CN109940459B - 一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法 - Google Patents

Abstract

一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法，属于铣刀技术领域，本发明为了解决已有的铣刀损伤识别方法因研究尺度集中在微米及以上的宏观尺度，没有考虑铣刀损伤的多尺度问题。步骤a，铣刀损伤识别判据的尺度划分；步骤b，建立铣刀结构及其工作载荷特征模型；步骤c，铣刀永久性变形的测量及识别；步骤d，铣刀应力场分析及其局部损伤判别；步骤e，铣刀组件材料组织结构损伤识别；步骤f，铣刀组件介观损伤形成的识别；步骤g，铣刀损伤多尺度识别与实验验证。本发明的一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法可以从多个尺度层次对铣刀损伤进行有效识别，解决已有的铣刀损伤宏观尺度识别的局限性。

Description

一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法

技术领域

本发明涉及铣刀损伤识别方法，具体涉及一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法，属于 铣刀技术领域。

背景技术

在以高速、高效切削为主要特征的现代切削技术新阶段，由于制造资源缺乏和生产成 本不断加大，和对更高制造资源利用率的追求，高速切削刀具技术正在向高效刀具的方向 发展。在高速铣刀技术基础上发展起来的高效铣刀，凭借低能耗和低刀具损耗率，获得了 优良的切削效果，受到国内外广泛关注。采用轻量化设计方法开发的高效铣刀具有各类高 效铣削刀具系统的共同特性，随着铣削速度的提高，铣刀容易发生损伤从而存在安全性问 题。

为保证铣刀的切削安全性，2001年建立了国际标准ISO15641高速铣刀安全性要求。 在ISO15641允许的切削载荷作用下，由于铣刀内部能量不断积聚，内应力急剧增大，引起铣刀内部结构上的改变，铣刀虽然不会产生大尺度变形和破坏，但是铣刀组件局部损伤仍会发生。此类损伤具有隐蔽性，不易识别，且一旦形成，发展迅速，直接影响铣刀服役 寿命，甚至产生不可修复的事故。因此，识别铣刀组件损伤形成是目前高效铣刀亟待解决 的问题。

目前有关铣刀损伤的研究，主要通过结构动态特性的改变来识别铣刀发生的损伤，其 核心思想是认为结构损伤将改变铣刀的刚度、质量以及能耗能力，进而引起铣刀力学性能 或响应的改变，从而达到检测或控制铣刀损伤的目的。此类方法可以有效识别铣刀微米及 以上的宏观损伤的产生，但由于受限于识别对象所处的尺度，只有当铣刀损伤演化至宏观 层面，甚至造成铣刀结构和力学性能发生显著改变后，上述方法才可以准确识别。因此， 已有的铣刀损伤检测和控制方法具有一定的滞后性，对铣刀损伤的识别有待进一步研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法，以解决已有的铣刀损伤识 别方法因研究尺度集中在微米及以上的宏观尺度，没有考虑铣刀损伤的多尺度问题。

一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法，包括以下步骤：

步骤a，铣刀损伤识别判据的尺度划分；

步骤b，建立铣刀结构及其工作载荷特征模型；

步骤c，铣刀永久性变形的测量及识别；

步骤d，铣刀应力场分析及其局部损伤判别；

步骤e，铣刀组件材料组织结构损伤识别；

步骤f，铣刀组件介观损伤形成的识别；

步骤g，铣刀损伤多尺度识别与实验验证。

优选的：步骤a中铣刀损伤识别判据的尺度划分包括以下步骤：

步骤a1，铣刀损伤具有多尺度特性，铣刀损伤整体分为铣刀宏观损伤和铣刀介观损 伤，铣刀组件结构在微米及其以上尺度的损伤现象为铣刀宏观损伤，在纳米至微米尺度的 损伤现象为铣刀介观损伤；

步骤a2，铣刀宏观损伤包括铣刀宏观整体结构破坏和永久性变形、刀齿局部结构损 伤和铣刀晶格结构损伤，铣刀宏观损伤行为特征变量如下：

D_H＝{ΔU,Δa_i,Δr_i,Δθ_i,l_crack,N_crack,A_dislacation,V_hole,α,β} (1)

式中，D_H为铣刀宏观结构性损伤，ΔU为铣刀不平衡量的变动量，Δa_i为铣刀任意刀齿刀尖点轴向尺寸变动量，Δr_i为铣刀任意刀齿刀尖点径向尺寸变动量，Δθ_i为铣刀第i个刀齿与第i-1个刀齿的齿间夹角变动量，l_crack为铣刀组件结合面的微裂纹长度，N_crack为铣刀组件结合面的微裂纹数量，A_dislacation为铣刀组件结合面的位错带面积，V_hole为铣刀组件的微孔洞体积，α为铣刀组件材料位错增殖系数，β为铣刀组件材料位错移动系数；

步骤a3，铣刀介观损伤包括铣刀原子价键断裂、铣刀原子空位、铣刀介观结构局部破坏和铣刀介观结构完整性破坏损伤，铣刀介观损伤行为特征变量如下所示：

D_J＝{N(t),V(t),ΔPE(t),ΔE(t)} (2)

式中，D_J为铣刀介观结构性损伤，N(t)为发生价键断裂的原子数量，V(t)为超晶胞内空位体积，ΔPE(t)为超晶胞势能增量，ΔE(t)为超晶胞弹性模量衰减量，t为超晶胞运动时间；

铣刀组件材料宏观的损伤特性取决于其材料介观尺度的原子结构，介观尺度损伤的形 成和演变可以发展成为宏观损伤；

步骤a4，根据步骤a1至步骤a3，提出铣刀损伤识别判据，并进行尺度划分，采用ΔU来识别铣刀宏观整体永久性变形损伤，采用Δa_i、Δr_i和Δθ_i识别铣刀刀齿局部永久性变形损伤，采用l_crack、N_crack、A_dislacation和V_hole识别铣刀组件结合面局部损伤，采用α和β识 别铣刀晶格结构损伤。采用N(t)识别铣刀介观原子价键断裂，采用V(t)识别铣刀超晶胞 原子空位，采用ΔPE(t)识别铣刀介观结构局部破坏，采用ΔE(t)识别铣刀超晶胞介观结 构完整性破坏。

优选的：步骤b中建立铣刀结构及其工作载荷特征模型为：

建立o-xyz铣刀坐标系，其中o为铣刀轴向最低刀齿的回转中心，x轴过o点和最低刀齿刀尖点S₁，y轴过o点且垂直于x轴，x轴、y轴和z轴满足右手笛卡尔坐标系，采 用可转位面铣刀结构，此类铣刀由三类组件构成，包括刀体、刀片和紧固螺钉，在高效铣 削工艺条件下，机床主轴转速和铣刀切削速度大幅度提高，铣刀及其组件所承受的力学载 荷包括离心力、切削力以及紧固螺钉的预紧力，如下式：

F′＝T_t/(k_t·d) (5)

式中，F_e为离心力(N)，m为铣刀质量(g)，R为偏心距(mm)，n为主轴转速(rpm)， F_c(t)为刀齿所受瞬态切削力(N)，p为作用于刀片上的单位切削力(MPa)，t为刀齿切削 时间(s)，a_p为切削深度(mm)，f_z为每齿进给量(mm)，

