[发明专利]高效铣刀后刀面摩擦磨损边界跨尺度识别方法

权利要求书

1.高效铣刀后刀面摩擦磨损边界跨尺度识别方法，其特征在于：包括：

步骤1，刀齿后刀面特征点轨迹识别方法；

构建高进给铣刀及其刀齿结构，沿铣刀刀齿径向方向，与靠近铣刀中心的刀齿刀尖点相切，垂直于安装定位平面的轴，定义为y_q轴，把位于安装定位平面，并与y_q轴垂直的轴，定义为x_q轴，沿x_q方向等距划分x₁～x_N；以刀齿切削刃为基准，沿y_q方向等距偏置划分曲线y₁～y_M，将刀齿后刀面左侧端点的特征点沿x_q轴方向依次标记为特征点o_a1～o_aN；沿y_q轴反方向的特征点依次标记为o_a1～o_M1；

o_s-x_sy_sz_s为铣刀结构坐标系，其中o_s为铣刀回转中心即铣刀原点；o_i-x_iy_iz_i为刀齿坐标系，坐标原点o_i为铣刀第i个刀齿的刀尖点；x_i轴平行于刀齿安装定位平面；y_i轴垂直于刀齿安装定位平面；z_i轴与x_i轴、y_i轴垂直，r_i为铣刀任意刀齿名义回转半径；r_max为铣刀刀齿最大回转半径；θ_i为铣刀齿间夹角，α_i为铣刀刀齿安装角度；Δz_i为刀齿轴向误差；Δr_i为刀齿径向误差；D为铣刀刀柄直径；H(x_i，y_i，z_i)＝0为刀齿后刀面方程；

铣削加工过程中，受铣削振动影响，铣刀切削姿态发生偏置，建立振动下的铣刀切削参考坐标系与铣刀切削姿态模型；

o_g-x_gy_gz_g为工件坐标系，其中x_g轴与铣刀进给速度方向一致，y_g轴与切宽方向一致，z_g轴与切深方向一致，以无振动条件下的铣刀回转中心o₀为原点，建立无振动铣刀切削坐标系o₀-x₀y₀z₀，其中x₀轴、y₀轴和z₀轴分别与工件坐标系的x_g轴、y_g轴和z_g轴平行，在铣削振动作用下，铣刀坐标系原点变为o_d，建立振动铣刀切削坐标系o_d-x_dy_dz_d，其中x_d轴、y_d轴和z_d轴为受振动作用引起的x₀轴、y₀轴和z₀轴的偏置，o_s-x_sy_sz_s为铣刀结构坐标系，其中o_s为铣刀回转中心即铣刀原点，x_s轴为o_s指向刀齿铣削半径最大刀尖点，z_s轴与z_g轴平行，y_s轴与x_s轴、z_s轴垂直；e、o₀分别为铣刀悬伸量的起点和终点；l为铣刀悬伸长度；为铣刀切入工件时的瞬时位置角；θ_i(t)为振动引起的铣刀偏置角；eo_a为z_d轴在平面z₀o₀x₀上的投影，eo_b为z_d轴在平面z₀o₀y₀上的投影；其中eo_a与z₀轴的夹角为θ₁(t)，eo_b与z₀轴的夹角为θ₂(t)；A_x(t)、A_y(t)、A_z(t)分别为x₀、y₀、z₀轴上的振动位移；

刀齿后刀面特征点在工件坐标系中的轨迹方程为：

[x_g y_g z_g 1]^T＝M₃M₂T₄T₃T₂M₁T₁[x_q y_q z_q 1]^T (1)

式(1)中，M₁、T₁为刀齿坐标系与铣刀结构坐标系间的转换矩阵；T₂为铣刀结构坐标系与振动作用下铣刀切削坐标系间的转换矩阵；M₂、T₃、T₄为振动作用下的铣刀切削坐标系与无振动作用下的铣刀切削坐标系间的转换矩阵；M₃为无振动作用下的铣刀切削坐标系与工件坐标系间的转换矩阵，如式(2)～式(4)所示；

