一種低熵值的安全性高速銑刀設(shè)計(jì)方法及高速銑刀的制作方法
【專利摘要】一種低熵值的安全性高速銑刀設(shè)計(jì)方法及高速銑刀，它涉及一種銑刀設(shè)計(jì)方法及銑刀。本發(fā)明為了解決銑刀粒子群亂序熵值無法控制，高速銑刀安全性衰退的問題。依據(jù)高速銑刀組件粒子群亂序與安全性衰退關(guān)聯(lián)特性，采用熵值判定方法，描述安全性衰退過程；利用熵值模型，評(píng)判介觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，探明安全性衰退過程；采用熵值控制方法，揭示控制安全性衰退過程的控制變量，實(shí)現(xiàn)粒子群亂序的有效控制；利用低熵值的高速銑刀安全性設(shè)計(jì)方法，完成宏介觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)；驗(yàn)證低熵值銑刀的安全穩(wěn)定性。銑刀直徑為63mm，刀具齒數(shù)為4齒，刀齒分布采用不等齒分布，齒間夾角為88°、89°、90°、93°，刀體齒根處采用倒角及過渡圓弧結(jié)構(gòu)，刀片安裝前角為2°。本發(fā)明用于銑刀設(shè)計(jì)及高速銑削中。
【專利說明】一種低熵值的安全性高速銑刀設(shè)計(jì)方法及高速銑刀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低熵值的高速銑刀安全性設(shè)計(jì)方法，具體涉及采用高速銑刀組件粒子群熵值法，識(shí)別高速銑刀組件安全性衰退特征；利用高速銑刀組件粒子群運(yùn)動(dòng)的熵值變化速率，判斷高速銑刀安全性衰退程度；提出高速銑刀最小熵值的安全性設(shè)計(jì)方法，從而控制高速銑刀組件安全性衰退，開發(fā)出一種低熵值的安全性高速銑刀。
【背景技術(shù)】
[0002]高速銑刀由于高速旋轉(zhuǎn)聚集高能量，并且在切削過程中受到高能量沖擊作用，從而導(dǎo)致高速銑刀組件變形以及延性斷裂、剪切斷裂、結(jié)合面壓潰等損傷的發(fā)生，最終將導(dǎo)致高速銑刀組件解體，由此引發(fā)的高速銑刀安全性問題，直接導(dǎo)致高速銑削事故，輕則造成零件報(bào)廢、機(jī)床損壞，重則造成人員傷亡。因此，在高速銑削加工過程中必須確保銑刀具有足夠的安全性。依據(jù)安全系統(tǒng)工程理論，高速銑刀安全性是指高轉(zhuǎn)速條件下銑刀保持其“完整”與“穩(wěn)定”狀態(tài)的能力，而在高速銑刀組件由發(fā)生永久性變形直至其發(fā)生完整性破壞之前，存在一個(gè)不可逆的動(dòng)態(tài)安全性衰退過程。高速銑刀安全性衰退具有隱蔽性、突發(fā)性、多變性、不可逆等特點(diǎn)，同時(shí)，高速銑刀衰退過程存在缺陷發(fā)展迅速、不易識(shí)別、難控制等問題。因此，揭示高速銑刀安全性衰退的發(fā)生、發(fā)展過程，實(shí)現(xiàn)高速銑刀安全性有效控制，成為目iu聞速統(tǒng)削加工中亟待解決的關(guān)鍵問題。
[0003]目前，高速銑刀安全性的評(píng)判主要采用IS015641標(biāo)準(zhǔn)，判斷銑刀是否發(fā)生永久性變形及完整性破壞，該方法無法揭示高速銑刀安全性衰退過程。高速銑刀安全性衰退實(shí)質(zhì)是高速銑削載荷作用下銑刀組件粒子群發(fā)生偏離其平衡狀態(tài)的亂序運(yùn)動(dòng)，并導(dǎo)致銑刀宏介觀結(jié)構(gòu)和性能改變的演變過程，隨著銑刀組件粒子群運(yùn)動(dòng)的亂序程度的增大，銑刀會(huì)相繼發(fā)生位錯(cuò)滑移、位錯(cuò)攀移、位錯(cuò)塞積、晶界遷移、微裂紋擴(kuò)展、晶面解理等安全性問題，銑刀組件粒子群運(yùn)動(dòng)向亂序運(yùn)動(dòng)演變的速率越高，銑刀安全性衰退越快。由于缺乏高速銑刀宏介觀運(yùn)動(dòng)的有效溝通與聯(lián)系，銑刀安全性衰退過程中銑刀組件粒子群運(yùn)動(dòng)亂序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有待揭示，且無法定量描述銑刀安全性衰退產(chǎn)生與演變過程中的粒子群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。熵是表示系統(tǒng)狀態(tài)的一個(gè)物理量，它表示該狀態(tài)的復(fù)雜及混亂程度。系統(tǒng)的熵值直接反映出復(fù)雜系統(tǒng)的有序度及能量分布均勻性，熵值越小，表示粒子群混亂程度低，熵值越大，標(biāo)志著粒子群混亂程度高。