CN103624308B - 一种低熵值的安全性高速铣刀设计方法及高速铣刀 - Google Patents

Abstract

一种低熵值的安全性高速铣刀设计方法及高速铣刀，它涉及一种铣刀设计方法及铣刀。本发明为了解决铣刀粒子群乱序熵值无法控制，高速铣刀安全性衰退的问题。依据高速铣刀组件粒子群乱序与安全性衰退关联特性，采用熵值判定方法，描述安全性衰退过程；利用熵值模型，评判介观运动状态，探明安全性衰退过程；采用熵值控制方法，揭示控制安全性衰退过程的控制变量，实现粒子群乱序的有效控制；利用低熵值的高速铣刀安全性设计方法，完成宏介观结构参数的协同设计；验证低熵值铣刀的安全稳定性。铣刀直径为63mm，刀具齿数为4齿，刀齿分布采用不等齿分布，刀体齿根处采用倒角及过渡圆弧结构，刀片安装前角为2°。本发明用于铣刀设计及高速铣削中。

Description

一种低熵值的安全性高速铣刀设计方法及高速铣刀

技术领域

本发明涉及一种低熵值的高速铣刀安全性设计方法，具体涉及采用高速铣刀组件粒子群熵值法，识别高速铣刀组件安全性衰退特征；利用高速铣刀组件粒子群运动的熵值变化速率，判断高速铣刀安全性衰退程度；提出高速铣刀最小熵值的安全性设计方法，从而控制高速铣刀组件安全性衰退，开发出一种低熵值的安全性高速铣刀。

背景技术

高速铣刀由于高速旋转聚集高能量，并且在切削过程中受到高能量冲击作用，从而导致高速铣刀组件变形以及延性断裂、剪切断裂、结合面压溃等损伤的发生，最终将导致高速铣刀组件解体，由此引发的高速铣刀安全性问题，直接导致高速铣削事故，轻则造成零件报废、机床损坏，重则造成人员伤亡。因此，在高速铣削加工过程中必须确保铣刀具有足够的安全性。依据安全系统工程理论，高速铣刀安全性是指高转速条件下铣刀保持其“完整”与“稳定”状态的能力，而在高速铣刀组件由发生永久性变形直至其发生完整性破坏之前，存在一个不可逆的动态安全性衰退过程。高速铣刀安全性衰退具有隐蔽性、突发性、多变性、不可逆等特点，同时，高速铣刀衰退过程存在缺陷发展迅速、不易识别、难控制等问题。因此，揭示高速铣刀安全性衰退的发生、发展过程，实现高速铣刀安全性有效控制，成为目前高速铣削加工中亟待解决的关键问题。

目前，高速铣刀安全性的评判主要采用ISO15641标准，判断铣刀是否发生永久性变形及完整性破坏，该方法无法揭示高速铣刀安全性衰退过程。高速铣刀安全性衰退实质是高速铣削载荷作用下铣刀组件粒子群发生偏离其平衡状态的乱序运动，并导致铣刀宏介观结构和性能改变的演变过程，随着铣刀组件粒子群运动的乱序程度的增大，铣刀会相继发生位错滑移、位错攀移、位错塞积、晶界迁移、微裂纹扩展、晶面解理等安全性问题，铣刀组件粒子群运动向乱序运动演变的速率越高，铣刀安全性衰退越快。由于缺乏高速铣刀宏介观运动的有效沟通与联系，铣刀安全性衰退过程中铣刀组件粒子群运动乱序运动状态有待揭示，且无法定量描述铣刀安全性衰退产生与演变过程中的粒子群运动状态。熵是表示系统状态的一个物理量，它表示该状态的复杂及混乱程度。系统的熵值直接反映出复杂系统的有序度及能量分布均匀性，熵值越小，表示粒子群混乱程度低，熵值越大，标志着粒子群混乱程度高。目前，采用熵值定量描述脆性材料、塑性材料损伤无序度的方法已经得到应用。例如，通过对裂缝扩散的熵变分析，得到了水力压裂岩体裂纹扩散规律；通过建立基于熵值的模糊综合评判模型对近松散含水层下采煤安全性进行评估；提出基于信息熵的轧辊裂纹声发射三维定位方法，利用信息熵对声发射参数进行权重的量化，进而获得评价其安全性状态的综合指标。熵值法在上述工程领域应用结果表明，该方法可用于描述不同尺度的材料系统损伤中的粒子群乱序问题，为高速铣刀组件安全性衰退的评判及控制提供有效途径。

发明内容

本发明提供一种低熵值的安全性高速铣刀设计方法及高速铣刀，通过高速铣刀组件宏介观结构的沟通与整合，实现高速铣刀粒子群乱序熵值的有效控制，抑制高速铣刀安全性衰退。

本发明为了解决上述技术问题所采取的技术方案是：

本发明所述一种低熵值的安全性高速铣刀的设计方法：

步骤一、利用高速铣刀组件粒子群乱序特征，揭示高速铣刀组件的安全性衰退与粒子群乱序的匹配关系，提出高速铣刀组件粒子群乱序的熵值判定方法，获取高速铣刀组件安全性衰退过程中弹性-弹塑性-塑性变形节点处的临界熵值，明确高速铣刀组件安全性衰退过程中的安全性失稳与位错滑移、位错攀移、位错塞积、微裂纹扩展、晶界迁移、晶面解理等介观运动间的熵值界限，建立铣刀组件安全性衰退的熵值模型，利用熵值特征曲线的形状及变化速率探明高速铣刀组件安全性衰退进程及衰退速率。

步骤二、利用高速铣刀发生不可逆变形组件的扫描电镜测试结果，验证高速铣刀安全性衰退熵值模型的准确性，提出高速铣刀安全性衰退过程的熵值控制方法，揭示出高速铣刀组件粒子群密度、晶格尺寸、元素类型、直径、齿根结构、前角、刀齿间距宏介观变量对高速铣刀安全性衰退熵值的影响，实现高速铣刀组件粒子群乱序的有效控制；

步骤三、依据高速铣刀组件熵值特性及其影响因素，提出低熵值的高速铣刀安全性设计方法，获得宏介观结构参数设计规划方案，通过对高速铣刀组件宏介观结构参数跨尺度沟通与整合，实现高速铣刀组件原子偏移熵值、位错滑移熵值、位错攀移熵值、位错塞积熵值、晶界迁移熵值、微裂纹扩展熵值、晶面解理熵值的有效控制，抑制高速铣刀组件安全性衰退；

步骤四、依据低熵值铣刀设计结果，研制出一种用于高速铣削铝合金的安全性铣刀。依据高速铣削铝合金实验的振动测试结果、高速铣刀刀尖铣削前后轴向与径向变动量的测试结果、高速铣刀组件材扫描电镜观测实验结果，验证低熵值铣刀设计方法的准确性。

