[發(fā)明專利]一種基于表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的超精密切削方法

有效

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• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113070532B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王素娟;陸鎮(zhèn)鴻;孫占文;謝海振;唐文艷
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B23D79/02
• 分類號: B23D79/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 王富強(qiáng)

本發(fā)明提供一種基于表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的超精密切削方法，包括如下步驟：粗加工：利用機(jī)床去除工件上多余的材料，為半精加工準(zhǔn)備工件的幾何輪廓，并在工件待加工表面留下加工余量，加工余量的厚度為微米級；半精加工：在經(jīng)過粗加工的工件待加工表面上，利用機(jī)床加工出若干個(gè)密集排布的缺陷結(jié)構(gòu)，即幾何尺寸為微米級或者納米級的微小結(jié)構(gòu)，各種微/納結(jié)構(gòu)的深度小于加工余量；精加工：利用機(jī)床去除在半精加工中加工出的微/納結(jié)構(gòu)和剩余的加工余量，且其切削深度等于粗加工中預(yù)留的加工余量的厚度，通過綜合控制精加工工藝和半精加工工藝在工件待加工面獲得所設(shè)計(jì)的微/納結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到控制精加工中刀具所受到的切削力并減少切削過程中熱量的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)提高刀具壽命、并在難加工材料上獲得納米級表面粗糙度的超精密加工的目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及切削加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的超精密切削方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)中的難加工材料中，鈦合金是一種有前景的優(yōu)質(zhì)合金材料，因其強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕性好和彈性模量低等突出優(yōu)點(diǎn)，特別是在高溫條件下仍能保持較好地保持這些特性，所以現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在航天、航空以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。鈦合金通常被認(rèn)為是難以加工的材料，其原因有：(1)在加工鈦合金時(shí)，在工件-刀具及刀具-切屑接觸區(qū)域產(chǎn)生了大量的熱，由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)致了該區(qū)域形成難以消除的高溫；(2)鈦合金的化學(xué)活性高，在高溫下又更加容易與刀具發(fā)生氧化反應(yīng)，使得刀具磨損速率加大；(3)由于切削鈦合金硬度大，鈦合金切屑呈現(xiàn)鋸齒狀，導(dǎo)致切削過程中刀具受到的力的切削力大且呈周期性突變，這會(huì)加劇刀具磨損，也明顯影響刀具的壽命。這些原因使得鈦合金加工時(shí)效率低以及成本高。

現(xiàn)有技術(shù)中針對難加工材料主要采用兩種加工技術(shù)，其中一種為超聲振動(dòng)輔助切削，其工作原理為超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻但低振幅的振動(dòng)，然后通過換能器將高頻電能轉(zhuǎn)化為高頻機(jī)械振動(dòng)，再通過放大器將這種振動(dòng)放大，且將刀具固定在放大器末端，從而實(shí)現(xiàn)超聲波振動(dòng)輔助切削功能產(chǎn)生波浪形(即微觀不平度)的切削表面，然而在超聲振動(dòng)輔助切削技術(shù)中，刀具的運(yùn)動(dòng)是重復(fù)的，非線性的和具有脈沖式的負(fù)載，導(dǎo)致系統(tǒng)會(huì)有在幾個(gè)不同振幅下工作的可能性，這會(huì)使得刀具的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不穩(wěn)定性，從而對加工和的工件表面粗糙度產(chǎn)生不利的影響。而且超聲振動(dòng)輔助切削方法加工鈦合金需要將超聲振動(dòng)輔助裝置安裝在機(jī)床的刀架上，為了防止結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)，偏離理想的線性切削路徑，當(dāng)退刀時(shí)產(chǎn)生碰撞到工件未加工的表面的可能性，從而產(chǎn)生沖擊導(dǎo)致?lián)p壞周邊的加工完的表面造成超乎預(yù)期的切削邊緣以及切屑，因此一維振動(dòng)輔助系統(tǒng)的彎曲剛度必須大。有一些研究人員還因此會(huì)在刀具運(yùn)動(dòng)方向的進(jìn)給量上給刀具增加一定的角度，為了防止碰撞。超聲振動(dòng)輔助切削方法加工鈦合金除了加工過程中刀具運(yùn)動(dòng)規(guī)律十分復(fù)雜以外，其超聲波刀架的價(jià)格也不菲，以及其刀架在機(jī)床中的安裝位置及方式也會(huì)對工件加工帶來一定的限制和約束，給加工過程帶來不便之處。

另一種加工技術(shù)為表面織構(gòu)化技術(shù)，即是在刀具表面加工出凹槽、凹坑、凸包、正方形、圓形和橢圓形等微結(jié)構(gòu)，其原理是利用微結(jié)構(gòu)具有減摩降磨、減振和抗粘結(jié)的特性，從而達(dá)到改善刀具與工件的接觸面積、降低切削力和切削溫度的目的。然而，現(xiàn)有的表面微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)包括：激光加工技術(shù)、電火花加工技術(shù)、光刻技術(shù)、刻蝕技術(shù)等。但是刀具多為金剛石制作而成，由于金剛石本身就屬于難加工材料，因此要想在金剛石刀具表面加工出特定的微、納結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到降低切削力、切削溫度和改善刀具與工件接觸面積的目的是非常困難的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的超精密切削方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，通過半精加工工藝在工件待加工面獲得所設(shè)計(jì)的微/納結(jié)構(gòu)，達(dá)到降低精加工中刀具所受到的切削力并減少切削過程中熱量的產(chǎn)生，從而提高刀具壽命，且在難加工材料上實(shí)現(xiàn)納米級表面粗糙度的超精密加工。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：提供一種基于表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的超精密切削方法，包括如下步驟：

S1、粗加工：利用機(jī)床去除工件上多余的材料，為半精加工準(zhǔn)備工件的幾何輪廓，并在工件待加工表面留下加工余量，所述加工余量的厚度為微米級；