专利摘要

高速铣刀跨尺度设计方法及铣刀。目前，由于缺乏对刀具材料微观结构与宏观结构、性能之间内在联系的研究，新型高速铣刀设计与开发缺乏科学依据。本发明的方法包括：(1)构建高速铣刀安全性衰退行为特征模型；(2)采用高速铣刀安全稳定性设计模型，进行高速铣刀开发；(3)采用灰色关联分析方法，建立高速铣刀安全性衰退行为特征模型设计矩阵，表征铣刀设计参数与安全性衰退之间的关系；(4)采用灰色聚类分析方法，建立高速铣刀介观层次安全性模型；(5)在给定外力边界条件下研究高速铣刀组件宏观力学特性和介观力学特性，通过连续介质—分子动力学特性“之字形”影射，实现基于力连接的高速铣刀跨尺度关联。本发明的方法用于设计高速铣刀。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种高速铣刀及设计方法，具体涉及一种高速铣刀安全性介观结构域、宏观结构域和功能域之间映射变换和跨尺度关联设计方法。

背景技术：

在高速铣刀设计与安全性评价方面，由于内外扰动因素的存在和认知水平的局限，所得到的信息具有模糊性和不确定性。

高速铣刀安全性衰退是在非线性多强场交互与耦合作用下，由微观结构变化和微观缺陷成核，到宏观尺度改变与变形缺陷形成，直至发生断裂破坏的演变过程。目前，由于缺乏对刀具材料微观结构与宏观结构、性能之间内在联系的研究、它们在多强场作用下演变行为无法进行定量描述，新型高速铣刀设计与开发缺乏科学依据。

发明内容：

本发明提供一种基于力连接的高速铣刀安全性连续介质-分子动力学关联设计方法，为具有优良动态服役性能的高速铣刀优化设计提供理论依据和基础设计数据。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

高速铣刀跨尺度设计方法，该方法包括如下步骤：

(1)构建高速铣刀安全性衰退行为特征模型；

(2)采用高速铣刀安全稳定性设计模型，进行高速铣刀开发，结合高速铣削试验，获取高速铣削过程中铣刀结构、材料和切削参数对铣刀组件安全稳定性影响相关数据；

(3)采用灰色关联分析方法，建立高速铣刀安全性衰退行为特征模型设计矩阵，表征铣刀设计参数与安全性衰退之间的关系；

(4)研究应力、应变对高速铣刀组件晶面解理、位错运动与位错形核、微裂纹扩展、晶界迁移影响，采用灰色聚类分析方法，建立高速铣刀介观层次安全性模型；

(5)在给定外力边界条件下研究高速铣刀组件宏观力学特性和介观力学特性，通过连续介质-分子动力学特性“之字形”影射，实现基于力连接的高速铣刀跨尺度关联。

一种所述的安全性高速铣刀，其组成包括：刀柄及其连接的刀头，通过对铣刀前角、主偏角、刀齿间角、铣刀齿数、铣刀直径、刚度矩阵、质量矩阵和动平衡精度参数系列高速铣刀宏观/介观结构参数和材料选择，在介观结构域、宏观结构域和功能域之间进行“之字形”映射变换，设计矩阵转换和功能耦合度量化评估，并通过高速铣刀安全性宏观/介观安全性模型与关联设计矩阵，对其宏观/介观结构同步关联演化过程进行直观表达的方式优化参数得到的铣刀。

本发明的有益效果：

1.本发明以实现高速铣刀安全、稳定、高效切削为目标，沟通与整合介观/宏观层次理论，提出基于力连接的高速铣刀安全性连续介质-分子动力学关联分析方法；建立原子群运动和宏观连续介质运动的耦合匹配关系，揭示高速铣刀安全性衰退机理；提出介观结构域、宏观结构域和功能域之间映射变换方法，形成高速铣刀跨尺度关联设计技术，为高速刀具设计增添新方法。

2.本发明以解决高速铣刀安全性动态衰退问题，实现安全、稳定、高效切削为目标，建立高速铣刀原子群运动和连续介质运动的耦合匹配关系，通过在介观结构域、宏观结构域和功能域之间进行“之字形”映射变换，设计矩阵转换和功能耦合度量化评估，实现安全性衰退行为的定量描述，突破目前对高速铣刀安全性衰退认识的局限，为高速铣刀材料设计提供新方法；将连续介质-分子动力学关联方法引入高速铣刀公理设计中，并延伸发展至高速铣刀底层功能优化设计中，实现高速铣刀安全性跨尺度关联设计。