优选的：步骤一中，在恒温恒压的模拟环境下，利用分子动力学进行高速铣刀刀体和螺钉组件粒子群乱序演化特性分析，获得高速铣刀组件粒子群乱序特征与安全性衰退关联特性。

优选的：步骤一中，在切削载荷作用下，在切削载荷作用下，高速铣刀刀体和螺钉组件粒子群由熵值为S₀的平衡状态转变为另一种平衡状态时，其熵值为：

$S=S_0+\frac{E_0-E_t}{T}---\left(1\right)$

式中：S为高速铣刀组件粒子群在t时间平衡态下的熵值，S₀为高速铣刀组件粒子群在初始状态下的熵值，E₀、E_t分别代表系统在两个平衡状态下的总能量，T为高速铣刀刀体及螺钉组件粒子群温度。

当粒子数目为1000时，S₀为：

$S_0=3\×1.38\×1000\×{10}^{-23}\{1-\ln \frac{6.62\×{10}^{-34}\×0.334\×{10}^{10}}{2\×\mathrm{\π}\×1.38\×{10}^{-23}\×297}{\∫}_0^{{\mathrm{\ω}}_L}\mathrm{d\ωg}\left(\mathrm{\ω}\right)=4.29\×{10}^{-19}---\left(2\right)$

式中：ω为高速铣刀刀体和螺钉组件粒子的振动频率，ω_L为粒子在空间L处的振动频率，g(ω)为振动频率ω的分布函数并满足量子力学的归一化条件。

由上述各式可以连续求解出：高速铣刀粒子群由安全稳定状态依次发生位错滑移、位错攀移、位错塞积、微裂纹扩展、晶界迁移、晶面解理时的熵值，实现对高速铣刀组件安全性衰退过程中粒子群乱序程度的定量化描述。

优选的：步骤一中，高速铣刀组件在拉伸载荷作用下，通过式(1)计算铣刀组件材料35CrMo、40Cr在拉伸过程中临界熵值，铣刀组件35CrMo、40Cr粒子群由弹性至弹塑性变换的临界熵值分别为166.17和197.98；通过熵值分析求出35CrMo、40Cr粒子群的弹塑性至塑性变形的临界熵值为304.45、319.75；高速铣刀组件在压缩载荷作用下，通过式(1)计算铣刀组件材料35CrMo、40Cr在压缩过程中临界熵值，铣刀组件粒子群的弹性至弹塑性的临界熵值分别为138.63、132.58；由弹塑性至塑性变形的临界熵值为276.58、363.75；高速铣刀组件在剪切载荷作用下，利用熵值与能量装换模型计算铣刀组件材料35CrMo、和40Cr剪切变形时粒子群的弹性至弹塑性的临界熵值分别为135.18、140.80；粒子群的弹塑性至塑性变形的临界熵值为239.37、295.70，确定铣刀材料为刀体40Cr、螺钉35CrMo。

熵值曲线表达高速铣刀组件所处的安全性衰退状态，熵值曲线各阶段变化速率代表其安全性衰退速率，熵值曲线变化特征由铣刀组件在安全性运动过程中粒子群动能、势能、体积、焓、密度、内应力等指标决定的，即取决于晶格参数、元素类型、介观载荷，而上述参数是由高速铣刀组件宏/介观结构交互作用决定的：

式中：f(x)代表高速铣刀组件服役过程中的安全稳定性服役阶段；代表高速铣刀组件发生安全性失稳并逐渐发生弹性变形阶段；ξ(x)代表高速铣刀组件主要发生弹性变形并发生少量塑性变形阶段；ψ(x)代表高速铣刀组件主要发生塑性变形阶段；Z为齿数、D为直径、L为悬伸量、γ₀为前角、α₀为主偏角、Y为齿根结构、为齿间夹角、ρ为粒子群密度、ato为元素种类、Lat为晶格类型、Len为晶格尺寸、Ang为晶格角度。

优选的：步骤二中，由步骤一中的式(3)，熵值曲线形状取决于高速铣刀组件齿数、直径、悬臂长度、齿间夹角、定位面角度、齿根结构、晶格尺寸、晶格角度、原子位置、粒子群密度、元素种类等宏/介观参数。由于高速铣刀材料为合金结构钢，粒子群的晶格类型、晶格角度及原子位置不变；高速铣刀组件的齿数随直径的变化而改变，悬臂长度取决于高速铣刀组件机床夹具，主偏角取决于工件材料与结构。因此，高速铣刀粒子群乱序的控制变量为直径、前角、齿根结构、齿间夹角、粒子群密度、元素种类、晶格尺寸。

优选的：步骤三中，调整高速铣刀组件直径，使其由63mm分别增加至80mm及125mm，采用跨尺度关联分析方法，揭示高速铣刀刀体螺纹孔处粒子群变化特征并构建高速铣刀安全性衰退熵值曲线，确定高速铣刀刀体直径为63mm。

优选的：步骤三中，改变直径63mm四齿高速铣刀组件刀体齿根处形状，通过跨尺度关联分析，揭示高速铣刀刀体齿根处粒子群变化特性并构建高速铣刀安全性衰退的熵值特征曲线，确定刀齿结构为：在齿根处设定倒角及圆弧过渡。

优选的：步骤三中，调整直径63mm四齿铣刀刀片安装前角由0°至5°，通过跨尺度关联分析，揭示高速铣刀螺钉螺纹面处粒子群变化特征并建立高速铣刀安全性衰退的熵值特征曲线，得出随着前角增加，粒子群不可逆运动程度先减小随即增大；粒子群在高速铣刀前角的增加可以减小ξ(x)熵值衰退速率，增加其安全性服役时长，但是前角过大则会加剧粒子群安全性衰退，因此确定高速铣刀定位面前角为2°。

优选的：步骤三中，通过分子动力学分析，揭示直径63mm四齿高速铣刀不同齿距分布对刀体螺纹孔处粒子群变化特征的影响并建立高速铣刀安全性衰退熵值特征曲线，等齿齿距铣刀采用强度设计理论控制安全性衰退的发展，熵值特征曲线的变化速率前快后慢；不等齿齿距铣刀控制安全性衰退的产生，其熵值特征曲线的变化速率前慢后快。高速铣刀的等齿与不等齿结构对铣刀整体安全性影响差别不大，但不等齿结构能够有效抑制高速铣削过程中的振动。

