高能效铣刀波动力学损伤机理及其多尺度协同设计方法

In the effect of impact load in high-speed and interrupted cutting, the internal energy spread of high energy efficiency milling cutter of lightweight structure and material used in order to reduce the cutting energy consumption exists large difference. The milling cutter damage caused by severe vibration of part particles has restricted the improvement of cutter performance greatly, and scientific essence of the milling cutter damage should be revealed. Energy transmission and particle vibration which has caused the high energy efficiency milling cutter damage have characteristics of wave dynamics, and the evolution of milling cutter damage in different space-time scales exists complex interactions, which has a controlling influence on the macroscopic failure of milling cutter. Multi-scale association is an important method to investigate the wave dynamics damage of the high energy efficiency milling cutter. Nowadays, the study methods of multi-scale association and research of essence association between cutter material structure and properties are new fields of high energy efficiency milling cutter design This application, based on the existing high-speed milling vibration reduction mechanism and safety design method, plan to research the wave dynamics of milling cutter and the transient variability of energy efficiency, reveal the cutter damage formation and evolution mechanism , significantly research the trans-scale sensitivity of milling cutter wave dynamics and multi-scale coupling effect, find out the motivation and model control parameters of cutter damage formation and evolution, and put forward cutter multi-scale cooperative design methods to provide scientific basis and design methods for development of new high energy efficiency milling cutter.

高速、断续切削的冲击载荷作用下，为降低切削能耗而采用轻量化结构和材料的高能效铣刀，其内部能量的传播存在较大差异，部分质点剧烈振动导致的铣刀损伤已成为制约高速铣削能效大幅度提高的的瓶颈，铣刀损伤行为的科学实质有待揭示。 导致高能效铣刀损伤的能量传播和质点振动具有波动力学特性，且铣刀损伤在不同时空尺度上的演变过程存在复杂交互作用，对其宏观失效产生了控制性影响，多尺度关联是研究高能效铣刀波动力学损伤的关键。 目前，研究铣刀多尺度关联方法，探索铣刀材料结构与性质的本质联系，是高能效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安全性设计方法研究基础上，研究铣刀波动力学特性与瞬态能效多变性，揭示铣刀损伤形成和演变机理；重点研究铣刀波动力学损伤的跨尺度敏感性与多尺度耦合效应，探明铣刀损伤形成、演变的动因和模型控制参数，提出铣刀多尺度协同设计方法，为研制新型高能效铣刀提供科学依据和设计方法。

利用铣刀瞬态能效分析、评价模型和刀齿瞬时切削行为解算模型，设计出高能效铣刀物理原型；构建了高能效铣刀应力波的波动方程，提出铣刀波阵面求解方法，揭示出应力波在铣刀中的传播特性，建立了高能效铣刀宏观层次波动力学损伤行为特征模型。.建立和优化铣刀组件超晶胞模型，提出超晶胞力学特性的验证方法；利用连续介质和原子的跨尺度耦合模型，获得了铣刀组件空位、空位团及微孔洞等缺陷萌生、长大、聚合的动因与模型控制参数，建立了铣刀介观层次波动力学损伤本征/非本征模型。.利用原子群集群效应的熵值模型，验证了铣刀原子群与连续介质运动的耦合匹配关系；依据超晶胞本构关系与强度分布函数变化特性，提出铣刀损伤的跨尺度敏感性识别方法；提出应力波动过程与损伤成核、扩展速率过程的竞争与耦合效应表征方法，揭示出铣刀波动力学损伤演变的本征/非本征特性。.揭示出铣刀连续损伤场与损伤数密度关系，利用铣刀构形能量拉格朗日函数，表征铣刀损伤强度和损伤动力学特性；阐明了铣刀宏观应力波、损伤成核、损伤扩展等三个不同特征时间尺度与不同物理过程的协同演变与相互竞争机制和能量耗散特性，获得了铣刀多尺度损伤变量增值的时变特性与交互作用关系，建立了铣刀损伤时空变量动态分布控制方程，揭示出铣刀波动力学损伤演变规律。.建立高能效铣刀功能设计矩阵，采用时间序列法和灰色聚类评估方法，实现了铣刀损伤与能效特征变量在时间上的拓展；通过功能耦合度量化评估，重构设计矩阵，建立了底层次功能优化设计模型，形成高能效铣刀多尺度协同设计方法。.本项目重点解决了高能效铣刀波动力学损伤的跨尺度敏感性、多速率过程的耦合效应等关键科学问题，揭示出铣刀波动力学损伤形成与演变的动因与模型控制参数，为高能效铣刀的产品质量综合设计提供理论依据和技术指导。