附图说明：

附图1是高速铣刀功能分解图。

附图2是高速铣刀安全稳定性测试实验结果。图中：横坐标为铣刀测试点数，纵坐标为铣刀测试点位移(mm)，系列1为转速5000rpm条件下铣刀位移曲线，系列2为转速16000rpm条件下铣刀位移曲线。

附图3是高速铣刀安全稳定性功能分解图，图中：P_21i和P_22i分别为影响铣刀切削振动和稳定性的铣刀前角、主偏角、刀齿间角、铣刀齿数、铣刀直径、刚度矩阵、质量矩阵和动平衡精度等。

附图4是高速铣刀介观层次安全性功能分解图。

附图5是高速铣刀宏观/介观层次力学特性关联模型。

附图6高速铣刀宏观/介观层次结构关联模型。

附图7高速铣刀安全稳定性测试结果。图中：横坐标为铣刀测试点数，纵坐标为铣刀测试点位移(mm)，系列1为采用跨尺度关联设计方法开发的高速铣刀振动位移实验曲线，系列2为采用宏观特性分析方法开发的高速铣刀振动位移实验曲线。

具体实施方式：

实施例1：

高速铣刀跨尺度设计方法，该方法包括如下步骤：

1.高速铣刀安全稳定性设计模型建立。

依据设计领域的通用理论-公理设计的观点，从满足高速铣刀安全性、切削稳定性和切削效率等功能出发，在高铣刀功能域(FRs)和结构域(DPs)之间进行“之字形”映射变换，对其高速切削功能进行分解，如图1所示。

由此可获得高速铣刀功能分解方案为：

式中：A₁₁~A₃₃为分别为高速铣刀相关功能的二级设计矩阵。

构建高速铣刀初始设计矩阵如表1所示：

表中，P₁₁为铣刀组件数量和联结形式，P₁₂为铣刀相对强度，P₁₃为铣刀直径与齿数比，P₂₁为刀齿间角，P₂₂为铣刀动平衡精度，P₃₁为涂层硬质合金热力学特性，P₃₂₁为铣刀直径与轴向长度比，P₃₂₂为刀齿轴向误差，P₃₂₃为铣刀副偏角。F₁₁为高速面铣刀可靠度，F₁₂为铣刀强度失效转速，F₁₃为铣刀刚度失效转速，F₂₁为高速面铣刀动态切削性能指标M，F₂₂为铣刀振动振幅分量，F₃₁为高速面铣刀加工铝合金切削速度，F₃₂₁为铣刀振动产生的加工表面残留高度，F₃₂₂为刀齿轴向误差产生的加工表面残留高度，F₃₂₃为铣刀副偏角产生加工表面残留高度。

表1 高速铣刀初始设计矩阵

2.高速铣刀安全性衰退过程分析。

采用高速铣刀安全稳定性设计模型，进行高速铣刀开发，结合高速铣削试验，获取高速铣削过程中铣刀结构、材料和切削参数对铣刀组件安全稳定性影响相关数据。其中，直径80mm高速铣刀在转速5000rpm和16000rpm条件下安全稳定性测试实验结果如图2所示。

该实验结果表明，随着转速的提高，铣刀组件变形和位移量逐渐增大，铣刀质量分布随之发生改变，动平衡精度下降，振动加剧，高速铣刀安全稳定状态逐渐恶化。在未发生铣刀完整性破坏之前，高速铣刀安全性存在一个动态衰退过程。

3.高速铣刀安全性衰退行为特征模型建立。

依据高速铣刀安全稳定性分析结果，在离心力与动态铣削力作用下的高速铣刀切削稳定性功能域(F₂)和减振结构域(P₂)之间进行“之字形”映射变换，进行高速铣刀安全稳定功能分解，如图3所示：采用灰色关联分析方法，建立高速铣刀安全性衰退行为特征模型设计矩阵，表征铣刀设计参数与安全性衰退之间的关系，如表2所示：