本发明所述一种低熵值的安全性高速铣刀包括刀体、紧固螺钉、刀片三部分组成；刀体结构为锥形刀体；刀体材料为40Cr，紧固螺钉采用细螺纹螺钉，紧固螺钉材料为35CrMo，刀片为TiN涂层硬质合金可转位刀片；铣刀直径为63mm，刀具悬伸量为36mm，刀具齿数为4齿，主偏角为45°，刀片安装前角为2°；刀齿分布采用不等齿分布，刀齿齿距差为5°，为齿间夹角为88°、89°、90°、93°；刀体齿根处采用倒角及过渡圆弧结构，刀体齿根处的倒角半径为3.0mm，刀齿齿形为斜形刀齿。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明通过揭示高速铣刀组件安全性与粒子群乱序匹配关系，解决ISO15641原有铣刀安全性评判方法无法评判其安全性衰退所导致的模糊性及不确定性等问题。建立高速铣刀组件安全性衰退的熵值模型，揭示出高速铣刀组件安全性衰退过程中的安全稳定性区域、原子偏移区域、永久性变形区域以及完整性破坏区域，解决了以往安全性衰退过程无法定量化描述的问题。实现了铣刀安全性宏介观结构的跨尺度设计，解决了已有铣刀由于仅依靠宏观结构与材料设计所导致的宏介观结构不匹配问题以及其所带来的安全性衰退问题。

本发明提出低熵值的高速铣刀安全性设计方法，解决了铣刀宏观结构设计方法中铣刀安全性与高速切削性能的设计冲突问题，在保障铣刀高速切削性能的前提下，实现了高速铣刀的安全性设计。本发明揭示出高速铣刀组件材料属性、宏介观结构参数、载荷对铣刀安全性衰退的影响规律，其中铣刀组件材料属性、铣刀变形性质决定铣刀组件临界熵值大小，铣刀组件宏介观结构参数以及载荷决定熵值的变化速率，解决了以往对铣刀安全性衰退影响因素认识的模糊性及不确定性问题。

本发明相比于原同类高速铣削铝合金铣刀，有效减小高速铣刀安全稳定性区域与安全性衰退区域的熵值变化速率，延迟安全性衰退的响应时间，抑制高速铣刀安全性衰退，延缓高速铣刀损伤及永久性变形的发生，达到了高速铣刀安全、稳定、高效切削的设计目标。

原高速铣刀设计方法通过增加直径、减少齿数的方法提高铣刀的安全性，但忽略高速铣刀宏介观结构间的匹配特性，未考虑宏观结构变化对粒子群运动乱序程度的影响，因此，并未能完全控制高速铣刀组件安全性衰退过程。本发明通过对铣刀组件粒子群熵值的有效控制，减小高速铣刀安全性的衰退速率，抑制高速铣刀组件延性断裂、结合面压溃、剪切断裂等安全性衰退现象的发生，保障了不等齿距减振高速铣刀的安全性。

本发明提供一种低熵值的高速铣刀安全性设计方法,该方法可以有效识别高速铣刀组件安全性衰退特征，判断高速铣刀安全性衰退程度，控制高速铣刀组件安全性衰退进程。

本发明提出高速铣刀粒子群乱序评判方法，解决了高速铣刀衰退过程中组件介观运动的模糊性问题，实现高速铣刀安全性衰退的定量化描述。建立高速铣刀组件安全性衰退的熵值模型，解决了高速铣刀组件安全性衰退过程的隐蔽性、突发性及多变性问题，探明了高速铣刀安全性衰退过程。提出高速铣刀安全性衰退的熵值控制方法，解决了高速铣刀宏介观结构参数的不确定性问题，实现对高速铣刀组件粒子群乱序的有效抑制。

本发明具有优良的安全稳定性，在铣削铝合金实验过程中，该铣刀具有主频单一、振动平稳、易于控制等特点，抗振性能原高于原高速铣削铝合金的同类铣刀。该铣刀具有优良的切削性能，铣刀的刀尖轴向及径向变形量低于原同类铣刀。高速铣刀组件扫描电镜测试实验得出，低熵值的高速铣刀结合面处没有出现微裂纹扩展、晶面解理、晶界迁移等微损伤，高速铣刀组件的安全性衰退得到了有效抑制。

本发明主要应用于高速铣削大型航空发动机典型零部件，使得高速铣刀安全、稳定、高效切削性能得到显著提高，解决了高速铣刀组件的变形及损伤，所导致铝合金薄壁件的表面损伤及尺寸超差等问题，延长了铣刀服役时间，保障了高速铣削加工大型零部件的可靠性。

附图说明

图1是高速铣刀刀体齿根损伤形成的粒子群乱序演化过程图；

图2是高速铣刀组件安全性衰退与粒子群乱序关联特性图；

图3a是35CrMo在拉伸试验中发生弹塑性变形时的能量变化曲线图（图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、总能量的变化趋势）；

图3b是35CrMo在拉伸试验中发生塑性变形时的能量变化曲线图（图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、总能量的变化趋势）；

图4a是40Cr在拉伸试验中发生弹塑性变形时的能量变化曲线图（图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、总能量的变化趋势）；

图4b是40Cr在拉伸试验中发生塑性变形时的能量变化曲线图（图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、总能量的变化趋势）；

图5是高速铣刀组件发生延性断裂时金相组织变化图；

图6a是35CrMo在压缩试验中发生弹塑性变形时的能量变化曲线图（图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、非键合能、总能量的变化趋势）；

图6b是35CrMo在压缩试验中发生塑性变形时的能量变化曲线图（图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、非键合能、总能量的变化趋势）；

图7a是40Cr在压缩试验中发生弹塑性变形时的能量变化曲线图（图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、非键合能、总能量的变化趋势）；

图7b是40Cr在压缩试验中发生塑性变形时的能量变化曲线图（图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、非键合能、总能量的变化趋势）；

图8是高速铣刀组件发生结合面压溃时金相组织变化图；

图9a是35CrMo在剪切试验中发生弹塑性变形时的能量变化曲线图（图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、非键合能、总能量的变化趋势）；

图9b是35CrMo在剪切试验中发生塑性变形时的能量变化曲线图（图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、非键合能、总能量的变化趋势）；

图10a是40Cr在剪切试验中发生弹塑性变形时的能量变化曲线图（图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、非键合能、总能量的变化趋势）；

图10b是40Cr在剪切试验中发生塑性变形时的能量变化曲线图（图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、非键合能、总能量的变化趋势）；

图11是高速铣刀组件发生剪切断裂时临界熵值前后的金相组织变化图；

图12是高速铣刀安全性衰退的熵值特征曲线图（图中，S_1min为铣刀组件材料安全性失稳的临界熵值，S_1max为铣刀组件材料发生弹塑性变形临界熵值，S_2min为铣刀组件材料发生塑性变形临界熵值，S_2max为铣刀组件材料发生完整性破坏时的临界熵值，t₁为铣刀粒子群安全性失稳时间，t₂为铣刀粒子群弹塑性变形时间，t₃为铣刀粒子群塑性变形时间。其中，S_1min、S_1max、S_2min、S_2max取决于高速铣刀组件的材料属性以及高速铣刀的变形性质；t₁、t₂、t₃取决于高速铣刀组件的材料属性、宏介观结构参数及载荷）；