为瞬时接触角(°)，F'为 螺钉预紧力(N)，T_t为螺钉拧紧力矩(N·mm)，k_t为预紧力距系数，d为螺钉公称直径(mm)。

优选的：步骤c中铣刀永久性变形的测量及识别包括以下步骤：

步骤c1，在铣刀工作载荷的作用下，铣刀整体结构发生变形量超过0.05mm的大尺度 永久性变形时，则意味着铣刀存在安全性问题，对于铣刀发生的大尺度变形以下的永久性 变形损伤问题，还有待进一步研究，铣刀的永久性变形将引起铣刀质心变动，导致铣刀不 平衡量的改变，铣刀不平衡量的求解如下式：

U＝m·R (6)

假设铣刀铣削加工前后，铣刀质心位置从O₁(x₁,y₁,z₁)位置变动到O₂(x₂,y₂,z₂)位置， 则铣刀在铣削加工前后不平衡量的变动量为：

式中，U₁为铣削加工前铣刀的不平衡量(g·mm)，U₂为铣削加工后铣刀的不平衡量(g·mm)，铣削加工前后铣刀组件均受到紧固螺钉预紧力的作用，如果检测到的U₁和U₂不同，则说明铣刀在经受铣削加工过程中的载荷作用后，其结构发生了改变，因此，铣刀 不平衡量的变动量可以有效反映铣刀结构的改变，通过动平衡仪检测铣削加工前后铣刀的 不平衡量，求解铣刀不平衡量的变动量ΔU，当ΔU超过铣刀不平衡变动量的许用值ΔU' 时，则意味着铣刀发生了整体结构永久性变形；

步骤c2，铣刀的永久性变形也将改变铣刀组件间的结合状态，引起刀片刀尖位置的 轴向变动、径向变动和齿间夹角的变动，为了识别铣刀刀齿的局部永久性变形，使用对刀 仪检测铣削加工前后铣刀各个刀齿的轴向长度、回转半径及齿间夹角，求解刀齿刀尖点径 向尺寸变动量、轴向尺寸变动量和齿间夹角变动量，如下式:

Δc_i＝L_i′-L_i≥Δc_i′ (8)

Δr_i＝r_i′-r_i≥Δr_i′ (9)

Δθ_i＝θ_i′-θ_i≥Δθ_i′ (10)

式中，Δc_i为铣刀任意刀齿刀尖轴向尺寸变动量(mm)，Δr_i为铣刀任意刀齿刀尖径向 尺寸变动量(mm)，Δθ_i为铣刀第i个刀齿与第i-1个刀齿的齿间夹角变动量(°)，L_i和 L_i'分别为铣削加工前后任意刀齿的轴向长度，r_i和r_i'分别为铣削加工前后任意刀齿的回转半径，θ_i和θ_i'分别为铣削加工前后第i个刀齿与第i-1个刀齿的齿间夹角。当Δc_i、Δr_i和Δθ_i均未超过其许用值Δc_i'、Δr_i'和Δθ_i'时，则意味着铣刀未发生刀齿局部结构永久性变形。

优选的：步骤d中铣刀应力场分析及其局部损伤判别包括以下步骤：

步骤d1，建立铣刀有限元模型，获取铣刀刀体和刀齿变形场，提取刀体及紧固螺钉的应变分布，利用铣刀组件最大应变所在区域可初步确定分析铣刀损伤形成的位置，即铣刀组件易损部位；

步骤d2，选择刀体螺纹孔区域研究铣刀组件局部损伤的形成特征，提取其应力大小 及作用方向，刀体螺纹孔所受应力远小于材料的屈服应力(785MPa)，螺纹孔应变最大位置区域以单方向拉应力为主，其他方向受力较小，同理可得紧固螺钉的应力属性，提取其最大应变区域的应力大小分布及方向，在齿顶两个方向上承受压应力；

步骤d3，由铣刀组件有限元分析获取最大应变位置的应变值及其对应的应力值，并 借助强度判据识别铣刀组件在载荷作用下是否发生断裂和破坏，铣刀组件易损部位应力值 小于其材料的屈服强度，且最大应变值小于其材料许用的最大应变值，说明铣刀不会发生 断裂和破坏；

步骤d4，由有限元分析可知，铣刀组件易损点出现在铣刀组件的结合面上，包括刀体螺纹孔、刀体结合面和紧固螺钉螺纹表面，对铣削加工后的铣刀进行局部损伤识别，利用扫描电镜检测铣刀组件易损点，在铣刀刀体结合面发生位错损伤，在刀体螺纹孔发生宏观微裂纹损伤，在紧固螺钉螺纹表面发生宏观微裂纹损伤。通过有限元分析识别铣刀组件局部易损点，从而可以有效确定铣刀组件局部损伤检测的位置，提高利用扫描电镜检测铣刀组件损伤的效率。

优选的：步骤e中铣刀组件材料组织结构损伤识别包括以下步骤：

步骤e1，确定铣刀易损部位的应力大小和应力属性，并求解铣刀材料易损点满足位 错增殖和位错移动条件的切应力大小及其作用方向，从而借助位错增殖和位错移动判据识 别铣刀的宏观小尺度损伤。铣刀宏观损伤载荷特性识别与宏观小尺度损伤分析方法，将铣 刀组件易损部位应力σ进行分解，分解成垂直于易损表面的压应力分量σ₀和平行于易损 表面的切应力分量τ₀。

步骤e2，铣刀组件材料发生位错增殖，将导致铣刀组件内部不断产生新的位错环或 大幅度增加位错线长度，导致位错损伤加剧。因此，构建铣刀组件材料位错增殖判据：

式中，α为铣刀组件材料位错增殖系数，τ_c为铣刀组件位错增殖的临界切应力，τ₀为铣刀组件易损部位提取的切应力。当求解的位错增殖系数大于1时，则意味着铣刀组件结合面发生位错增殖。

铣刀发生的位错带等宏观局部损伤，实际上是铣刀组件材料中位错在外力作用下运动 的结果。因此，构建铣刀组件材料位错移动判据：

式中，β为铣刀组件材料位错移动系数，τ_c1为铣刀组件位错移动的临界切应力，当求 解的位错移动系数大于1时，则意味着铣刀组件结合面发生位错移动；

步骤e3，当铣刀组件的外部载荷同时满足位错增殖和位错移动条件，则会发生位错 塞积，从而形成位错带，位错塞积还会导致位错的前端产生很大的应力集中，这种应力集 中达到一定程度时，将导致微裂纹形成。通过铣刀组件变形场，识别铣刀组件上满足位错 增殖和位错滑移的应力点的数量，可以预测铣刀组件产生微裂纹及孔洞损伤的数量，通过 识别铣刀组件上满足位错增殖和位错滑移的应力点的区域，则可预测铣刀组件上产生微孔 洞的体积。