目前，采用熵值定量描述脆性材料、塑性材料損傷無序度的方法已經(jīng)得到應(yīng)用。例如，通過對(duì)裂縫擴(kuò)散的熵變分析，得到了水力壓裂巖體裂紋擴(kuò)散規(guī)律；通過建立基于熵值的模糊綜合評(píng)判模型對(duì)近松散含水層下采煤安全性進(jìn)行評(píng)估；提出基于信息熵的軋輥裂紋聲發(fā)射三維定位方法，利用信息熵對(duì)聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行權(quán)重的量化，進(jìn)而獲得評(píng)價(jià)其安全性狀態(tài)的綜合指標(biāo)。熵值法在上述工程領(lǐng)域應(yīng)用結(jié)果表明，該方法可用于描述不同尺度的材料系統(tǒng)損傷中的粒子群亂序問題，為高速銑刀組件安全性衰退的評(píng)判及控制提供有效途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明提供一種低熵值的安全性高速銑刀設(shè)計(jì)方法及高速銑刀，通過高速銑刀組件宏介觀結(jié)構(gòu)的溝通與整合，實(shí)現(xiàn)高速銑刀粒子群亂序熵值的有效控制，抑制高速銑刀安全性衰退。
[0005]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:
[0006]本發(fā)明所述一種低熵值的安全性高速銑刀的設(shè)計(jì)方法:
[0007]步驟一、利用高速銑刀組件粒子群亂序特征，揭示高速銑刀組件的安全性衰退與粒子群亂序的匹配關(guān)系，提出高速銑刀組件粒子群亂序的熵值判定方法，獲取高速銑刀組件安全性衰退過程中彈性-彈塑性-塑性變形節(jié)點(diǎn)處的臨界熵值，明確高速銑刀組件安全性衰退過程中的安全性失穩(wěn)與位錯(cuò)滑移、位錯(cuò)攀移、位錯(cuò)塞積、微裂紋擴(kuò)展、晶界遷移、晶面解理等介觀運(yùn)動(dòng)間的熵值界限，建立銑刀組件安全性衰退的熵值模型，利用熵值特征曲線的形狀及變化速率探明高速銑刀組件安全性衰退進(jìn)程及衰退速率。
[0008]步驟二、利用高速銑刀發(fā)生不可逆變形組件的掃描電鏡測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證高速銑刀安全性衰退熵值模型的準(zhǔn)確性，提出高速銑刀安全性衰退過程的熵值控制方法，揭示出高速銑刀組件粒子群密度、晶格尺寸、元素類型、直徑、齒根結(jié)構(gòu)、前角、刀齒間距宏介觀變量對(duì)高速銑刀安全性衰退熵值的影響，實(shí)現(xiàn)高速銑刀組件粒子群亂序的有效控制；
[0009]步驟三、依據(jù)高速銑刀組件熵值特性及其影響因素，提出低熵值的高速銑刀安全性設(shè)計(jì)方法，獲得宏介觀結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)劃方案，通過對(duì)高速銑刀組件宏介觀結(jié)構(gòu)參數(shù)跨尺度溝通與整合，實(shí)現(xiàn)高速銑刀組件原子偏移熵值、位錯(cuò)滑移熵值、位錯(cuò)攀移熵值、位錯(cuò)塞積熵值、晶界遷移熵值、微裂紋擴(kuò)展熵值、晶面解理熵值的有效控制，抑制高速銑刀組件安全性衰退；
[0010]步驟四、依據(jù)低熵值銑刀設(shè)計(jì)結(jié)果，研制出一種用于高速銑削鋁合金的安全性銑刀。依據(jù)高速銑削鋁合金實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果、高速銑刀刀尖銑削前后軸向與徑向變動(dòng)量的測(cè)試結(jié)果、高速銑刀組件材掃描電鏡觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證低熵值銑刀設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。
[0011]優(yōu)選的:步驟一中，在恒溫恒壓的模擬環(huán)境下，利用分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行高速銑刀刀體和螺釘組件粒子群亂序演化特性分析，獲得高速銑刀組件粒子群亂序特征與安全性衰退關(guān)聯(lián)特性。
[0012]優(yōu)選的:步驟一中，在切削載荷作用下，在切削載荷作用下，高速銑刀刀體和螺釘組件粒子群由熵值為Stl的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N平衡狀態(tài)時(shí),其熵值為:
[0013]
【權(quán)利要求】