图13是刀体螺纹孔处变形的粒子群能量变化及扫描电镜测试结果图；

图14是刀体齿根处变形的粒子群能量变化及扫描电镜测试结果图；

图15是螺钉与刀体联接螺纹处变形的粒子群能量变化及扫描电镜测试结果图；

图16是高速铣刀安全性衰退过程的熵值控制方法流程图；

图17是低熵值的高速铣刀安全性设计方法流程图；

图18是直径对高速铣刀刀体螺纹孔处粒子群变化特征的影响图；

图19是直径对高速铣刀安全性衰退熵值特征曲线的影响图

图20是齿根结构对高速铣刀刀体齿根处粒子群变化特征的影响图；

图21是齿根结构对高速铣刀安全性衰退熵值特征曲线的影响图；

图22是安装前角对高速铣刀螺钉螺纹面处粒子群变化特征的影响图；

图23是安装前角对高速铣刀安全性衰退的熵值变化特征影响图；

图24是齿距分布对高速铣刀刀体齿根处粒子群变化特征的影响图；

图25是齿距分布的高速铣刀安全性衰退熵值特征曲线的影响图；

图26是高速铣刀组件危险点处的安全性衰退熵值曲线图；

图27是63～80mm四种高速铣刀振动频域图谱图；

图28是两种63mm四齿高速铣刀刀片定位面处扫描电镜观测结果图；

图29是低熵值的安全性高速铣刀的主视图；

图30是图29的左视图；

图31是图29的俯视图。

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。

本实施方式的一种低熵值的安全性高速铣刀的设计方法具体步骤为：

步骤一、高速铣刀安全性衰退的熵值模型

在高速铣刀服役过程中，铣刀组件粒子群处于无间隙式振动状态，在断续切削冲击载荷作用下，粒子偏离原稳定位置，发生不规则运动，导致粒子群乱序运动的发生；粒子群乱序程度越高，铣刀组件粒子群之间结合力愈加脆弱，更容易发生位错滑移、位错攀移、位错塞积、晶界迁移、微裂纹扩展、晶面解理等介观运动，引起高速铣刀组件安全性下降，导致高速铣刀组件结合面压溃、延性断裂、剪切断裂等损伤；在恒温恒压的模拟环境下，利用分子动力学进行高速铣刀刀体和螺钉组件粒子群乱序演化特性分析，获得高速铣刀组件粒子群乱序特征与安全性衰退关联特性；如图1、2所示；高速铣刀组件安全性衰退与粒子群乱序关联特性分析结果表明：抑制高速铣刀组件粒子群乱序程度能够控制高速铣刀安全性衰退；但由于缺乏对高速铣刀组件粒子群的定量化描述，导致粒子群乱序判别存在模糊性与不确定性。

在切削载荷作用下，高速铣刀刀体和螺钉组件粒子群由熵值为S₀的平衡状态转变为另一种平衡状态时，其熵值为：

$S=S_0+\frac{E_0-E_t}{T}---\left(1\right)$

式中：S为高速铣刀组件粒子群在t时间平衡态下的熵值，S₀为高速铣刀组件粒子群在初始状态下的熵值，E₀、E_t分别代表系统在两个平衡状态下的总能量，T为高速铣刀刀体及螺钉组件粒子群温度。

当粒子数目为1000时，S₀为：

$S_0=3\×1.38\×1000\×{10}^{-23}\{1-\ln \frac{6.62\×{10}^{-34}\×0.334\×{10}^{10}}{2\×\mathrm{\π}\×1.38\×{10}^{-23}\×297}{\∫}_0^{{\mathrm{\ω}}_L}\mathrm{d\ωg}\left(\mathrm{\ω}\right)=4.29\×{10}^{-19}---\left(2\right)$

式中：ω为高速铣刀刀体和螺钉组件粒子的振动频率，ω_L为粒子在空间L处的振动频率，g(ω)为振动频率ω的分布函数并满足量子力学的归一化条件。

由上述各式可以连续求解出：高速铣刀粒子群由安全稳定状态依次发生位错滑移、位错攀移、位错塞积、微裂纹扩展、晶界迁移、晶面解理时的熵值，实现对高速铣刀组件安全性衰退过程中粒子群乱序程度的定量化描述。

高速铣刀组件在拉伸载荷作用下，粒子群运动的乱序程度逐渐增加，最终导致铣刀组件发生延性断裂；依据高速铣刀组件35CrMo、40Cr材料拉伸力学实验结果，提取其发生弹塑性-塑性变形时的宏观载荷，加载至高速铣刀组件粒子群中，利用分子动力学仿真，揭示出高速铣刀组件材料在变形结点处的粒子群能量变化特征，计算弹塑性-塑性变形转变结点处的粒子群临界熵值，并结合铣刀组件金相显微镜测试结果，明确高速铣刀组件安全性衰退特征，如图3a、3b、4a、4b、5所示。图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、总能量的变化趋势。

由式(1)得出，铣刀组件35CrMo、40Cr粒子群弹塑性变形时的临界熵值分别为166.17、197.98，塑性变形时的临界熵值为304.45、319.75。在弹塑性变形的临界熵值前后，高速铣刀粒子群由原子间距变化与位错滑移运动逐渐变化为位错攀移与位错塞积运动；在塑性变形的临界熵值前后粒子群由位错运动发展至晶界迁移、晶面解理等不可逆乱序运动。

高速铣刀组件在压缩载荷作用下，粒子群逐渐发生不可逆运动，导致铣刀组件的结合面压溃。依据高速铣刀组件35CrMo、40Cr的材料压缩实验结果，提取其发生弹塑性-塑性变形时的宏观载荷，加载至高速铣刀组件粒子群中，通过分子动力学模拟，揭示出高速铣刀组件材料在变形结点处的粒子群能量变化特征，计算弹塑性-塑性变形转变结点处的粒子群临界熵值，明确高速铣刀组件安全性衰退特征，如图6a、6b、7a、7b、8所示。图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、非键合能、总能量的变化趋势。

通过式(1)计算铣刀组件材料35CrMo、40Cr在压缩过程弹塑性变形的临界熵值为138.63、132.58，塑性变形的临界熵值为276.58、363.75。在临界熵值前后，铣刀组件粒子群逐渐出现位错滑移、位错塞积、微裂纹扩展等粒子群乱序特征。