优选的：步骤f中铣刀组件介观损伤形成的识别包括以下步骤：

步骤f1，建立铣刀组件超晶胞模型，利用铣刀组件材料40Cr和35CrMo的各元素含量及其存在形式，建立铣刀刀体组件和螺钉组件的超晶胞模型；

步骤f2，建立铣刀组件宏观小尺度损伤的载荷跨尺度传递方法，建立铣刀组件介观 尺度超晶胞的载荷边界条件；

步骤f3，运用LAMMPS软件进行分子动力学仿真，采用正则系综(NVT)和 Nose-Hoover控温法，和通用力场(UFF)，时间步长为1fs，仿真时间120ps，分析高速 切削条件下铣刀组件超晶胞变化特性。并提取铣刀组件在不同应力、应变水平下的超晶胞 介观损伤的特征参数，构建铣刀介观损伤形成识别判据：

N(t)＞0 (13)

V(t)＞0 (14)

ΔPE≥[PE] (15)

ΔE≥[E] (16)

式中，N(t)为价键断裂的原子数量，V(t)为晶胞内空位体积，ΔPE(t)为超晶胞势能 增量，ΔE(t)为超晶胞弹性模量衰减量，[PE]为铣刀发生介观结构局部破坏所对应的超晶 胞势能增量临界值，[E]为铣刀发生介观结构完整性破坏所对应的超晶胞弹性模量衰减量 临界值，t为超晶胞运动时间。

当价键断裂的原子数量大于0时，则意味着铣刀产生原子价键断裂；当空位体积大于 0时，则意味着铣刀形成原子空位损伤；当超晶胞势能增量超过其临界值[PE]时，则意味着铣刀形成超晶胞空隙损伤，造成铣刀超晶胞介观局部结构破坏；当超晶胞弹性模量衰减量超过其临界值[E]时，则意味着铣刀超晶胞形成介观结构完整性破坏。

优选的：步骤g中铣刀损伤多尺度识别与实验验证包括以下步骤：

步骤g1，进行铣刀损伤多尺度识别，明确铣刀损伤发生的尺度是宏观尺度还是介观 尺度，从而通过相应的损伤判据识别铣刀在相应尺度下有无损伤产生以及损伤的种类及属 性；依据工件加工特征，选择刀具的材料特征，结构特征及切削参数，并对铣刀进行有限 元应力场分析，通过寻找铣刀组件上应变最大的点确定铣刀组件易损部位，并根据强度判 据识别铣刀在该载荷下是否发生断裂和破坏，同时借助获得的铣刀组件易损部位的分析结 果，采用扫描电镜对铣刀组件易损部位进行损伤检测，分析铣刀组件结合面是否发生局部 损伤；

步骤g2，在铣刀有限元应力场中提取易损点的切应力，利用位错损伤判据识别铣刀 组件材料内部是否发生位错增殖和位错移动，从而预测微裂纹及孔洞损伤的产生。然后检 测并求解铣削加工前后铣刀不平衡量的变动量、刀齿径向尺寸变动量、刀齿轴向尺寸变动 量及齿间夹角变动量，识别铣刀是否发生永久性变形损伤；

步骤g3，根据铣刀组件的材料特征建立和优化铣刀组件超晶胞模型，并采用密度及 弹性常数验证超晶胞模型的有效性。通过铣刀组件跨尺度耦合模型，构建铣刀组件超晶胞 的载荷边界条件，进行分子动力学仿真。根据超晶胞价键断裂数量，空位体积，势能和弹性模量识别铣刀组件超晶胞原子价键断裂、原子位错、超晶胞空位及空隙等介观损伤损伤的形成。

本发明与现有产品相比具有以下效果：

本发明提供了一种用于识别高效铣刀损伤的多尺度识别方法，该方法可以从多个尺度 层次对铣刀损伤进行有效识别，解决已有的铣刀损伤宏观尺度识别的局限性，为保证铣刀 的安全性提供一套相对完整的理论支持。明确铣刀损伤发生的尺度是宏观尺度还是介观尺 度，并通过不断减小损伤识别的尺度，借助相应的损伤判据识别铣刀在相应尺度下有无损 伤产生以及损伤的种类及属性。可以实现对铣刀整体结构的永久性变形损伤进行有效识 别，并判别铣刀在载荷作用下是否发生断裂和破坏，可以识别铣刀组织结构是否发生位错 增殖和位错移动，从而预测宏观微裂纹等损伤的产生。减小铣刀损伤识别的尺度，可以在 介观尺度识别组件损伤的产生及损伤程度，并在发展到宏观结构性破坏之前及时预见到危 险，避免了以往只在宏观尺度上识别铣刀损伤产生的滞后性。从宏观尺度向介观尺度依次 进行损伤识别，可以探寻宏观尺度损伤的形成原因。从介观尺度向宏观尺度依次进行损伤 识别，可以分析铣刀损伤的多尺度演变特性。

揭示了高效铣刀宏观损伤与介观损伤之间的内在联系，识别出铣刀整体及局部的多个 尺度层次的损伤，为后续跨尺度设计更安全高效的高效铣刀提供理论依据。

附图说明

图1是铣刀损伤识别判据的尺度划分示意图；

图2是铣刀结构及其质心变动分析示意图；

图3是铣刀刀齿径向和轴向尺寸及齿间夹角的测量示意图；

图4是图3的仰视图；

图5是铣刀损伤多尺度识别方法流程图；

图6是刀体螺纹孔应变分布示意图；

图7是刀体结合面应变分布示意图；

图8是紧固螺钉螺纹表面应变分布示意图；

图9是刀体螺纹孔应力大小及方向示意图；

图10是紧固螺钉应变最大应变区域应力大小及方向示意图；

图11是铣刀宏观损伤载荷特性识别与宏观小尺度损伤分析示意图；

图12是铣刀损伤载荷的跨尺度传递示意图；

图13是刀体螺纹孔超晶胞仿真结果6.0ps示意图；

图14是刀体螺纹孔超晶胞仿真结果50.0ps示意图；

图15是刀体螺纹孔超晶胞仿真结果120.0ps示意图；

图16是紧固螺钉超晶胞仿真结果10.0ps示意图；

图17是紧固螺钉超晶胞仿真结果45.0ps示意图；

图18是紧固螺钉超晶胞仿真结果82.5ps示意图；

图19是紧固螺钉超晶胞仿真结果120.0ps示意图；

图20是铣刀组件超晶胞势能变化曲线图；

图21是铣刀组件超晶胞弹性模量变化曲线图；

图22是对比实验铣刀组件仿真结果紧固螺钉示意图；

图23是对比实验铣刀组件仿真结果刀体螺纹孔示意图；

图24是对比实验铣刀组件紧固螺钉势能曲线图；

图25是对比实验铣刀组件刀体螺纹孔势能曲线图；

图26是对比实验铣刀组件紧固螺钉弹性模量变化曲线图；

图27是对比实验铣刀组件刀体螺纹孔弹性模量变化曲线图；

图28是铣刀组件螺钉螺纹表面损伤探查结果示意图；

图29是铣刀组件刀体螺纹孔损伤探查结果示意图。

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。

一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法，包括以下步骤：

步骤a，铣刀损伤识别判据的尺度划分；

步骤b，建立铣刀结构及其工作载荷特征模型；

步骤c，铣刀永久性变形的测量及识别；

步骤d，铣刀应力场分析及其局部损伤判别；

步骤e，铣刀组件材料组织结构损伤识别；

步骤f，铣刀组件介观损伤形成的识别；

步骤g，铣刀损伤多尺度识别与实验验证。

进一步：步骤a中铣刀损伤识别判据的尺度划分包括以下步骤：

步骤a1，铣刀损伤具有多尺度特性，铣刀损伤整体分为铣刀宏观损伤和铣刀介观损 伤，铣刀组件结构在微米及其以上尺度的损伤现象为铣刀宏观损伤，在纳米至微米尺度的 损伤现象为铣刀介观损伤；

