loading二、预期目标
总体目标：
围绕超高速切削工具和装备的核心技术，探索超高速加工多场强作用下的材料激变与去除机理，揭示超高速切削的科学本质；研究在热力耦合强作用下工具与工件、机械结合面、轴承构件与润滑介质之间的界面互相作用的科学问题，发展高速工具新材料和设计理论、新型主轴高速轴承、高速柔性主轴在线动平衡理论与技术等，获得高速机床集成技术和自主设计能力。
通过对高速主轴系统和考虑机械结合面精确模型的整机设计理论两个方面的突破，大幅提升高速装备设计制造的技术水平，从而提高我国制造业生产效率及装备制造能力。培养一批创新精神强的高速加工装备制造科技骨干力量，并与企业共同建我国高性能机床的研究基地。 五年预期目标：
深入研究多场、强作用下的材料激变行为，揭示高速加工的材料去除机理；研究微约束空间、强剪切润滑介质支承系统的热、动力学行为，发明新型超高速轴承和主轴动平衡技术；研究机械结构界面的数学描述及系统耦合特征，建立超高速切削机床的集成技术验证平台。 1、理论层面
? 揭示多场耦合强作用下超高速加工过程的科学实质，突破目前对超高速加
工切削学行为认识的局限，建立切削方程，揭示高速刀具材料的失效机理；揭示高速磨削热的产生、耗散规律与砂轮的失效规律。 ? 创建微空间、高剪切率下，低粘度混合介质润滑的稳定支承理论和高速柔
性主轴的在线动平衡理论； ? 系统建立超高速加工装备结合界面的动静热等物理特性的表征方法；奠定
超高速加工装备整机设计基础。 2、技术层面
? 铝等轻合金切削速度达8000m－10000m/min；钛合金150－300米/分 ? 2－3种超高速加工的长寿命刀具材料； ? 用于高速磨削的有序排布砂轮设计技术；
? 新型超高速动静压滑动轴承（可用于铣床、10000小时以上寿命、5万rpm）
及其设计方法； ? 超高速主轴系统在线动平衡的MEMS监测和全息谱分析技术； ? 可用于机械装备创新设计的结合面通用性解析方法； ? 设计制造一台高速加工装备作为验证平台；
? 提出一套超高速机床整机设计方法。
拟在国内外重要刊物上发表论文260篇以上（其中SCI/EI论文130篇以上），撰写专著3部以上，申请专利30项左右。组成一支富有拼搏精神、创新能力强的研究队伍，培养博士后、博士和硕士100名左右。
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三、研究方案
1. 总体思路：
如图1所示，本项目以解决超高速加工及其装备的基础科学问题和拥有若干具有自主知识产权的关键核心技术为目标，重点围绕三个主要科学问题开展多学科交叉基础研究，在超高速加工的共性基础研究取得突破的基础上，提出超高速加工核心技术问题的解决方法，形成若干我国自主知识产权的原创性成果。
研究 ? 多场耦合强作用下超高速加工的切削学行为 ? 超高速切削刀具的跨尺度设计理论 ? ? 超高速轴承微约束空间、强剪切润滑介质的热、动力学耦合行为 超高速柔性主轴系统高精度动平衡的数学力学原理 ? ? 多场强作用下结合面的物理表征 超高速加工机床整机集成及验证平台的构建 科学问题 超高速加工多场强作用下的材料激变行为及去除机理 微约束空间、强剪切润滑介质支承系统的热、动力学行为 机械结构界面的物理表征及系统耦合 内容 ? 超高速磨削机理与磨粒有序排布砂轮 技术
建立高速加工工具设计、工艺选择的理论基础，提出性能稳定的高速加工装备的设计制造方法；实现整机与加工技术验证平台。 集成 图1 总体学术研究思路
2.技术路线
在本项目研究中，拟通过如下几方面的思路和手段，实现研究目标： 1. 构建采用新技术、新原理和新思路的高速加工实验方法和测试平台，实
现对高速加工过程和高速相对运动部件及其关联机械系统的信息采集 2. 通过基础实验和切削实验研究，发现高速加工过程中的物理与化学特征。
着重从相关的力学基本概念出发，通过适当的数学描述，建立多场强作用下的高速加工过程及其关联系统的数学、力学模型。 3. 开发及利用专业的分析软件，实现对高速加工过程的仿真与分析。 4. 系统深入地开展理论与实验的比较研究，采取正问题和反问题结合的方
法，揭示超高速加工过程的动态演变规律及加工装备的服役特性，进而
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提出超高速加工的新原理新方法，建立超高速加工装备的设计、制造以及应用的理论体系。
具体技术路线如下：
1）超高速加工的切削学行为研究路线 （1）超高速切削过程的基础性实验
首先建立超高速切削过程的模拟平台，通过超高速弹射击模拟实验，观测高速断裂过程材料损伤裂纹发展机理，建立其物理模型，再与机床上进行的超高速切削实验比对，形成对超高速加工机理的认识，逐步揭示瞬态、强冲击、绝热剪切的材料去除过程的科学本质。