剪切载荷最终会导致高速铣刀组件发生剪切断裂，依据高速铣刀组件35CrMo、40Cr的材料剪切实验结果，提取其发生弹塑性-塑性变形时的宏观载荷，加载至高速铣刀组件粒子群中，利用分子模拟揭示高速铣刀组件材料在变形结点处的粒子群能量变化特征，计算结点处的临界熵值，并观测其安全性衰退特征，如图9a、9b、10a、10b、11所示。图中曲线表示高速铣刀组件材料动能、非键合能、总能量的变化趋势。

利用熵值与能量装换模型计算铣刀组件材料35CrMo、42CrMo和40Cr剪切变形时粒子群的弹性至弹塑性的临界熵值分别为135.18、107.01和140.80；粒子群的弹塑性至塑性变形的临界熵值为239.37、185.29、295.70。金相组织表明，在临界熵值前后，铣刀组件粒子群由原子间距变化逐渐发生位错滑移、位错攀移、位错塞积，并最终逐渐发生晶界迁移、微裂纹扩展、晶面解理等安全性衰退运动。

依据高速铣刀组件安全性衰退过程中弹塑性-塑性临界熵值及其安全性衰退特征，定义铣刀组件安全稳定性与安全性位错滑移、位错攀移、位错塞积、微裂纹扩展、晶面解理、晶界迁移之间的界定结点。铣刀组件材料弹塑性变形的临界熵值代表着铣刀组件材料粒子群变形由以原子间距变化为主过渡到位错滑移、位错攀移、位错塞积等运动，在弹塑性变形后半段伴随发生少量晶界迁移、微裂纹扩展、晶面解理等运动；铣刀材料塑性变形的临界熵值则标志着铣刀安全性大幅度衰退的发生，粒子群发生大量晶界迁移、微裂纹扩展、晶面解理运动，最终会导致铣刀组件材料的完整性破坏。建立高速铣刀组件安全性衰退的熵值特征曲线，如图12所示，依据该特征曲线可以探明其安全性衰退过程，实现铣刀组件介观运动状态的评判。

熵值曲线表达高速铣刀组件所处的安全性衰退状态，熵值曲线各阶段变化速率代表其安全性衰退速率，熵值曲线变化特征主要由铣刀组件在安全性运动过程中粒子群动能、势能、体积、焓、密度、内应力等指标决定的，即取决于晶格参数、元素类型、介观载荷，而上述参数主要是由高速铣刀组件宏/介观结构交互作用决定的，如式(3)所示：

式中：f(x)代表高速铣刀组件服役过程中的安全稳定性服役阶段；代表高速铣刀组件发生安全性失稳并逐渐发生弹性变形阶段；ξ(x)代表高速铣刀组件主要发生弹性变形并发生少量塑性变形阶段；ψ(x)代表高速铣刀组件主要发生塑性变形阶段；Z为齿数、D为直径、L为悬伸量、γ₀为前角、α₀为主偏角、Y为齿根结构、为齿间夹角、ρ为粒子群密度、ato为元素种类、Lat为晶格类型、Len为晶格尺寸、Ang为晶格角度。

步骤二、高速铣刀安全性衰退过程的熵值控制方法

在高速铣削过程中，铣刀刀体螺纹孔、刀体齿根处、联接件处极易发生安全性衰退，但是由于损伤的隐蔽性及随机性使其往往无法及时预报。因此通过粒子群能量变化特征解算粒子群熵值，并结合高速铣刀安全性衰退的熵值模型，评判其安全性衰退状态，利用扫描电镜测试结果验证该模型的准确性及实用性。

高速铣刀螺纹孔处变形主要是由螺纹孔内应力引起的压缩变形和预紧力导致的拉伸变形的组合变形，利用粒子群乱序判定理论评判铣刀刀体螺纹孔处安全性衰退状态，并依据扫描电镜测试结果予以验证，如图13所示。

根据能量变化曲线，计算刀体螺纹孔处熵值为316.81，对照高速铣刀安全性衰退的熵值模型，得出铣刀刀体螺纹孔处粒子群熵值处于ψ(x)阶段，表明铣刀组件发生介观非本征运动。利用扫描电镜揭示其介观运动特征，观测结果与熵值判定结果一致，螺纹孔处粒子群发生晶界迁移及晶面解理等非本征运动。

刀体齿根处主要受到轴向压缩载荷以及径向剪切载荷，利用高速铣刀安全性衰退的熵值特征模型，评判刀体齿根处的安全性，如图14所示。

由能量变化曲线计算出刀体齿根处粒子群处于ψ(x)阶段，粒子群发生大规模损伤。扫描电镜观测证实粒子群发生微裂纹扩展及晶面解理等介观运动。

高速铣刀联接件处主要受到拉伸载荷以及剪切载荷交互作用，依据高速铣刀安全性衰退的熵值特征模型及扫描电镜测试结果，研究并验证其介观安全性衰退特征，如图15所示。

根据危险点处粒子群能量变化及铣刀安全性衰退的熵值特征模型，得出螺钉与刀体联接螺纹处发生塑性变形。扫描电镜结果表明，在刀体与螺钉连接螺纹表面出现晶面解理特征。

分子模拟及实验表明，熵值及其特征模型能够准确的反映出高速铣刀组件安全性衰退过程，通过对高速铣刀组件熵值及其特征模型的有效控制可以抑制高速铣刀组件安全性衰退进程。高速铣刀材料为合金结构钢，粒子群的晶格类型、晶格角度及原子位置不变；高速铣刀组件的齿数随直径的变化而改变，悬臂长度取决于高速铣刀组件机床夹具，主偏角取决于工件材料与结构。因此，依据式(3)，高速铣刀粒子群乱序的控制变量为直径、前角、齿根结构、齿间夹角、粒子群密度、元素种类、晶格尺寸，如图16所示。

步骤三、低熵值的高速铣刀安全性设计方法

采用跨尺度设计方法，研究在不同粒子群密度、元素种类、晶格尺寸、直径、齿根结构、前角、齿间夹角等宏介观结构参数作用下，刀体螺纹孔处、刀体齿根处、螺钉螺纹处危险点粒子群的介观运动特征及熵值模型变化特性，明确结构参数设计顺序，通过高速铣刀宏介观结构参数优选，实现低熵值的高速铣刀安全性结构设计，设计方法如图17所示。

由式(2)得出，高速铣刀组件粒子群初始熵值S₀变化不大。调整高速铣刀组件直径，使其由63mm分别增加至80mm及125mm，采用跨尺度关联分析方法，揭示高速铣刀刀体螺纹孔处粒子群变化特征并构建高速铣刀安全性衰退熵值曲线，实现对高速铣刀刀体直径的优选，如图18、19所示：

根据图18得出，高速铣刀组件直径增加导致粒子群晶界迁移、晶面解理、微裂纹扩展等非本征运动出现速率大幅度增加；图19表明，随着高速铣刀组件直径增加，熵值模型ξ(x)段曲线斜率增大，熵值变化速率增加，从而引起高速安全性衰退进程加快，因此在满足高速铣削需求的前提下，高速铣刀组件直径应选取63mm。