步骤a2，铣刀宏观损伤包括铣刀宏观整体结构破坏和永久性变形、刀齿局部结构损 伤和铣刀晶格结构损伤，铣刀宏观损伤行为特征变量如下：

D_H＝{ΔU,Δa_i,Δr_i,Δθ_i,l_crack,N_crack,A_dislacation,V_hole,α,β} (1)

式中，D_H为铣刀宏观结构性损伤，ΔU为铣刀不平衡量的变动量，Δa_i为铣刀任意刀齿刀尖点轴向尺寸变动量，Δr_i为铣刀任意刀齿刀尖点径向尺寸变动量，Δθ_i为铣刀第i个刀齿与第i-1个刀齿的齿间夹角变动量，l_crack为铣刀组件结合面的微裂纹长度，N_crack为铣刀组件结合面的微裂纹数量，A_dislacation为铣刀组件结合面的位错带面积，V_hole为铣刀组件的微孔洞体积，α为铣刀组件材料位错增殖系数，β为铣刀组件材料位错移动系数；

步骤a3，铣刀介观损伤包括铣刀原子价键断裂、铣刀原子空位、铣刀介观结构局部破坏和铣刀介观结构完整性破坏损伤，铣刀介观损伤行为特征变量如下所示：

D_J＝{N(t),V(t),ΔPE(t),ΔE(t)} (2)

式中，D_J为铣刀介观结构性损伤，N(t)为发生价键断裂的原子数量，V(t)为超晶胞内空位体积，ΔPE(t)为超晶胞势能增量，ΔE(t)为超晶胞弹性模量衰减量，t为超晶胞运动时间；

铣刀组件材料宏观的损伤特性取决于其材料介观尺度的原子结构，介观尺度损伤的形 成和演变可以发展成为宏观损伤；

步骤a4，根据步骤a1至步骤a3，提出铣刀损伤识别判据，并进行尺度划分，如图1所示，采用ΔU来识别铣刀宏观整体永久性变形损伤，采用Δa_i、Δr_i和Δθ_i识别铣刀刀齿局部永久性变形损伤，采用l_crack、N_crack、A_dislacation和V_hole识别铣刀组件结合面局部损伤，采用α和β识别铣刀晶格结构损伤。采用N(t)识别铣刀介观原子价键断裂，采用V(t)识 别铣刀超晶胞原子空位，采用ΔPE(t)识别铣刀介观结构局部破坏，采用ΔE(t)识别铣刀 超晶胞介观结构完整性破坏。

进一步：如图2所示，步骤b中建立铣刀结构及其工作载荷特征模型为：

建立o-xyz铣刀坐标系，其中o为铣刀轴向最低刀齿的回转中心，x轴过o点和最低刀齿刀尖点S₁，y轴过o点且垂直于x轴，x轴、y轴和z轴满足右手笛卡尔坐标系，采 用可转位面铣刀结构，此类铣刀由三类组件构成，包括刀体、刀片和紧固螺钉，在高效铣 削工艺条件下，机床主轴转速和铣刀切削速度大幅度提高，铣刀及其组件所承受的力学载 荷包括离心力、切削力以及紧固螺钉的预紧力，如下式：

F′＝T_t/(k_t·d) (5)

式中，F_e为离心力(N)，m为铣刀质量(g)，R为偏心距(mm)，n为主轴转速(rpm)， F_c(t)为刀齿所受瞬态切削力(N)，p为作用于刀片上的单位切削力(MPa)，t为刀齿切削 时间(s)，a_p为切削深度(mm)，f_z为每齿进给量(mm)，

为瞬时接触角(°)，F'为 螺钉预紧力(N)，T_t为螺钉拧紧力矩(N·mm)，k_t为预紧力距系数，d为螺钉公称直径(mm)。

进一步：步骤c中铣刀永久性变形的测量及识别包括以下步骤：

步骤c1，在铣刀工作载荷的作用下，铣刀整体结构发生变形量超过0.05mm的大尺度 永久性变形时，则意味着铣刀存在安全性问题，对于铣刀发生的大尺度变形以下的永久性 变形损伤问题，还有待进一步研究，铣刀的永久性变形将引起铣刀质心变动，导致铣刀不 平衡量的改变，铣刀不平衡量的求解如下式：

U＝m·R (6)

假设铣刀铣削加工前后，铣刀质心位置从图2中的O₁(x₁,y₁,z₁)位置变动到O₂(x₂,y₂,z₂) 位置，则铣刀在铣削加工前后不平衡量的变动量为：

式中，U₁为铣削加工前铣刀的不平衡量(g·mm)，U₂为铣削加工后铣刀的不平衡量(g·mm)，铣削加工前后铣刀组件均受到紧固螺钉预紧力的作用，如果检测到的U₁和U₂不同，则说明铣刀在经受铣削加工过程中的载荷作用后，其结构发生了改变，因此，铣刀 不平衡量的变动量可以有效反映铣刀结构的改变，通过动平衡仪检测铣削加工前后铣刀的 不平衡量，求解铣刀不平衡量的变动量ΔU，当ΔU超过铣刀不平衡变动量的许用值ΔU' 时，则意味着铣刀发生了永久性变形；

步骤c2，铣刀的永久性变形也将改变铣刀组件间的结合状态，引起刀片刀尖位置的 轴向变动、径向变动和齿间夹角的变动，为了识别铣刀刀齿的局部永久性变形，使用对刀 仪检测铣削加工前后铣刀各个刀齿的轴向长度、回转半径及齿间夹角，如图3和图4所示， 求解刀齿刀尖点径向尺寸变动量、轴向尺寸变动量和齿间夹角变动量，如下式:

Δc_i＝L_i′-L_i≥Δc_i′ (8)

Δr_i＝r_i′-r_i≥Δr_i′ (9)

Δθ_i＝θ_i′-θ_i≥Δθ_i′ (10)

式中，Δc_i为铣刀任意刀齿刀尖轴向尺寸变动量(mm)，Δr_i为铣刀任意刀齿刀尖径向 尺寸变动量(mm)，Δθ_i为铣刀第i个刀齿与第i-1个刀齿的齿间夹角变动量(°)，L_i和 L_i'分别为铣削加工前后任意刀齿的轴向长度，r_i和r_i'分别为铣削加工前后任意刀齿的回转半径，θ_i和θ_i'分别为铣削加工前后第i个刀齿与第i-1个刀齿的齿间夹角。当Δc_i、Δr_i和Δθ_i均未超过其许用值Δc_i'、Δr_i'和Δθ_i'时，则意味着铣刀未发生永久性变形。