表2 高速铣刀安全性衰退行为特征模型设计矩阵

表中：F₂₁₁为铣刀前角引起振动，F₂₁₂为铣刀主偏角引起振动、F₂₁₃为刀齿间角引起振动、F₂₁₄为铣刀齿数引起振动、F₂₁₅为铣刀直径引起振动、F₂₂₁为铣刀刚度矩阵引起振动、F₂₂₂为铣刀质量矩阵引起振动、F₂₂₃为铣刀动平衡精度引起振动。P₂₁₁为铣刀前角，P₂₁₂为铣刀主偏角、P₂₁₃为刀齿间角、P₂₁₄为铣刀齿数、P₂₁₅为铣刀直径、P₂₂₁为铣刀刚度矩阵、P₂₂₂为铣刀质量矩阵、P₂₂₃为铣刀动平衡精度。

4.高速铣刀介观层次安全性模型建立。

研究应力、应变对高速铣刀组件晶面解理、位错运动与位错形核、、微裂纹扩展、晶界迁移影响，采用灰色聚类分析方法，建立高速铣刀介观层次安全性模型，如图4及式(2)所示。

由此可获得高速铣刀介观层次安全性功能分解方案为：

式中：A_J11~A_J55分别为高速铣刀介观层次安全性功能二级设计矩阵。

5.高速铣刀跨尺度关联设计模型建立

在给定外力边界条件下研究高速铣刀组件宏观/介观力学特性，通过连续介质-分子动力学特性“之字形”影射，实现基于力连接的高速铣刀跨尺度关联，如图5所示：

对图3和表1中的设计参数进行灰色聚类评估，通过高速铣刀宏观/介观层次力学特性沟通与关联，建立高速铣刀跨尺度关联设计模型，如图6所示：

由此获得高速铣刀跨尺度关联设计方案为：

P_H＝A_H·A_HJ·A_JJ·A_J·P_J             (3)

式中：A_H为高速铣刀宏观层次结构与宏观力学特性设计矩阵，A_HJ为由图8获得的高速铣刀宏观/介观力学特性关联矩阵，A_JJ为高速铣刀分子动力学特性与介观层次安全性关联矩阵，A_J为依据式(2)重构获得的高速铣刀介观层次结构设计矩阵。

由式(3)，高速铣刀跨尺度关联设计是一个高速铣削过程中铣刀宏观结构力学特性变化引起分子动力学特性改变，并产生介观层次结构安全性响应的设计过程。该设计方法通过高速铣刀安全性宏观/介观安全性模型与关联设计矩阵，对其宏观/介观结构同步关联演化过程进行直观表达，揭示了铣刀宏观/介观结构、合金成分、切削参数对安全性衰退影响规律。

分别采用高速铣刀跨尺度关联设计方案(步骤5)和高速铣刀宏观特性设计方法(步骤1)试制直径80mm高速铣刀，在转速16000rpm条件下安全稳定性测试实验结果如图7所示：

在直径和齿数不变的条件下，采用跨尺度关联设计方法开发的实验铣刀振动位移变化范围为0.11~0.16mm，采用宏观特性分析方法开发的实验铣刀振动位移范围为0.26~0.35mm。跨尺度关联设计方法在高速铣刀安全稳定性设计上明显优于宏观特性分析方法。

实验结果表明，宏观特性分析方法只解决了高速铣刀宏观结构和安全性的匹配性问题，其安全稳定性处于较差状态；跨尺度关联设计方法则解决了高速铣刀宏观/介观结构、材料和安全性的匹配性问题，其安全稳定性得到明显提高。

实施例2：

一种所述的安全性高速铣刀，其组成包括：刀柄及其连接的刀头，通过对铣刀前角、主偏角、刀齿间角、铣刀齿数、铣刀直径、刚度矩阵、质量矩阵和动平衡精度参数系列高速铣刀宏观/介观结构参数和材料选择，在介观结构域、宏观结构域和功能域之间进行“之字形”映射变换，设计矩阵转换和功能耦合度量化评估，并通过高速铣刀安全性宏观/介观安全性模型与关联设计矩阵，对其宏观/介观结构同步关联演化过程进行直观表达的方式优化参数得到的铣刀。

高速铣刀跨尺度设计方法及铣刀专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。