改变直径63mm四齿高速铣刀组件刀体齿根处形状，通过跨尺度关联分析，揭示高速铣刀刀体齿根处粒子群变化特性并构建高速铣刀安全性衰退的熵值特征曲线，从而选取具有优良安全保持性的刀齿结构，如图20、21所示。

由图20、21得出，刀体圆弧过渡及倒角结构设定，延缓晶界迁移、微裂纹扩展等非本征介观运动的发生减小，减小、ξ(x)熵值曲线变化速率，延缓高速铣刀组件安全性衰退。

调整直径63mm四齿铣刀刀片安装前角由0°至5°，通过跨尺度关联分析，揭示高速铣刀螺钉螺纹面处粒子群变化特征并建立高速铣刀安全性衰退的熵值特征曲线，如图22、23所示。

由图22、23得出，粒子群在高速铣刀前角的增加可以减小、ξ(x)熵值衰退速率，增加其安全性服役时长，但是前角过大则会加剧粒子群安全性衰退，因此高速铣刀定位面前角为2°为最优角度。

通过分子动力学分析，揭示直径63mm四齿高速铣刀不同齿距分布对刀体螺纹孔处粒子群变化特征的影响并建立高速铣刀安全性衰退熵值特征曲线，从而实现高速铣刀齿距分布的优选，如图24、25所示。

由图24、25得出，等齿齿距铣刀采用强度设计理论控制安全性衰退的发展，熵值特征曲线的变化速率前快后慢；不等齿齿距铣刀控制安全性衰退的产生，其熵值特征曲线的变化速率前慢后快。高速铣刀的等齿与不等齿结构对铣刀整体安全性影响差别不大，但不等齿结构能够有效抑制高速铣削过程中的振动。

步骤四、高速铣削铝合金铣刀安全性评判及实验验证

采用低熵值高速铣刀安全性设计方法，针对高速铣削铝合金大型零部件，研制具有减振性能的低熵值铣刀。依据低熵值的高速铣刀设计结果，试制用于高速铣削铝合金的可转位面铣刀，该铣刀由刀体、紧固螺钉、刀片三部分组成；刀体结构为锥形刀体；刀体材料为40Cr，螺钉采用细螺纹螺钉，螺钉材料为35CrMo，刀片为TiN涂层硬质合金可转位刀片；铣刀直径为63mm，刀具悬伸量为36mm，刀具齿数为4齿，主偏角为45°，刀片安装前角为2°；刀齿分布采用不等齿分布，刀齿齿距差为5°，齿间夹角为88°、89°、90°、93°，以提高其减振性能；刀体齿根处采用倒角及过渡圆弧结构，刀体齿根处的过渡圆弧半径为3.0mm，刀齿齿形为斜齿刀齿，以减小高速铣刀组件熵值，提高其安全性。

该铣刀改变刀体宏观结构以及刀体组件间定位参数并调整螺钉预紧力的大小，通过改变高速铣刀组件宏观载荷分布及大小，进而改变铣刀刀体及螺钉组件粒子群所受介观载荷的分布及大小，具体体现为：改变高速铣刀刀体齿根处所受介观载荷由三向垂直拉伸载荷为水平拉伸载荷，改变铣刀刀体螺钉处危险点的变形性质，使螺钉处组合变形由螺纹齿根部压缩与螺纹齿端部拉伸变形转换为同向压缩变形；减小最易产生安全性衰退的高速铣刀刀体螺纹孔处、螺钉螺纹处、铣刀刀片定位面处、刀体齿根处等区域所受的介观载荷。

依据该铣刀与原同类面铣刀高速铣削铝合金的工艺及载荷条件，采用高速铣刀组件粒子群乱序的熵值评判法，获得该铣刀与原用于高速铣削铝合金的直径63mm和直径80mm同类面铣刀的安全性衰退的熵值特征曲线，如图26所示。

由于临界熵值对高速铣刀组件材料属性及变形性质的敏感性高，对于高速铣刀宏观结构的敏感性低，因此，四种高速铣刀的临界熵值相同。

由图26，研制的直径63mm四齿不等齿高速铣刀与原用于高速铣削铝合金的直径63mm和直径80mm三种同类面铣刀相比，熵值变化速率低于其它三种高速铣刀，铣刀安全性衰退的熵值特征曲线在安全稳定性及安全性衰退区域变化缓慢，完整性破坏的响应时间长，安全性高于原同类高速铣刀，低熵值的高速铣刀安全性设计方法能够有效的抑制高速铣刀安全性衰退过程。

研制的直径63mm四齿不等齿高速铣刀与直径63mm四齿等齿高速面铣刀相比，采用不等齿结构，在动平衡精度得到有效控制的情况下，铣刀安全性得到提升。高速铣刀组件安全性衰退取决于铣刀组件粒子群乱序程度是否发生恶化，该铣刀采用低熵值的安全性设计方法，抑制高速铣刀组件粒子群运动的乱序程度，并未因为采用非对称结构而发生安全性下降。

对比63mm四齿等齿高速铣刀、80四齿等齿高速铣刀、80五齿等齿高速铣刀的安全性衰退熵值特征曲线，增大直径导致高速铣刀安全性衰退的响应时间加速20%，而采用减少齿数的设计方法使铣刀安全性衰退的响应时间延迟14.3%。

为进一步验证上述分析结果，采用研制的铣刀与原有直径63mm和直径80mm同类面铣刀进行高速铣削铝合金实验，测试其减振性能及安全性，设计高速铣刀A为低熵值设计方法设计的直径63mm四齿不等齿高速面铣刀，高速铣刀B为直径63mm四齿等齿高速面铣刀，高速铣刀C为直径80mm四齿等齿高速面铣刀，高速铣刀D为直径80mm五齿等齿高速面铣刀。实验条件为：线速度2000(m/min)、切深0.5(mm)、每齿进给量0.08(mm/z)、转速8000～10000(rpm)、工件材料为铝合金7075（C1）；线速度2000(m/min)、切深1.0(mm)、每齿进给量0.15(mm/z)、转速8000～10000(rpm)、工件材料为铝合金7075（C2）；线速度2600(m/min)、切深0.5(mm)、每齿进给量0.08(mm/z)、转速10400～13000(rpm)、工件材料为铝合金7075（C3）；线速度2600(m/min)、切深1.0(mm)、每齿进给量0.15(mm/z)转速10400～13000(rpm)、工件材料为铝合金7075（C4）。

采用测试系统和加速度传感器测量直径63mm～80mm四种高速铣刀在转速8000～10000(rpm)下切削铝合金时主轴位置的振动行为，揭示其振动特性，如图27所示。