步骤2，后刀面特征速度矢量与应力的解算方法；

建立后刀面特征点相对于加工过渡表面的特征速度矢量模型，G(x_g(t)，y_g(t)，z_g(t))＝0为加工过渡表面方程；H(x_g(t)，y_g(t)，z_g(t))＝0为刀齿后刀面方程；P(x_g(t)，y_g(t)，z_g(t))＝0为过刀齿后刀面与加工过渡表面的公切面方程；

由式(1)，获取后刀面特征点相对于工件的瞬时运动速度分别沿工件坐标系x_g轴、y_g轴、z_g轴的分量v_sx、v_sy、v_sz，如式(5)所示；

将瞬时运动速度分量v_sx、v_sy、v_sz合成得到刀齿相对于工件的瞬时运动速度的大小，如式(6)所示；

根据式(5)～式(6)，可得到在工件坐标系中的瞬时运动速度

利用式(2)～式(4)，将工件坐标系中的刀齿后刀面方程H(x_g(t)，y_g(t)，z_g(t))＝0与加工过渡表面方程G(x_g(t)，y_g(t)，z_g(t))＝0联立，获取公切面方程P(x_g(t)，y_g(t)，z_g(t))＝0，如式(7)所示；

在刀齿坐标系中，利用刀齿后刀面方程，解算刀齿后刀面特征点的法矢量利用式(2)～式(4)，进行坐标变换，将法矢量转换到工件坐标系中，记为在工件坐标系中，法矢量与刀齿坐标系z_i轴的夹角为θ_ij'；

式中，为z_i轴在工件坐标系中的单位向量；

特征速度矢量为瞬时运动速度在公切面上的投影，可以表示为：

式中，θ_js为瞬时运动速度矢量与法矢量的夹角；v_sj为瞬时运动速度在法矢量上的投影；

将特征点应力分量在特征速度矢量方向上进行投影，求解刀齿后刀面特征点的特征速度方向切向应力大小；

利用有限元应力提取结果，解算刀齿后刀面特征点的法向应力σ_N，如式(12)所示；

σ_N＝σ_x·cosθ_px+σ_y·cosθ_py+σ_z·cosθ_pz (12)

上式中，分别为沿工件坐标系x_g轴反方向、y_g轴反方向、z_g轴方向的刀齿后刀面特征点的瞬时等效应力矢量；θ_px、θ_py、θ_pz分别为法矢量与瞬时等效应力矢量的夹角；

利用有限元提取的等效应力，解算刀齿后刀面特征速度方向切向应力τ_m，如式(14)所示；

τ_m＝σ_x·cosθ_mx+σ_y·cosθ_my+σ_z·cosθ_mz (14)

上式中，θ_mx、θ_my、θ_mz分别为特征速度矢量与瞬时等效应力矢量的夹角；

步骤3，后刀面超晶胞破坏判据；

为了研究切削载荷对刀齿后刀面超晶胞结构的影响特性，根据扫描电镜和能谱仪检测高进给铣刀刀齿后刀面元素组成含量及成分占比，利用无机晶体结构数据库(ICSD)Findit软件，确定合适的TiAlN的晶格参数，建立刀齿后刀面TiAlN涂层超晶胞模型；

根据能量最低理论，对刀齿后刀面超晶胞模型进行优化，降低原子群内部的应力使超晶胞达到稳定状态，采用高温驰豫法及快速冷凝法对晶胞模型进一步优化，以消除不合理的原子配置；