为了验证上述方法的有效性，采用直径63mm、四齿等齿距高效面铣刀，在转速8000rpm、每齿进给量0.15mm、切削深度0.5mm、切削宽度56mm，工件材料为铝合金 7075，刀体材料为40Cr，紧固螺钉材料为35CrMo，铣削方式为顺铣的条件下，进行铣削 实验，铣削形程为100m。借助动平衡仪检测铣削加工前后铣刀的不平衡量，求得铣削加 工前后铣刀不平衡量的变动量为116g·mm，说明铣刀发生了永久性变形损伤。然后使用 对刀仪检测铣削加工前后铣刀刀齿的轴向尺寸、回转半径及齿间夹角，求得刀齿刀尖点径 向尺寸变动量、轴向尺寸变动量和齿间夹角变动量，如表1所示。

表1铣刀刀齿刀尖点位置变动量

由表1可知，铣刀经过铣削加工后，铣刀刀齿刀尖点径向尺寸、轴向尺寸和齿间夹角 均发生改变，说明铣刀在铣削加工过程中载荷的作用下发生了永久性变形损伤。

进一步：步骤d中铣刀应力场分析及其局部损伤判别包括以下步骤：

步骤d1，铣刀损伤发生的类型及损伤程度，取决于铣刀组件的材料属性、变形性质和应力场分布特点，采用步骤m中的实验条件，建立铣刀有限元模型，获取铣刀刀体和 刀齿变形场，提取刀体及紧固螺钉的应变分布，如图6-8所示，利用铣刀组件最大应变所 在区域可初步确定分析铣刀损伤形成的位置，即铣刀组件易损部位；

步骤d2，由图6-8可知，选择刀体螺纹孔区域研究铣刀组件介观损伤的形成特征，提取其应力大小及作用方向，如图9所示，由图9可知，刀体螺纹孔所受应力远小于材料 的屈服应力(785MPa)，螺纹孔应变最大位置区域以单方向拉应力为主，其他方向受力较 小，同理可得紧固螺钉的应力属性，提取其最大应变区域的应力大小分布及方向，如图 10所示，在齿顶两个方向上承受压应力；

步骤d3，由铣刀组件有限元分析获取铣刀变形场，并获取最大应变位置的应变值及 其对应的应力值，并借助强度判据识别铣刀组件在载荷作用下是否发生断裂和破坏，铣刀 组件易损部位应力值小于其材料的屈服强度，且最大应变值小于其材料许用的最大应变 值，说明铣刀不会发生断裂和破坏；

步骤d4，由有限元分析可知，铣刀组件易损点出现在铣刀组件的结合面上，包括刀体螺纹孔、刀体结合面和紧固螺钉螺纹表面，对步骤c中加工完成后的铣刀进行局部损伤识别，利用扫描电镜检测铣刀组件易损点，在铣刀刀体结合面发生位错损伤，在刀体螺纹孔发生宏观微裂纹损伤，在紧固螺钉螺纹表面发生宏观微裂纹损伤。通过有限元分析识别铣刀组件局部易损点，从而可以有效确定铣刀组件局部损伤检测的位置，提高利用扫描电镜检测铣刀组件损伤的效率。

进一步：步骤e中铣刀组件材料组织结构损伤识别包括以下步骤：

步骤e1，确定铣刀易损部位的应力大小和应力属性，并求解铣刀材料易损点满足位 错增殖和位错移动条件的切应力大小及其作用方向，从而借助位错增殖和位错移动判据识 别铣刀的宏观小尺度损伤。铣刀宏观损伤载荷特性识别与宏观小尺度损伤分析方法，如图 11所示，将铣刀组件易损部位应力σ进行分解，分解成垂直于易损表面的压应力分量σ₀和平行于易损表面的切应力分量τ₀。

步骤e2，铣刀组件材料发生位错增殖，将导致铣刀组件内部不断产生新的位错环或 大幅度增加位错线长度，导致位错损伤加剧。因此，构建铣刀组件材料位错增殖判据：

式中，α为铣刀组件材料位错增殖系数，τ_c为铣刀组件位错增殖的临界切应力，τ₀为铣刀组件易损部位提取的切应力。当求解的位错增殖系数大于1时，则意味着铣刀组件结合面发生位错增殖。

铣刀发生的位错带等宏观局部损伤，实际上是铣刀组件材料中位错在外力作用下运动 的结果。因此，构建铣刀组件材料位错移动判据：

式中，β为铣刀组件材料位错移动系数，τ_c1为铣刀组件位错移动的临界切应力，当求 解的位错移动系数大于1时，则意味着铣刀组件结合面发生位错移动；

步骤e3，当铣刀组件的外部载荷同时满足位错增殖和位错移动条件，则会发生位错 塞积，从而形成位错带，位错塞积还会导致位错的前端产生很大的应力集中，这种应力集 中达到一定程度时，将导致微裂纹形成。通过铣刀组件变形场，识别铣刀组件上满足位错 增殖和位错滑移的应力点的数量，可以预测铣刀组件产生微裂纹及孔洞损伤的数量，通过 识别铣刀组件上满足位错增殖和位错滑移的应力点的区域，则可预测铣刀组件上产生微孔 洞的体积。

进一步：步骤f中铣刀组件介观损伤形成的识别包括以下步骤：

步骤f1，由铣刀损伤识别的尺度划分结果可知，为了研究载荷作用下铣刀组件内部 的原子不可逆运动导致的介观损伤，首先要建立铣刀组件超晶胞模型。利用铣刀组件材料 40Cr和35CrMo的各元素含量及其存在形式，建立铣刀刀体组件和螺钉组件的超晶胞模型。

为了获得准确的原子运动状态，利用最低能量理论降低铣刀组件超晶胞模型的内应 力，使超晶胞达到稳定的状态。同时采用高温驰豫法及快速冷凝法对铣刀组件超晶胞进行 进一步优化，使超晶胞力学性能接近经调质后的铣刀组件材料。优化后40Cr尺寸为

密度为7.89g/cm³，35CrMo尺寸为

密度 为7.78g/cm³。

弹性常数是表征材料应力应变关系的物理量，其性能主要由原子间的结合状态所决 定，可以避免由于材料的尺寸效应所导致的铣刀宏观和介观物理性能的差异。因此，采用 弹性常数验证超晶胞模型的有效性。

依据35CrMo和40Cr合金钢材料的泊松比、弹性模量和剪切模量，计算出铣刀组件弹性常数标准值，采用Materials Studio(MS)中的CASTEP模块计算刀体和紧固螺钉超 晶胞弹性常数的仿真值。刀体和紧固螺钉的仿真弹性常数及误差如表2所示。