依据图27，高速铣刀A振动频域与同类面铣刀B、C、D相比，具有主频单一、振动平稳、易于控制等特点，从而表明高速铣刀A的抗振性能最优，其安全稳定性高于同类铣刀。高速铣刀A采用不等齿结构，在安全性得到保持的前提下，减振效果明显，解决以往以牺牲铣刀抗振性能为代价来提高其安全性的铣刀设计缺陷。对比高速铣刀B、C、D得出，直径的增加导致离心力激励增大，引起振动行为的恶化；齿数的增加导致参与切削刀齿数目增大，刀齿激励的交互作用复杂多变，高速铣刀抗振性能下降。

采用对刀仪测量高速铣刀组件铣削前后刀体轴向及径向长度，并计算出切削前后铣刀刀体轴向与径向长度的变动量。（对刀仪测头精度为1um）。

高速铣刀铣削前后轴向及径向刀齿刀尖变动量主要源自铣刀组件发生延性断裂、结合面压溃、剪切断裂等永久性变形以及刀体、螺钉、刀片等结构的相互窜动。

通过表1、表2得出，高速铣刀A的刀尖在铣削前后轴向及径向的变动量最小，从而表明高速铣刀A的铣削性能要高于其余三种同类面铣刀；对比高速铣刀A、B的铣削实验结果得出，不等齿结构的设计能够减小高速铣刀铣削前后的变动量；对比高速铣刀B、C、D的铣削前后轴向与径向变动量得出，增加直径导致铣刀铣削前后变动量大幅度增加，减小齿数能够减小高速铣刀铣削前后的变动量，从而表明宏观结构的改变并未能够有效的控制铣刀安全性衰退过程。四种铣刀高速铣削铝合金的实验结果与高速铣刀安全性衰退的熵值特征模型相互匹配，充分验证高速铣刀安全性衰退熵值曲线分析结果的准确性。

表1高速铣刀轴向刀齿刀尖铣削前后变动量（mm）

表2高速铣刀径向刀齿刀尖铣削前后变动量（mm）

考虑到直径与齿数对高速铣刀安全性的影响，采用扫描电镜分别观测两种63mm四齿高速铣刀在转速8000～10000(rpm)下切削铝合金时铣刀组件结合面处介观运动特征，揭示其介观运动特性，如图28所示。

依据扫描电镜观测结果，低熵值的高速铣刀安全性设计方法设计的高速铣刀组件结合面处存在大量位错带，但无明显损伤出现，主要发生位错滑移、位错塞积等运动；但原有铣刀设计方法设计的高速铣刀组件结合面处出现明显大规模损伤发生，并出现晶界迁移、晶面解理、微裂纹扩展等介观运动特征。扫描电镜测试结果表明，低熵值高速铣刀安全性设计方法有效的控制高速铣刀粒子群运动的乱序程度，抑制高速铣刀组件的安全性衰退过程。

本实施方式的一种低熵值的安全性高速铣刀包括刀体11、紧固螺钉12、刀片13三部分组成；刀体11结构为锥形刀体；刀体11材料为40Cr，紧固螺钉12采用细螺纹螺钉，紧固螺钉12材料为35CrMo，刀片13为TiN涂层硬质合金可转位刀片；铣刀直径d为63mm，刀具悬伸量L为36mm，刀具齿数为4齿，主偏角为45°，刀片安装前角为2°；刀齿分布采用不等齿分布，刀齿齿距差为5°，齿间夹角为88°、89°、90°、93°，以提高其减振性能；刀体齿根处采用倒角及过渡圆弧结构，刀体齿根处的过渡圆弧半径为3.0mm，刀齿齿形为斜齿刀齿，以抑制其安全性衰退。参见图29至图31。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低熵值的安全性高速铣刀的设计方法：其特征在于，具体步骤为：

步骤一、利用高速铣刀组件粒子群乱序特征，揭示高速铣刀组件的安全性衰退与粒子群乱序的匹配关系，提出高速铣刀组件粒子群乱序的熵值判定方法，获取高速铣刀组件安全性衰退过程中弹性-弹塑性-塑性变形节点处的临界熵值，明确高速铣刀组件安全性衰退过程中的安全性失稳与位错滑移、位错攀移、位错塞积、微裂纹扩展、晶界迁移、晶面解理介观运动间的熵值界限，建立铣刀组件安全性衰退的熵值模型，利用熵值特征曲线的形状及变化速率探明高速铣刀组件安全性衰退进程及衰退速率；

步骤二、利用高速铣刀发生不可逆变形组件的扫描电镜测试结果，验证高速铣刀安全性衰退熵值模型的准确性，提出高速铣刀安全性衰退过程的熵值控制方法，揭示出高速铣刀组件粒子群密度、晶格尺寸、元素类型、直径、齿根结构、前角、刀齿间距宏介观变量对高速铣刀安全性衰退熵值的影响，实现高速铣刀组件粒子群乱序的有效控制；

步骤三、依据高速铣刀组件熵值特性及其影响因素，提出低熵值的高速铣刀安全性设计方法，获得宏介观结构参数设计规划方案，通过对高速铣刀组件宏介观结构参数跨尺度沟通与整合，实现高速铣刀组件原子偏移熵值、位错滑移熵值、位错攀移熵值、位错塞积熵值、晶界迁移熵值、微裂纹扩展熵值、晶面解理熵值的有效控制，抑制高速铣刀组件安全性衰退，所述影响因素为：铣刀组件材料属性、铣刀变形性质、铣刀组件宏介观结构参数以及载荷；

步骤四、依据低熵值铣刀设计结果，研制出一种用于高速铣削铝合金的安全性铣刀，依据高速铣削铝合金实验的振动测试结果、高速铣刀刀尖铣削前后轴向与径向变动量的测试结果、高速铣刀组件材扫描电镜观测实验结果，验证低熵值铣刀设计方法的准确性。

2.根据权利要求1所述的一种低熵值的安全性高速铣刀设计方法，其特征在于：步骤一中，在恒温恒压的模拟环境下，利用分子动力学进行高速铣刀刀体和螺钉组件粒子群乱序演化特性分析，获得高速铣刀组件粒子群乱序特征与安全性衰退关联特性。

3.根据权利要求2所述的一种低熵值的安全性高速铣刀设计方法，其特征在于：步骤一中，在切削载荷作用下，高速铣刀刀体和螺钉组件粒子群由熵值为S₀的平衡状态转变为另一种平衡状态时，其熵值为：

$S=S_0+\frac{E_0-E_t}{T}---\left(1\right)$

式中：S为高速铣刀组件粒子群在t时间平衡态下的熵值，S₀为高速铣刀组件粒子群在初始状态下的熵值，E₀、E_t分别代表系统在两个平衡状态下的总能量，T为高速铣刀刀体及螺钉组件粒子群温度，

