振动作用下高效铣刀摩擦热力学行为
演变特性及其磨损预测
摘要
高效铣刀凭借优异的切削性能在制造业中被大量使用。但是由于铣削振动
导致刀工摩擦界面上的摩擦应力与摩擦速度时刻变化，从而进一步影响刀工摩
擦界面的热力学行为。在振动及多因素综合作用下，刀工摩擦系统的热力学行
为复杂多变，导致铣削过程中铣刀后刀面磨损量很难预测。因此分析铣削过程
中热力学行为随着铣削时间的演变特性，并基于热力学熵产生构建磨损预测模
型，对精确预测刀齿磨损和提高刀工摩擦界面系统的稳定性具有重要意义。
本文在国家自然科学基金青年基金项目“高效铣刀摩擦磨损非平衡态跃迁
及其热力学递推演变机理）”的支持下，旨在从热力学的角度揭示整
个铣削过程中刀工摩擦界面的稳定性的状态，以铣削加工实验及热力耦合仿真
为基础，对振动作用下高效铣刀刀齿后刀面摩擦热力学行为的演变规律及其磨
损预测进行研究。
本文首先通过构建振动作用下的瞬时切削行为模型；以此为基础构建了高
效铣刀刀齿后刀面与加工过渡表面的瞬时接触摩擦模型，并借助仿真所得数据
对后刀面特征点的摩擦应力和摩擦速度进行解算。利用刀工界面的原子能量转
换关系构建了摩擦系数的数学模型，并得到了铣削过程中特征点的摩擦系数随
着后刀面温度的变化特性。
分解铣刀刀齿后刀面的摩擦热力学体系结构，确定对由摩擦力引起的熵产
生和一维热传导引起的熵产生这两个热力学子过程进行分析，并依据熵平衡方
程对摩擦力引起的熵产生进行构建；通过分析刀齿与工件材料的热物性参数随
后刀面温度的演变特性并基于一维传热理论对热传导引起的熵产生和熵流模型
进行构建。
依据构建的熵值模型解算，并分析整个铣削过程中热力学熵产生和熵流随
着铣削时间的演变特性，同时以热传导为例分析了后刀面温度与摩擦速度之间
热传导熵产生数值的影响。再对摩擦热力学两子过程特征变量的识别，利用耦
合协调度模型计算两子过程演变过程中的耦合度，从而对热力学熵值的演变规
-I-
律进一步进行阐述。
基于热力学熵产生的数值，并将其作为其中一个输入变量，对后刀面的磨
损深度进行预测。通过实验将所获得的刀齿后刀面切削刃轮廓与仿真所获得的
切削刃轮廓进行对比，对基于多层感知器的神经网络预测累计磨损深度的有效
性进行间接验证。
关键词铣削振动；摩擦热力学；熵产生；演变特性；磨损预测
-II-
EvolutionaryCharacteristicsofFrictional
ThermodynamicBehavioranditsWearPredictionof
High-efficiencyMillingCuttersunderVibration
Abstract
Highefficiencymillingcuttersarewidelyusedinthemanufacturingindustry
duetotheirexcellentcuttingperformance.However,duetothemillingvibration,the
frictionstressandfrictionvelocityonthetool-workfrictioninterfacechangeallthe
time,whichfurtheraffectsthethermodynamicbehaviorofthetool-workfriction
interface.Un