表2 35CrMo紧固螺钉和40Cr刀体弹性常数的仿真结果及其误差

由表2可知，铣刀组件超晶胞模型的弹性常数误差均控制在15％以内，与铣刀组件实际的弹性常数值接近，因此可以有效反映铣刀组件的力学性能。

步骤f2，为了实现宏观载荷边界条件有效传递到介观超晶胞上，从而识别宏观载荷 作用下介观尺度原子不可逆运动导致的介观损伤，揭示了宏观损伤与介观损伤的关系，结 合步骤d及步骤e中铣刀易损部位载荷边界条件获取方法，提取满足位错损伤载荷条件的 应力，采用MAAD方法，建立铣刀组件宏观小尺度损伤的载荷跨尺度传递方法，建立铣 刀组件介观尺度超晶胞的载荷边界条件，如图12所示。图12中，在连续介质区域中，材 料变形采用有限元中的Lagrangian方法描述。在原子区域中，采用晶体描述，材料变形 符合经典牛顿定律。

步骤f3，运用LAMMPS软件进行分子动力学仿真，采用正则系综(NVT)和 Nose-Hoover控温法，和通用力场(UFF)，时间步长为1fs，仿真时间120ps，分析高速 切削条件下铣刀组件超晶胞变化特性，铣刀组件超晶胞仿真结果如图13-图21所示。并 提取铣刀组件在不同应力、应变水平下的超晶胞介观损伤的特征参数，构建铣刀介观损伤 形成识别判据：

N(t)＞0 (13)

V(t)＞0 (14)

ΔPE≥[PE] (15)

ΔE≥[E] (16)

式中，N(t)为价键断裂的原子数量，V(t)为晶胞内空位体积，ΔPE(t)为超晶胞势能 增量，ΔE(t)为超晶胞弹性模量衰减量，[PE]为铣刀发生介观结构局部破坏所对应的超晶 胞势能增量临界值，[E]为铣刀发生介观结构完整性破坏所对应的超晶胞弹性模量衰减量 临界值，t为超晶胞运动时间。

当价键断裂的原子数量大于0时，则意味着铣刀产生原子价键断裂；当空位体积大于 0时，则意味着铣刀形成原子空位损伤；当超晶胞势能增量超过其临界值[PE]时，则意味着铣刀形成超晶胞空隙损伤，造成铣刀超晶胞介观局部结构破坏；当超晶胞弹性模量衰减量超过其临界值[E]时，则意味着铣刀超晶胞形成介观结构完整性破坏。

由图13-图19可知，在铣刀工作载荷作用下，刀体螺纹孔和紧固螺钉螺纹牙顶处超晶胞首先产生一定数量的原子价键断裂和原子逸散，并形成空隙。随着超晶胞原子价键断裂规模的不断扩大，形成的超晶胞空隙被其它原子填补，其位错程度增强，并在超晶胞内部产生大规模价键断裂，使得位错遍布整个超晶胞，直至超晶胞因价键断裂产生的空隙不再被填补。

由图20-图21可知，与铣刀组件超晶胞上述变化过程相对应，在发生较大规模的原子价键断裂时伴有超晶胞势能的突变，并形成局部破坏；超晶胞弹性模量则在经历了大规模原子价键断裂后，产生了一个大幅度衰减过程，在此之后，超晶胞发生坍塌，形成介观 结构性破坏。

进一步：进行铣刀损伤多尺度识别，应明确铣刀损伤发生的尺度是宏观尺度还是介观 尺度，从而通过相应的损伤判据识别铣刀在相应尺度下有无损伤产生以及损伤的种类及属 性。铣刀损伤多尺度识别方法流程如图5所示。步骤g中铣刀损伤多尺度识别与实验验证 包括以下步骤：

步骤g1，进行铣刀损伤多尺度识别，明确铣刀损伤发生的尺度是宏观尺度还是介观 尺度，从而通过相应的损伤判据识别铣刀在相应尺度下有无损伤产生以及损伤的种类及属 性；依据工件加工特征，选择刀具的材料特征，结构特征及切削参数，并对铣刀进行有限 元应力场分析，通过寻找铣刀组件上应变最大的点确定铣刀组件易损部位，并根据强度判 据识别铣刀在该载荷下是否发生断裂和破坏，同时借助获得的铣刀组件易损部位的分析结 果，采用扫描电镜对铣刀组件易损部位进行损伤检测，分析铣刀组件结合面是否发生局部 损伤；

步骤g2，在铣刀有限元应力场中提取易损点的切应力，利用位错损伤判据识别铣刀 组件材料内部是否发生位错增殖和位错移动，从而预测微裂纹及孔洞损伤的产生。然后检 测并求解铣削加工前后铣刀不平衡量的变动量、刀齿径向尺寸变动量、刀齿轴向尺寸变动 量及齿间夹角变动量，识别铣刀是否发生永久性变形损伤；

步骤g3，根据铣刀组件的材料特征建立和优化铣刀组件超晶胞模型，并采用密度及 弹性常数验证超晶胞模型的有效性。通过铣刀组件跨尺度耦合模型，构建铣刀组件超晶胞 的载荷边界条件，进行分子动力学仿真。根据超晶胞价键断裂数量，空位体积，势能和弹性模量识别铣刀组件超晶胞原子价键断裂、原子位错、超晶胞空位及空隙等介观损伤损伤的形成。

铣刀损伤的多尺度识别方法中，介观损伤识别方法可以有效识别铣刀介观尺度损伤的 形成及其程度，可以在介观损伤演变为宏观局部损伤之前进行及时预测，避免了宏观尺度 损伤识别相对于损伤产生的滞后性。

为验证该介观损伤识别方法的有效性，以直径80mm的五齿的等齿距高效铣刀为实验对象，进行高速铣削对比实验。具体实验条件为：工件材料为铝合金7075，主轴转速6500rpm，每齿进给量0.15mm，切削深度0.5mm，切削宽度56mm，切削行程100m，铣 刀参数选择满足ISO15641安全规范。借助步骤f的方法，获得铣刀组件分子动力学仿真 结果如图22-图23所示，铣刀组件晶胞势能变化对比如图24-图25所示。

如图22-图23，紧固螺钉超晶胞位错，价键断裂以及空隙主要集中在两端，超晶胞中 央几乎没有变化，由此可知紧固螺钉介观损伤程度较低。刀体螺纹孔超晶胞因价键断裂产 生的空隙遍布超晶胞的四周，位错程度更加显著，由此可知对比试验刀体螺纹孔介观损伤 程度较为显著。

由图24-图25可知，对于35CrMo紧固螺钉，80mm面铣刀晶胞势能波动性略大于63mm面铣刀，但势能总体水平更低，并且能量突变次数少于63mm面铣刀。对于40Cr 刀体螺纹孔，80mm面铣刀与63mm面铣刀晶胞势能变化趋势差异较大，80mm面铣刀的 晶胞势能突变幅度略高于63mm面铣刀。为进一步分析铣刀组件介观损伤形成的差异， 采用弹性模量分析铣刀组件的力学性能变化，如图26-图27所示。

由图26-图27可知，80mm面铣刀螺钉超晶胞弹性模量没有出现明显的下降，表明铣刀螺钉的介观损伤只发生一定规模的价键断裂和空隙。刀体螺纹孔的晶胞弹性模量下降，表明刀体螺纹孔的介观损伤不但产生大规模价键断裂，并且力学性能显著降低。