当粒子数目为1000时，S₀为：

$S_0=3\×1.38\×1000\×{10}^{-23}\{1-ln\frac{6.62\×{10}^{-34}\×0.334\×{10}^{10}}{2\×\mathrm{\π}\×1.38\×{10}^{-23}\×297}\}{\∫}_0^{{\mathrm{\ω}}_L}d\mathrm{\ω}g\left(\mathrm{\ω}\right)=4.29\×{10}^{-19}---\left(2\right)$

式中：ω为高速铣刀刀体和螺钉组件粒子的振动频率，ω_L为粒子在空间L处的振动频率，g(ω)为振动频率ω的分布函数并满足量子力学的归一化条件，

由上述各式可以连续求解出：高速铣刀粒子群由安全稳定状态依次发生位错滑移、位错攀移、位错塞积、微裂纹扩展、晶界迁移、晶面解理时的熵值，实现对高速铣刀组件安全性衰退过程中粒子群乱序程度的定量化描述。

4.根据权利要求3所述的一种低熵值的安全性高速铣刀设计方法，其特征在于：步骤一中，高速铣刀组件在拉伸载荷作用下，通过式(1)计算铣刀组件材料35CrMo、40Cr在拉伸过程中临界熵值，铣刀组件35CrMo、40Cr粒子群由弹性至弹塑性变换的临界熵值分别为166.17和197.98；通过熵值分析求出35CrMo、40Cr粒子群的弹塑性至塑性变形的临界熵值为304.45、319.75；高速铣刀组件在压缩载荷作用下，通过式(1)计算铣刀组件材料35CrMo、40Cr在压缩过程中临界熵值，铣刀组件粒子群的弹性至弹塑性的临界熵值分别为138.63、132.58；由弹塑性至塑性变形的临界熵值为276.58、363.75；高速铣刀组件在剪切载荷作用下，利用熵值与能量装换模型计算铣刀组件材料35CrMo、和40Cr剪切变形时粒子群的弹性至弹塑性的临界熵值分别为135.18、140.80；粒子群的弹塑性至塑性变形的临界熵值为239.37、295.70，确定铣刀材料为刀体40Cr、螺钉35CrMo，熵值曲线表达高速铣刀组件所处的安全性衰退状态，熵值曲线各阶段变化速率代表其安全性衰退速率，熵值曲线变化特征由铣刀组件在安全性运动过程中粒子群动能、势能、体积、焓、密度、内应力指标决定的，即取决于晶格参数、元素类型、介观载荷，而上述参数是由高速铣刀组件宏/介观结构交互作用决定的：

式中：f(x)代表高速铣刀组件服役过程中的安全稳定性服役阶段；代表高速铣刀组件发生安全性失稳并逐渐发生弹性变形阶段；ξ(x)代表高速铣刀组件主要发生弹性变形并发生少量塑性变形阶段；ψ(x)代表高速铣刀组件主要发生塑性变形阶段；Z为齿数、D为直径、L为悬伸量、γ₀为前角、α₀为主偏角、Y为齿根结构、为齿间夹角、ρ为粒子群密度、ato为元素种类、Lat为晶格类型、Len为晶格尺寸、Ang为晶格角度。

5.根据权利要求4所述的一种低熵值的安全性高速铣刀设计方法，其特征在于：步骤二中，由步骤一中的式(3)，熵值曲线形状取决于高速铣刀组件齿数、直径、悬臂长度、齿间夹角、定位面角度、齿根结构、晶格尺寸、晶格角度、原子位置、粒子群密度、元素种类宏/介观参数，由于高速铣刀材料为合金结构钢，粒子群的晶格类型、晶格角度及原子位置不变；高速铣刀组件的齿数随直径的变化而改变，悬臂长度取决于高速铣刀组件机床夹具，主偏角取决于工件材料与结构，因此，高速铣刀粒子群乱序的控制变量为直径、前角、齿根结构、齿间夹角、粒子群密度、元素种类、晶格尺寸。

6.根据权利要求5所述的一种低熵值的安全性高速铣刀设计方法，其特征在于：步骤三中，调整高速铣刀组件直径，使其由63mm分别增加至80mm及125mm，采用跨尺度关联分析方法，揭示高速铣刀刀体螺纹孔处粒子群变化特征并构建高速铣刀安全性衰退熵值曲线，确定高速铣刀刀体直径为63mm。

7.根据权利要求6所述的一种低熵值的安全性高速铣刀设计方法，其特征在于：步骤三中，改变直径63mm四齿高速铣刀组件刀体齿根处形状，通过跨尺度关联分析，揭示高速铣刀刀体齿根处粒子群变化特性并构建高速铣刀安全性衰退的熵值特征曲线，确定刀齿结构为：在齿根处设定倒角及圆弧过渡。

8.根据权利要求7所述的一种低熵值的安全性高速铣刀设计方法，其特征在于：步骤三中，调整直径63mm四齿铣刀刀片安装前角由0°至5°，通过跨尺度关联分析，揭示高速铣刀螺钉螺纹面处粒子群变化特征并建立高速铣刀安全性衰退的熵值特征曲线，得出随着前角增加，粒子群不可逆运动程度先减小随即增大；粒子群在高速铣刀前角的增加可以减小ξ(x)熵值衰退速率，增加其安全性服役时长，但是前角过大则会加剧粒子群安全性衰退，因此确定高速铣刀定位面前角为2°。

9.根据权利要求8所述的一种低熵值的安全性高速铣刀设计方法，其特征在于：步骤三中，通过分子动力学分析，揭示直径63mm四齿高速铣刀不同齿距分布对刀体螺纹孔处粒子群变化特征的影响并建立高速铣刀安全性衰退熵值特征曲线，等齿齿距铣刀采用强度设计理论控制安全性衰退的发展，熵值特征曲线的变化速率前快后慢；不等齿齿距铣刀控制安全性衰退的产生，其熵值特征曲线的变化速率前慢后快，高速铣刀的等齿与不等齿结构对铣刀整体安全性影响差别不大，但不等齿结构能够有效抑制高速铣削过程中的振动。

10.一种低熵值的安全性高速铣刀，包括刀体、紧固螺钉、刀片三部分组成；其特征在于：刀体结构为锥形刀体，刀体材料为40Cr，紧固螺钉采用细螺纹螺钉，紧固螺钉材料为35CrMo，刀片为TiN涂层硬质合金可转位刀片；铣刀直径d为63mm，刀具悬伸量为36mm，刀具齿数为4齿，主偏角为45°，刀片安装前角为2°；刀齿分布采用不等齿分布，刀齿齿距差为5°，齿间夹角为88°、89°、90°、93°；刀体齿根处采用倒角及过渡圆弧结构，刀体齿根处的过渡圆弧半径为3.0mm。