973项目申报书——2009CB724400-超高速加工及其装备的基础研究

项目名称：超高速加工及其装备的基础研究首席科学家：卢秉恒西安交通大学

起止年限：2009.1至2013.8

依托部门：教育部

一、研究内容

超高速加工已经成为先进制造技术竞争的一个制高点。超高速加工中，工件与刀具相互高速撞击，力的瞬态作用使剪切局限在一个微区域，能量在此微区的耗散使材料局部高温，可能达到熔化或接近熔化的状态。正反馈效应使局部绝热剪切作用愈加增强。切削速度越高，这种绝热剪切作用也越强，接近音速的超高速切削走向极端条件，带来了诸多新机理研究和对传统切削机理的突破性挑战。

机床工作在数万转/分转速下承受冲击载荷，依然达到μ级的工作精度，要求实现机床主轴系统旋转的高精度高稳定性控制以及整机动静热特性的精确设计。冲击载荷下，主轴的高刚度、高精度要求轴承工作间隙很小，在微间隙中轴承润滑介质受到强剪切与挤压，同样达到了一种极端的工况。机械装备大多工作在力热耦合状态下，现代CAE技术对连续的机械结构的特性预测已达到很高的精度。分析的困难发生在结构界面造成的不连续性。因此，无论整机的结构设计，还是高速切削中，刀具与工件材料的强烈摩擦，以及高速轴承支承的工作表面与润滑介质的相互作用都存在界面强耦合作用问题。

本项目探索在多场耦合强作用条件下的材料剧变和去除的科学实质，阐明超高速加工工具的失效机理；揭示微约束空间、强剪切润滑介质支承系统的热、动力学行为规律，发现冲击载荷下，保证超高速主轴系统运行稳定性的条件；建立超高速机床结构界面的物理表征方法，实现高速机床整机系统耦合的精确建模与设计。项目将形成我国自主的高速加工机床核心部件创新技术，建立高速加工技术及机床装备和工具设计制造的理论，实现加工速度向超高速阶段的跨越。

为此，本项目围绕下列三个重要科学问题开展研究工作：

科学问题一：超高速加工多场强作用下的材料激变行为及其去除机理Salomon高速切削（high speed machining, HSM 或high speed cutting, HSC）的理念提出以来，超越“热沟”、切削力和切削热同时下降的假设始终未得到验证。超高速加工过程中，被切材料与刀具以接近声速进行瞬间碰撞，材料的高速激烈应变和切屑的瞬间形成，工件材料的应变达到1-10，应变速率达到105－107/s，甚至更高，工件材料发生剧变，工件材料发生超强应变过程及工具－切屑－工件之间剧烈的摩擦学行为将导致在局部区域产生高温，工件材料接近或达到熔化状态，形成绝热剪切。在这些极端工作状态下，工件材料被软化剥离去除而形成高精度、高光洁表面。工件材料有时发生塑脆或脆塑转变，传统金属切削加工的剪切滑移理论已很难适用超高速切削的研究。揭示超高速切削的机理，探明其科学实质，不仅是对传统切削理论的突破，同时可实现切削速度的跨越，从而获得更高的制造效率和更高的加工质量，降低能耗，并为解决高速加工工具的设计、使用以及最佳工艺选择提供理论依据。

主要研究内容如下：

1）多场耦合强作用下超高速加工的切削学行为

建立超高速切削的实验平台，捕捉切削的瞬态过程，通过对超高速切削过程的实验分析，研究切屑形成的机理，探索所发生的力学、物理与化学行为的本质，揭示多场强作用超高速切削过程的科学实质，形成对超高速切削加工的切削学行为认识的突破，重点研究：

●超高速切削加工过程多场强作用的形成机制

●工件材料高应力、高应变、高应变率和高温动态行为变化规律

●多场强作用超高速加工过程的材料去除机理

●多场强作用超高速切削加工表面层材料学行为及其演变

●超高速切削摩擦学行为的非线性特征及其控制

2）超高速切削刀具的跨尺度设计理论

超高速切削过程中，刀具在热－力－化学等强场作用下是如何损伤失效的？刀具材料的宏观性能与微观结构是如何跨尺度关联的？如何设计可靠长寿命工作的超高速刀具材料与刀具结构？如何根据工件材料及切削条件合理选择刀具材料？通过研究高性能梯度功能陶瓷刀具材料、纳米复合陶瓷刀具材料、金属陶瓷刀具材料及其强韧化机理，自润滑刀具、新型涂层刀具及其润滑、减摩机理，揭示在超高速切削条件下，刀具材料微观结构与宏观性能的跨尺度关联关系，探索刀具材料失效机理与刀具可靠性，提供高可靠性和长寿命的超高速切削刀具设计原理及创新设计，重点研究：

●超高速切削刀具材料微观结构与宏观性能关系

●超高速刀具材料损伤行为演变过程和失效机理

●超高速刀具材料和工件材料性能的匹配性

●基于多场强作用和切削可靠性的刀具材料设计理论

●超高速多齿回转刀具的切削均匀性和可靠性

3）超高速磨削机理与磨粒有序排布砂轮

超高速磨削中，工件材料与负前角的磨粒之间剧烈摩擦，瞬间产生大量热，来不及扩散的磨削热局限在一个微区内，对工件表面的局部加热，可能造成材料去除抗力及磨削热的同时降低。通过单磨粒及砂轮磨粒仿真分析、统计分析与实验，揭示磨削热的产生、耗散规律，揭示磨削应力及磨削热的空间分布特征；研究磨削力（或磨削力比）、磨削比能和材料的临界成屑厚度之间的关系，揭示力、热耦合对材料去除的影响机理，阐明超高速磨削的“热沟”机理；研究磨削热对工件及砂轮的效应，从而获取充分降低切削抗力的工艺参数，恰当利用磨削热对工件实施空冷淬火，指导砂轮的安全设计，重点研究：

●超高速磨削的材料激变行为及去除机理

●超高速磨削热生成及磨削弧区的强化传热

●脆硬材料的脆/延性演变机制

●有序排布砂轮设计及其高效磨削机理

●超高速磨削表面损伤及表面完整性控制

科学问题二：微约束空间、强剪切润滑介质支承系统的热、动力学行为高速旋转系统的稳定性是旋转装备的共性问题，对高速机床来说，是其核心技术。超高速机床主轴工作过程中的快速启、停要求，使高速旋转的主轴必须尽量减小惯量，呈现出柔性轴特征，给实现精准的主轴动平衡提出了在线的要求。动静压复合轴承可以提供高刚度、长寿命的有发展前景的新型支承结构，而其高精度、高刚度要求及冲击切削力的激振，使润滑轴承的间隙设计尽量小，介质处于微间隙、高剪切应力之中，其发热及动态行为显著地影响着主轴系统的稳定运行。在超高速旋转强剪切与微间隙高压力工况下，润滑介质的状态异常复杂，现