1.一種低熵值的安全性高速銑刀的設(shè)計(jì)方法:其特征在于，具體步驟為: 步驟一、利用高速銑刀組件粒子群亂序特征，揭示高速銑刀組件的安全性衰退與粒子群亂序的匹配關(guān)系，提出高速銑刀組件粒子群亂序的熵值判定方法，獲取高速銑刀組件安全性衰退過程中彈性-彈塑性-塑性變形節(jié)點(diǎn)處的臨界熵值，明確高速銑刀組件安全性衰退過程中的安全性失穩(wěn)與位錯(cuò)滑移、位錯(cuò)攀移、位錯(cuò)塞積、微裂紋擴(kuò)展、晶界遷移、晶面解理等介觀運(yùn)動(dòng)間的熵值界限，建立銑刀組件安全性衰退的熵值模型，利用熵值特征曲線的形狀及變化速率探明高速銑刀組件安全性衰退進(jìn)程及衰退速率。 步驟二、利用高速銑刀發(fā)生不可逆變形組件的掃描電鏡測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證高速銑刀安全性衰退熵值模型的準(zhǔn)確性，提出高速銑刀安全性衰退過程的熵值控制方法，揭示出高速銑刀組件粒子群密度、晶格尺寸、元素類型、直徑、齒根結(jié)構(gòu)、前角、刀齒間距宏介觀變量對(duì)高速銑刀安全性衰退熵值的影響，實(shí)現(xiàn)高速銑刀組件粒子群亂序的有效控制； 步驟三、依據(jù)高速銑刀組件熵值特性及其影響因素，提出低熵值的高速銑刀安全性設(shè)計(jì)方法，獲得宏介觀結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)劃方案，通過對(duì)高速銑刀組件宏介觀結(jié)構(gòu)參數(shù)跨尺度溝通與整合，實(shí)現(xiàn)高速銑刀組件原子偏移熵值、位錯(cuò)滑移熵值、位錯(cuò)攀移熵值、位錯(cuò)塞積熵值、晶界遷移熵值、微裂紋擴(kuò)展熵值、晶面解理熵值的有效控制，抑制高速銑刀組件安全性裳退; 步驟四、依據(jù)低熵值銑刀設(shè)計(jì)結(jié)果，研制出一種用于高速銑削鋁合金的安全性銑刀。依據(jù)高速銑削鋁合金實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果、高速銑刀刀尖銑削前后軸向與徑向變動(dòng)量的測(cè)試結(jié)果、高速銑刀組件材掃描電鏡 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證低熵值銑刀設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低熵值的安全性高速銑刀設(shè)計(jì)方法，其特征在于:步驟一中，在恒溫恒壓的模擬環(huán)境下，利用分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行高速銑刀刀體和螺釘組件粒子群亂序演化特性分析，獲得高速銑刀組件粒子群亂序特征與安全性衰退關(guān)聯(lián)特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低熵值的安全性高速銑刀設(shè)計(jì)方法，其特征在于:步驟一中，在切削載荷作用下，高速銑刀刀體和螺釘組件粒子群由熵值為Stl的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N平衡狀態(tài)時(shí)，其熵值為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低熵值的安全性高速銑刀設(shè)計(jì)方法，其特征在于:步驟一中，高速銑刀組件在拉伸載荷作用下，通過式(I)計(jì)算銑刀組件材料35CrMo、40Cr在拉伸過程中臨界熵值，銑刀組件35CrMO、40Cr粒子群由彈性至彈塑性變換的臨界熵值分別為166.17和197.98 ;通過熵值分析求出35CrMo、40Cr粒子群的彈塑性至塑性變形的臨界熵值為304.45,319.75 ;高速銑刀組件在壓縮載荷作用下，通過式(5)計(jì)算銑刀組件材料35CrMo,40Cr在壓縮過程中臨界熵值，銑刀組件粒子群的彈性至彈塑性的臨界熵值分別為138.63、132.58 ;由彈塑性至塑性變形的臨界熵值為276.58,363.75 ;高速銑刀組件在剪切載荷作用下，利用熵值與能量裝換模型計(jì)算銑刀組件材料35CrMo、和40Cr剪切變形時(shí)粒子群的彈性至彈塑性的臨界熵值分別為135.18,140.80 ;粒子群的彈塑性至塑性變形的臨界熵值為239.37,295.70，確定銑刀材料為刀體40Cr、螺釘35CrMo。