引入BD跨尺度传递方法，在刀齿后刀面的选定区域采用分子动力学理论描述，另一部分采用拉格朗日方法表述；

为了识别原子越出超晶胞边界的势能临界值，超晶胞达到完整性破坏的势能突变值，对超晶胞分别施加法向应力、特征速度方向切向应力；观察其超晶胞破坏特征参数变化；

利用超晶胞破坏特征参数的变化，按式(16)判别刀齿后刀面超晶胞局部性破坏D_p，由此构建超晶胞局部性破坏判据；

Δe₀＝e(t)-e(t₀)＞Δe_p (16)

上式中，t₀为刀齿后刀面超晶胞受载的初始时刻，e(t₀)为超晶胞在t₀时刻的势能值；e(t)为超晶胞瞬时的势能值；Δe₀为超晶胞在t₀～t时间间隔内势能的变化值；Δe_p为超晶胞形成局部性破坏所对应的原子越出超晶胞边界的势能临界值；

当超晶胞已经形成局部性破坏时，按式(17)判别超晶胞是否达到完整性破坏：

式中，D_a为刀齿后刀面超晶胞达到完整性破坏；Δe_w为超晶胞在t_w～t_w+1时间间隔内势能变化值；Δe_a为超晶胞达到完整性破坏所对应的势能突变临界值，t₀为超晶胞受载的初始时刻；E(t₀)为超晶胞在t₀时刻的弹性模量；E(t)为超晶胞瞬时的弹性模量；ΔE₀为超晶胞在t₀～t时间间隔内弹性模量变化量；ΔE_a为超晶胞达到完整性破坏所对应的弹性模量衰减量临界值；

步骤4，后刀面摩擦磨损瞬时边界构建方法；

为了揭示刀齿后刀面摩擦磨损情况，利用刀齿后刀面超晶胞破坏评判方法，对刀齿后刀面特征点进行识别；

选取网格划分曲线x₁～x_N上沿y_q轴轴向最低的完整性破坏特征点，构成后刀面超晶胞完整性破坏特征点边界的特征点集合，如式(18)所示：

U_A＝{o_A(x_q,y_q)|x₁＜x_q＜x_N,y₁＜y_q＜y_M} (18)

选取网格划分曲线x₁～x_N上沿y_q轴轴向最低的局部性破坏特征点，构成后刀面超晶胞局部性破坏特征点边界的特征点集合，如式(19)所示：

U_P＝{o_P(x_q,y_q)|x₁＜x_q＜x_N,y₁＜y_q＜y_M} (19)

为了分析超晶胞破坏特征点边界范围内超晶胞破坏的变化特性，对三个刀齿提取相同位置处的超晶胞破坏特征参数；

由式(18)、式(19)可知，在后刀面超晶胞完整性破坏特征点边界的特征点集合U_A中，沿x_q轴方向，选取y_q轴坐标值最小的特征点，构成超晶胞完整性破坏特征点边界；选取后刀面超晶胞局部性破坏特征点边界的特征点集合U_P中，y_q轴坐标值最小的特征点，构成超晶胞局部性破坏特征点边界；

提取刀齿后刀面任一特征点超晶胞破坏的价键断裂数量、势能值、弹性模量分布曲面进行拟合，得到两类摩擦磨损瞬时边界；

根据后刀面网格划分方法并选取特征点，对刀齿后刀面特征点超晶胞进行应力加载，对一个铣削周期的特征点超晶胞破坏情况进行判别，获取超晶胞局部性和完整性破坏特征点边界；

步骤5，后刀面累积摩擦磨损边界及其实验验证；

采用摩擦磨损边界识别方法，对刀齿的热力耦合场分析，获取一个铣削周期内，单个瞬时位置角的后刀面摩擦磨损瞬时边界，对单个铣削周期的所有瞬时位置角的瞬时边界进行累积，得到单个铣削周期的后刀面摩擦磨损瞬时边界，对铣削周期所形成的瞬时边界进行累积，得到后刀面累积摩擦磨损解算边界；

采用灰色关联分析方法，对摩擦磨损边界实验结果与超晶胞局部性和完整性破坏累积摩擦磨损解算边界的分布特性进行相对关联分析。