壁微细铣削加工变形模型，提出基于工艺知识数据和强化学习算法的微小型薄壁微细铣削工艺参数优化方法，在超高音速（速度大于5马赫）预冷发动机进气道表面冷却微流道铣削加工中进行应用验证。本项目的研究成果有助于丰富微薄壁微细铣削加工理论体系，拓展微细铣削技术在微薄壁加工领域的应用。

近年来，微铣削技术被广泛应用于航空航天等领域的微小型零件加工。本项目围绕微细铣削机理分析、铣削力热建模、铣削加工变形预测、工艺参数优化开展研究，在发动机进气道表面微流道加工中初步应用验证。主要内容如下：.（1）构建了考虑时变磨损的微细铣削切削力预测与刀具状态辨识模型。揭示了耕犁效应和摩擦效应引起的微铣削非线性尺度效应机理，构建了考虑时变磨损的滑移线场模型；提出了一种考虑刀具磨损和尺度效应的微细铣削切削力模型，预测结果和实验值在x方向和y方向的平均误差分别为6.59%和6.81%；采用高斯过程回归方法实现了切削刃轮廓在线辨识，刃口钝圆半径和磨损带宽度的辨识相对误差分别为1.98%和1.74%。.（2）构建了微细铣削加工过程中铣削力、加工变形的快速预测代理模型。提出了高斯代理模型与贝叶斯框架混合驱动的微小薄壁件加工误差预测方法，采用贝叶斯框架下的马尔可夫链蒙特卡罗算法实现了系数辨识，单点的预测时间减少至5.46ms，预测的均方根误差为4.5137μm；提出了一种基于样本迁移学习的几何位置驱动方法，实现微小型薄壁微细铣削加工变形的快速预测，平均预测误差控制在8μm以内，预测时间缩短为常规方法的22%。.（3）提出了基于动力学约束的微小型薄壁微细铣削工艺参数优化方法。揭示了切削刃轮廓变化对第三变形区接触应力分布状态的影响规律，建立了加工过程阻尼力预测模型；建立加工参数与表面粗糙度、形位误差、变形间的复杂映射关系，建立了多目标优化混合模型；在进气道表面微流道开展了微铣削应用验证，实现了颤振稳定性与切削力约束下的加工参数优化。.在IJMS、Wear等国际权威期刊以及国际学术会议发表了高水平论文8篇，其中SCI收录7篇，EI会议论文收录1篇；申请发明专利5项（授权1项），相关成果得到了华中科技大学丁汉院士、南京航空航天大学李迎光教授团队的正面评述，丰富了微细铣削加工理论体系。