多重分形自适应干切削刀具的设计理论及其抗磨机理研究

本项目提出了多重分形自适应干切削刀具的概念，即将多重分形理论用于干切削刀具系统设计和摩擦学设计中，通过合理配置刀具的结构与材料，设计并开发出多涂层及复合材料的自适应干切削刀具，结合实际干切削条件，有望实现加工工艺参数始终能适应刀具磨损的变化，最大限度的提高干切削刀具的寿命和加工效率。本项目以加工中的刀具、工件材料的力学性能、微观结构、摩擦磨损和干切削特性等为研究对象，利用多重分形谱的非线性优势描述刀具设计、摩擦磨损和切削加工中的各种复杂情况，充分考虑干切削时的局部高温和摩擦学特性，通过建模与试验研究手段获得自适应干切削加工中不同类型的刀具、工件的最佳匹配组合；最优的自适应干切削刀具材料和结构体系；切削摩擦系统的分形维数和分形描述；自适应刀具制备及切削的最优工艺参数，揭示出多重分形谱下干切削刀具磨损与自适应控制的规律，为有效解决干切削中刀具寿命和加工效率偏低的难题奠定理论与技术基础。

本项目将多重分形理论用于干切削刀具系统设计和摩擦学设计中，通过合理配置刀具的结构与材料，设计并开发出多涂层及复合材料的自适应干切削刀具，最大限度的提高干切削刀具的寿命和加工效率。按原定计划顺利地开展了研究，并且取得了较好的成果，重要进展主要为以下四个方面：. (1) 涂层、复合干切削刀具切削过程刀具磨损模型的建模研究。. 将马尔科夫链与灰色预测理论应用到刀具磨损模型建模中，并合理地引入有限元分析代码中，有效地解决了预期中涂层、复合干切削刀具的建模难题；并解决了在一个切削过程中，前刀面磨损KT与后刀面磨损VB同时的等价性预测问题。. (2) 刀具材料本构关系与热传递、接触与摩擦特性的建模研究。. 在切削摩擦中工件材料处在高温、大应变和大应变率状态，此时会发生热弹性变形，具有特殊的材料摩擦流动应力，对刀具影响很大。将切屑与工件的分离准则，断裂准则，刀屑间的接触，摩擦特性，能量耗散与局部热传导，以及网格重划分技术运用到三维刀具加工建模中，保证加工过程动态物理仿真结果正确性和可靠性。. (3) 切削加工中振动信号中分形特征的提取与分析。. 切削振动信号中可以提取一定的分形特征 (分维数)，用来判断刀具的磨损状态。从振动信号中可以提取一定的分形特征。分形维数反映的是信号的不规则程度，不受信号能量大小的影响。随着刀具磨损量的增加，振动信号的波形变化越来越不规则，信号的分形维数逐渐增大。. (4) 刀具磨损表面的粗糙度与分形维数的建模与实验研究。. 车削时刀具痕迹在加工表面占据主要因素，切削进给量的增加，使轮廓波形的周期变长，轮廓信号的低频成分增多，切削加工表面的变得粗糙，所以导致后刀面磨损VB的分形维数随着进给量增大而降低。