由此可知，虽然紧固螺钉在介观尺度上产生了价键断裂和空隙，但损伤程度没有影响 到超晶胞的力学性能。刀体螺纹孔的介观损伤已经导致超晶胞力学性能的显著下降，具备 形成更大尺度损伤的条件。

为验证介观损伤识别方法的有效性，对此次对比实验铣刀的刀体螺纹孔以及紧固螺钉 的螺纹表面进行检测，损伤探查结果如图28-图29所示。

如图28，紧固螺钉的螺纹表面没有产生明显的损伤特征。如图29，在刀体螺纹孔的齿根处出现明显微裂纹。对比实验结果表明，铣刀介观损伤识别方法可以有效识别铣刀组件介观损伤，并在铣刀发生更大尺度损伤之前及时预测损伤。

与现有技术的区别，在满足国际标准ISO15641的情况下，铣刀虽然不会发生整体性 破坏，但是微小破坏现象却经常发生，这些微损伤的存在使得铣刀的服役过程存在安全性 隐患。

已有的有关铣刀损伤的研究，主要通过结构动态特性的改变来识别铣刀发生的损伤， 其核心思想是认为结构损伤将改变铣刀的刚度、质量以及能耗能力，进而引起铣刀力学性 能或响应的改变，从而达到检测或控制铣刀损伤的目的。但由于受限于识别对象所处的尺 度，只有当铣刀损伤演化至宏观尺度，甚至造成铣刀宏观结构和力学性能发生显著变化后， 上述方法才可以准确识别。

本发明是按照铣刀损伤识别尺度由大到小依次进行损伤识别，包括识别铣刀宏观整体 结构性损伤，刀齿局部结构损伤，铣刀组件晶格结构损伤和铣刀组件介观损伤。在建立宏 观尺度和介观尺度载荷边界条件的基础上，借助多种损伤判据识别铣刀在相应尺度下有无 损伤产生以及发生损伤的种类及属性，避免了传统铣刀损伤识别方法仅从宏观尺度进行损 伤识别的局限性。另一方面，借助铣刀损伤载荷的跨尺度传递方法，宏观载荷边界条件有 效传递到介观超晶胞上，从而识别宏观载荷作用下介观尺度原子不可逆运动导致的介观损 伤，揭示铣刀损伤的多尺度演变特性，同时可以分析铣刀损伤的形成原因。

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 (6)

1.一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a，铣刀损伤识别判据的尺度划分；

所述步骤a中铣刀损伤识别判据的尺度划分包括以下步骤：

步骤a1，铣刀损伤具有多尺度特性，铣刀损伤整体分为铣刀宏观损伤和铣刀介观损伤，铣刀组件结构在微米及其以上尺度的损伤现象为铣刀宏观损伤，在纳米至微米尺度的损伤现象为铣刀介观损伤；

步骤a2，铣刀宏观损伤包括铣刀宏观整体结构破坏和永久性变形、刀齿局部结构损伤和铣刀晶格结构损伤，铣刀宏观损伤行为特征变量如下：

D_H＝{△U,△a_i,△r_i,△θ_i,l_crack,N_crack,A_dislacation,V_hole,α,β} (1)

式中，D_H为铣刀宏观结构性损伤，ΔU为铣刀不平衡量的变动量，Δa_i为铣刀任意刀齿刀尖点轴向尺寸变动量，Δr_i为铣刀任意刀齿刀尖点径向尺寸变动量，Δθ_i为铣刀第i个刀齿与第i-1个刀齿的齿间夹角变动量，l_crack为铣刀组件结合面的微裂纹长度，N_crack为铣刀组件结合面的微裂纹数量，A_dislacation为铣刀组件结合面的位错带面积，V_hole为铣刀组件的微孔洞体积，α为铣刀组件材料位错增殖系数，β为铣刀组件材料位错移动系数；

步骤a3，铣刀介观损伤包括铣刀原子价键断裂、铣刀原子空位、铣刀介观结构局部破坏和铣刀介观结构完整性破坏损伤，铣刀介观损伤行为特征变量如下所示：

D_J＝{N(t),V(t),△PE(t),△E(t)} (2)

式中，D_J为铣刀介观结构性损伤，N(t)为发生价键断裂的原子数量，V(t)为超晶胞内空位体积，ΔPE(t)为超晶胞势能增量，ΔE(t)为超晶胞弹性模量衰减量，t为超晶胞运动时间；

铣刀组件材料宏观的损伤特性取决于其材料介观尺度的原子结构，介观尺度损伤的形成和演变可以发展成为宏观损伤；

步骤a4，根据步骤a1至步骤a3，提出铣刀损伤识别判据，并进行尺度划分，采用ΔU来识别铣刀宏观整体永久性变形损伤，采用Δa_i、Δr_i和Δθ_i识别铣刀刀齿局部永久性变形损伤，采用l_crack、N_crack、A_dislacation和V_hole识别铣刀组件结合面局部损伤，采用α和β识别铣刀晶格结构损伤，采用N(t)识别铣刀介观原子价键断裂，采用V(t)识别铣刀超晶胞原子空位，采用ΔPE(t)识别铣刀介观结构局部破坏，采用ΔE(t)识别铣刀超晶胞介观结构完整性破坏；

步骤b，建立铣刀结构及其工作载荷特征模型；

步骤c，铣刀永久性变形的测量及识别；

步骤d，铣刀应力场分析及其局部损伤判别；

步骤e，铣刀组件材料组织结构损伤识别；

步骤f，铣刀组件介观损伤形成的识别；

步骤g，铣刀损伤多尺度识别与实验验证。

2.根据权利要求1所述的一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法，其特征在于：所述步骤b中建立铣刀结构及其工作载荷特征模型为：

建立o-xyz铣刀坐标系，其中o为铣刀轴向最低刀齿的回转中心，x轴过o点和最低刀齿刀尖点S₁，y轴过o点且垂直于x轴，x轴、y轴和z轴满足右手笛卡尔坐标系，采用可转位面铣刀结构，此类铣刀由三类组件构成，包括刀体、刀片和紧固螺钉，在高效铣削工艺条件下，机床主轴转速和铣刀切削速度大幅度提高，铣刀及其组件所承受的力学载荷包括离心力、切削力以及紧固螺钉的预紧力，如下式：

F′＝T_t/(k_t·d) (5)

式中，F_e为离心力，单位为N，m为铣刀质量，单位为g，R为偏心距，单位为mm，n为主轴转速，单位为rpm，F_c(t)为刀齿所受瞬态切削力，单位为N，p为作用于刀片上的单位切削力，单位为MPa，t为刀齿切削时间，单位为s，a_p为切削深度，单位为mm，f_z为每齿进给量，单位为mm，

为瞬时接触角，单位为°，F'为螺钉预紧力，单位为N，T_t为螺钉拧紧力矩，单位为N·mm，k_t为预紧力距系数，d为螺钉公称直径，单位为mm。

3.根据权利要求2所述的一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法，其特征在于：所述步骤d中铣刀应力场分析及其局部损伤判别包括以下步骤：

步骤d1，建立铣刀有限元模型，获取铣刀刀体和刀齿变形场，提取刀体及紧固螺钉的应变分布，利用铣刀组件最大应变所在区域可初步确定分析铣刀损伤形成的位置，即铣刀组件易损部位；