熵值曲線表達(dá)高速銑刀組件所處的安全性衰退狀態(tài)，熵值曲線各階段變化速率代表其安全性衰退速率，熵值曲線變化特征由銑刀組件在安全性運(yùn)動(dòng)過程中粒子群動(dòng)能、勢(shì)能、體積、焓、密度、內(nèi)應(yīng)力等指標(biāo)決定的，即取決于晶格參數(shù)、元素類型、介觀載荷，而上述參數(shù)是由高速銑刀組件宏/介觀結(jié)構(gòu)交互作用決定的:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低熵值的安全性高速銑刀設(shè)計(jì)方法，其特征在于:步驟二中，由步驟一中的式(3)，熵值曲線形狀取決于高速銑刀組件齒數(shù)、直徑、懸臂長度、齒間夾角、定位面角度、齒根結(jié)構(gòu)、晶格尺寸、晶格角度、原子位置、粒子群密度、元素種類等宏/介觀參數(shù)。由于高速銑刀材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，粒子群的晶格類型、晶格角度及原子位置不變；高速銑刀組件的齒數(shù)隨直徑的變化而改變，懸臂長度取決于高速銑刀組件機(jī)床夾具，主偏角取決于工件材料與結(jié)構(gòu)。因此，高速銑刀粒子群亂序的控制變量為直徑、前角、齒根結(jié)構(gòu)、齒間夾角、粒子群密度、元素種類、晶格尺寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種低熵值的安全性高速銑刀設(shè)計(jì)方法，其特征在于:步驟三中，調(diào)整高速銑刀組件直徑，使其由63mm分別增加至80mm及125mm，采用跨尺度關(guān)聯(lián)分析方法，揭示高速銑刀刀體螺紋孔處粒子群變化特征并構(gòu)建高速銑刀安全性衰退熵值曲線，確定高速銑刀刀體直徑為63mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低熵值的安全性高速銑刀設(shè)計(jì)方法，其特征在于:步驟三中，改變直徑63mm四齒高速銑刀組件刀體齒根處形狀，通過跨尺度關(guān)聯(lián)分析，揭示高速銑刀刀體齒根處粒子群變化特性并構(gòu)建高速銑刀安全性衰退的熵值特征曲線，確定刀齒結(jié)構(gòu)為:在齒根處設(shè)定倒角及圓弧過渡。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種低熵值的安全性高速銑刀設(shè)計(jì)方法，其特征在于:步驟三中，調(diào)整直徑63mm四齒銑刀刀片安裝前角由O。至5°，通過跨尺度關(guān)聯(lián)分析，揭示高速銑刀螺釘螺紋面處粒子群變化特征并建立高速銑刀安全性衰退的熵值特征曲線，得出隨著前角增加，粒子群不可逆運(yùn)動(dòng)程度先減小隨即增大；粒子群在高速銑刀前角的增加可以減小<χ)、ξ (χ)熵值衰退速率，增加其安全性服役時(shí)長，但是前角過大則會(huì)加劇粒子群安全性衰退，因此確定高速銑刀定位面前角為2°。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種低熵值的安全性高速銑刀設(shè)計(jì)方法，其特征在于:步驟三中，通過分子動(dòng)力學(xué)分析，揭示直徑63mm四齒高速銑刀不同齒距分布對(duì)刀體螺紋孔處粒子群變化特征的影響并建立高速銑刀安全性衰退熵值特征曲線，等齒齒距銑刀采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論控制安全性衰退的發(fā)展，熵值特征曲線的變化速率前快后慢；不等齒齒距銑刀控制安全性衰退的產(chǎn)生，其熵值特征曲線的變化速率前慢后快。高速銑刀的等齒與不等齒結(jié)構(gòu)對(duì)銑刀整體安全性影響差別不大，但不等齒結(jié)構(gòu)能夠有效抑制高速銑削過程中的振動(dòng)。
10.一種低熵值的安全性高速銑刀，包括刀體、緊固螺釘、刀片三部分組成；其特征在于:刀體結(jié)構(gòu)為錐形刀體，刀體材料為40Cr，緊固螺釘采用細(xì)螺紋螺釘，緊固螺釘材料為35CrMo，刀片為TiN涂層硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片；銑刀直徑d為63mm，刀具懸伸量為36mm，刀具齒數(shù)為4齒,主偏角 為45° ,刀片安裝前角為2° ;刀齒分布采用不等齒分布,刀齒齒距差為5°，齒間夾角為88°、89°、90°、93° ;刀體齒根處采用倒角及過渡圓弧結(jié)構(gòu)，刀體齒根處的過渡圓弧半徑為3.0_。
【文檔編號(hào)】B23C5/20GK103624308SQ201310611359
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】姜彬, 白錦軒 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)