超高速切削过程的模拟平台拟采用冲击速度可达25-35m/s Hopkinson压杆技术实现切削冲击过程。如果基于轻气炮平板撞击技术可以获得102 m/s量级更高的冲击速度。采用切刀静止方案则可以方便地进行其温度和冲击力的测定。 高速切削过程的动态应力与变形测试系统由应变片或MEMS压力传感器、动态应变仪和示波器组成。通过测试不动切刀上几个特定点的压力和变形，利用深梁原理确定切刀与工件间的冲击力；也可模拟工件静止不动情形，直接测试其上个别特定点的应变和冲击面上的冲击压力。利用动力学原理推算切削力；同样，对于工件与子弹为一体的情形，可以通过测试冲击速度和切削过程中切刀的速度－时间变化规律确定切削力。瞬态温度测试系统用于测定切削工程中切刀和工件的瞬态温度场。有热电耦技术、红外辐射技术和增强式CCD相机等方法。基于高速冲击切削温度瞬变的特点，本研究拟采用热电偶测温和新型红外传感探头测温技术。红外测温系统由红外探头、信号放大器和记录仪组成。该方法可以实现被测物体表面单点和多点的温度测定，最快响应时间为微秒量级，适合高速切削。实验研究的环境温度可从常温到材料熔点的大跨度变化，适应对切削过程中材料剥离机理的探索，为研究切削过程中材料剥离和切削机理奠定科学基础。
模拟实验平台可以控制冲击的能量，进行损伤冻结实验。通过损伤冻结实验，观测高速断裂过程材料损伤裂纹发展的不同阶段，研究高速断裂过程材料损伤裂纹发展的历程和机理，深入研究切屑形成演变的过程及其形态转变的物理机制；系统深入探索工件材料绝热剪切敏感性及其对切屑形成演变的影响规律。逐步建立其物理模型，再与高速切削机床的切削实验比对，形成超高速加工机理的认识，逐步揭示瞬态、强冲击、绝热剪切的材料去除过程的科学本质。
（2）超高速切削实验及其行为规律的描述
在开展上述高速冲击实验基础上，进一步开展高速切削行为的实验研究，以直接获取工件材料动态剪切应力与应变、温度等关系。实验材料以航空航天工业应用广泛的铝合金、钛合金等为主。切削实验在50000rpm的超高速铣床上进行。切削力的测量可采用压电晶体传感器，有足够的响应频率。温度的测量可以采用MEMS温度传感器，其热容量极小，可以反映温度的瞬态变化。温度场尤其切屑内的绝热剪切带的温度是难以获得的，拟以对切屑截面进行电镜观测，由晶格的变形观察到绝热剪切带的存在与走势，再与仿真分析相结合。
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在充分获取高速切削过程的基本数据基础上，以切削理论、材料学、力学为指导，结合超高速实验发现的科学规律，研究超高速材料去除的多场强作用形成的科学机制，探索超高速切削过程所发生的力学、物理与化学行为的本质：建立超高速切削过程切削方程、能量守恒方程，发现并阐释超高速加工过程的切削变形机理；建立高速切削加工过程刀-屑，刀-工摩擦系统的热物理方程，对超高速切削过程的摩擦学行为及其效应进行热力学分析；建立超高速切削过程参数（切削力、切削热、切削功率、刀具寿命等）预报方程，为超高速切削装备及工具提供设计基础，为制订超高速切削加工工艺提供理论依据；建立切削条件和表面变质层行为的关系描述模型，为提高超高速加工工件的表面质量和使役寿命提供理论基础。
在超高速切削实验研究和理论探索的基础上，开发超高速切削加工的数字模拟仿真系统，模拟超高速切削加工过程的切屑形成和预测超高速切削加工变形参数（应变、应变率、变形系数等）、过程参数（切削力、切削功率、温度场、速度场等）、表面变质层残余应力等。
在以上切削实验及模拟实验研究、理论探索和数字模拟仿真分析的基础上，以求建立起超高速加工切削学研究体系，并用于指导切削加工的工程实践。
(3）超高速切削刀具的跨尺度设计方法
在上述对超高速加工切削学研究基础上，拟从宏观与微观两方面开展超高速切削刀具的材料与结构设计。在研究方法上，首先采用逆工程方法，即收集分析已破损刀具的损伤形态，以微观力学（代表体积单元(RVE)方法、平均场理论）、显微结构物理学与宏观连续介质力学相结合，实现刀具材料微观结构与宏观性能的关联；采用“统计损伤力学”方法，研究刀具材料由微观损伤到宏观失效的演变规律，揭示刀具的磨损、脆性断裂、塑性变形破坏等各种失效机制；采用最小耗能/最小熵原理，确定刀具宏观失效的“临界阈值”，从而建立超高速切削刀具寿命及可靠性预报模型；研究过程中，采用SEM、TEM实验设备的微观结构观测与分析方法，实现刀具材料微观结构、物理性能的解析；通过实验分析与比较，以长寿命和高可靠性为目标，优化设计刀具材料的成份配比，优化刀具材料的颗粒分散、烧结制造工艺，实现超高速切削刀具的跨尺度设计。通过建立多齿回转刀具结构参数、刀刃几何参数与切削均匀性及可靠性的关系模型，实现超高速切削多齿回转刀具结构设计。
(4）超高速磨削理论与技术的实现途径
● 超高速磨削理论基础实验
在超高速磨削研究中，首先以单颗粒磨粒进行磨削仿真实验观测，测量其力、热及能量转换规律，从而为超高速加工砂轮的结构创新与应用提供理论依据。采用单磨粒研究的优点是其观测的方便性。实验研究的重点在确立关于单颗磨粒的切削力、比能和临界成屑厚度三个重要特征参数随砂轮线速度提高而呈规律下降特性的基础实验数据以及不同难加工材料相应的对比数据。通过研究磨削过程中的变形与摩擦问题、力、温度、热力耦合关系、砂轮磨损等规律，突破难加工材料超高速加工技术瓶颈，解决超高速磨削加工基础理论问题。
● 磨粒有序排布及强化换热砂轮的的研究
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