步骤d2，选择刀体螺纹孔区域研究铣刀组件局部损伤的形成特征，提取其应力大小及作用方向，刀体螺纹孔所受应力远小于材料的屈服应力785MPa，螺纹孔应变最大位置区域以单方向拉应力为主，其他方向受力较小，同理可得紧固螺钉的应力属性，提取其最大应变区域的应力大小分布及方向，在齿顶两个方向上承受压应力；

步骤d3，由铣刀组件有限元分析获取最大应变位置的应变值及其对应的应力值，并借助强度判据识别铣刀组件在载荷作用下是否发生断裂和破坏，铣刀组件易损部位应力值小于其材料的屈服强度，且最大应变值小于其材料许用的最大应变值，说明铣刀不会发生断裂和破坏；

步骤d4，由有限元分析可知，铣刀组件易损点出现在铣刀组件的结合面上，包括刀体螺纹孔、刀体结合面和紧固螺钉螺纹表面，对铣削加工后的铣刀进行局部损伤识别，利用扫描电镜检测铣刀组件易损点，在铣刀刀体结合面发生位错损伤，在刀体螺纹孔发生宏观微裂纹损伤，在紧固螺钉螺纹表面发生宏观微裂纹损伤，通过有限元分析识别铣刀组件局部易损点，从而可以有效确定铣刀组件局部损伤检测的位置，提高利用扫描电镜检测铣刀组件损伤的效率。

4.根据权利要求3所述的一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法，其特征在于：所述步骤e中铣刀组件材料组织结构损伤识别包括以下步骤：

步骤e1，确定铣刀易损部位的应力大小和应力属性，并求解铣刀材料易损点满足位错增殖和位错移动条件的切应力大小及其作用方向，从而借助位错增殖和位错移动判据识别铣刀的宏观小尺度损伤，铣刀宏观损伤载荷特性识别与宏观小尺度损伤分析方法，将铣刀组件易损部位应力σ进行分解，分解成垂直于易损表面的压应力分量σ₀和平行于易损表面的切应力分量τ₀；

步骤e2，铣刀组件材料发生位错增殖，将导致铣刀组件内部不断产生新的位错环或大幅度增加位错线长度，导致位错损伤加剧，因此，构建铣刀组件材料位错增殖判据：

式中，α为铣刀组件材料位错增殖系数，τ_c为铣刀组件位错增殖的临界切应力，τ₀为铣刀组件易损部位提取的切应力，当求解的位错增殖系数大于1时，则意味着铣刀组件结合面发生位错增殖；

铣刀发生的位错带的宏观局部损伤，实际上是铣刀组件材料中位错在外力作用下运动的结果，因此，构建铣刀组件材料位错移动判据：

式中，β为铣刀组件材料位错移动系数，τ_c1为铣刀组件位错移动的临界切应力，当求解的位错移动系数大于1时，则意味着铣刀组件结合面发生位错移动；

步骤e3，当铣刀组件的外部载荷同时满足位错增殖和位错移动条件，则会发生位错塞积，从而形成位错带，位错塞积还会导致位错的前端产生很大的应力集中，这种应力集中达到一定程度时，将导致微裂纹形成，通过铣刀组件变形场，识别铣刀组件上满足位错增殖和位错滑移的应力点的数量，可以预测铣刀组件产生微裂纹及孔洞损伤的数量，通过识别铣刀组件上满足位错增殖和位错滑移的应力点的区域，则可预测铣刀组件上产生微孔洞的体积。

5.根据权利要求4所述的一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法，其特征在于：所述步骤f中铣刀组件介观损伤形成的识别包括以下步骤：

步骤f1，建立铣刀组件超晶胞模型，利用铣刀组件材料40Cr和35CrMo的各元素含量及其存在形式，建立铣刀刀体组件和螺钉组件的超晶胞模型；

步骤f2，建立铣刀组件宏观小尺度损伤的载荷跨尺度传递方法，建立铣刀组件介观尺度超晶胞的载荷边界条件；

步骤f3，运用LAMMPS软件进行分子动力学仿真，采用正则系综(NVT)、Nose-Hoover控温法和通用力场(UFF)，时间步长为1fs，仿真时间120ps，分析高速切削条件下铣刀组件超晶胞变化特性，并提取铣刀组件在不同应力、应变水平下的超晶胞介观损伤的特征参数，构建铣刀介观损伤形成识别判据：

N(t)>0 (13)

V(t)>0 (14)

△PE≥[PE] (15)

△E≥[E] (16)

式中，N(t)为价键断裂的原子数量，V(t)为晶胞内空位体积，ΔPE(t)为超晶胞势能增量，ΔE(t)为超晶胞弹性模量衰减量，[PE]为铣刀发生介观结构局部破坏所对应的超晶胞势能增量临界值，[E]为铣刀发生介观结构完整性破坏所对应的超晶胞弹性模量衰减量临界值，t为超晶胞运动时间；

当价键断裂的原子数量大于0时，则意味着铣刀产生原子价键断裂；当空位体积大于0时，则意味着铣刀形成原子空位损伤；当超晶胞势能增量超过其临界值[PE]时，则意味着铣刀形成超晶胞空隙损伤，造成铣刀超晶胞介观局部结构破坏；当超晶胞弹性模量衰减量超过其临界值[E]时，则意味着铣刀超晶胞形成介观结构完整性破坏。

6.根据权利要求1所述的一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法，其特征在于：所述步骤g中铣刀损伤多尺度识别与实验验证包括以下步骤：

步骤g1，进行铣刀损伤多尺度识别，明确铣刀损伤发生的尺度是宏观尺度还是介观尺度，从而通过相应的损伤判据识别铣刀在相应尺度下有无损伤产生以及损伤的种类及属性；依据工件加工特征，选择刀具的材料特征，结构特征及切削参数，并对铣刀进行有限元应力场分析，通过寻找铣刀组件上应变最大的点确定铣刀组件易损部位，并根据强度判据识别铣刀在该载荷下是否发生断裂和破坏，同时借助获得的铣刀组件易损部位的分析结果，采用扫描电镜对铣刀组件易损部位进行损伤检测，分析铣刀组件结合面是否发生局部损伤；

步骤g2，在铣刀有限元应力场中提取易损点的切应力，利用位错损伤判据识别铣刀组件材料内部是否发生位错增殖和位错移动，从而预测微裂纹及孔洞损伤的产生，然后检测并求解铣削加工前后铣刀不平衡量的变动量、刀齿径向尺寸变动量、刀齿轴向尺寸变动量及齿间夹角变动量，识别铣刀是否发生永久性变形损伤；

步骤g3，根据铣刀组件的材料特征建立和优化铣刀组件超晶胞模型，并采用密度及弹性常数验证超晶胞模型的有效性，通过铣刀组件跨尺度耦合模型，构建铣刀组件超晶胞的载荷边界条件，进行分子动力学仿真，根据超晶胞价键断裂数量，空位体积，势能和弹性模量识别铣刀组件超晶胞原子价键断裂、原子位错、超晶胞空位及空隙的介观损伤的形成。

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