一种基于表面微结构设计的超精密切削方法技术

本发明专利技术提供一种基于表面微结构设计的超精密切削方法，包括如下步骤：粗加工：利用机床去除工件上多余的材料，为半精加工准备工件的几何轮廓，并在工件待加工表面留下加工余量，加工余量的厚度为微米级；半精加工：在经过粗加工的工件待加工表面上，利用机床加工出若干个密集排布的缺陷结构，即几何尺寸为微米级或者纳米级的微小结构，各种微/纳结构的深度小于加工余量；精加工：利用机床去除在半精加工中加工出的微/纳结构和剩余的加工余量，且其切削深度等于粗加工中预留的加工余量的厚度，通过综合控制精加工工艺和半精加工工艺在工件待加工面获得所设计的微/纳结构，从而达到控制精加工中刀具所受到的切削力并减少切削过程中热量的产生，实现提高刀具寿命、并在难加工材料上获得纳米级表面粗糙度的超精密加工的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面微结构设计的超精密切削方法
本专利技术涉及切削加工
，尤其涉及一种基于表面微结构设计的超精密切削方法。
技术介绍
现有技术中的难加工材料中，钛合金是一种有前景的优质合金材料，因其强度高、密度低、耐腐蚀性好和弹性模量低等突出优点，特别是在高温条件下仍能保持较好地保持这些特性，所以现已被广泛应用在航天、航空以及医疗器械等领域。钛合金通常被认为是难以加工的材料，其原因有：(1)在加工钛合金时，在工件-刀具及刀具-切屑接触区域产生了大量的热，由于钛合金的导热系数低，导致了该区域形成难以消除的高温；(2)钛合金的化学活性高，在高温下又更加容易与刀具发生氧化反应，使得刀具磨损速率加大；(3)由于切削钛合金硬度大，钛合金切屑呈现锯齿状，导致切削过程中刀具受到的力的切削力大且呈周期性突变，这会加剧刀具磨损，也明显影响刀具的寿命。这些原因使得钛合金加工时效率低以及成本高。现有技术中针对难加工材料主要采用两种加工技术，其中一种为超声振动辅助切削，其工作原理为超声波发生器产生高频但低振幅的振动，然后通过换能器将高频电能转化为高频机械振动，再通过放大器将这种振动放大，且将刀具固定在放大器末端，从而实现超声波振动辅助切削功能产生波浪形(即微观不平度)的切削表面，然而在超声振动辅助切削技术中，刀具的运动是重复的，非线性的和具有脉冲式的负载，导致系统会有在几个不同振幅下工作的可能性，这会使得刀具的运动产生不稳定性，从而对加工和的工件表面粗糙度产生不利的影响。而且超声振动辅助切削方法加工钛合金需要将超声振动辅助装置安装在机床的刀架上，为了防止结构横向振动，偏离理想的线性切削路径，当退刀时产生碰撞到工件未加工的表面的可能性，从而产生冲击导致损坏周边的加工完的表面造成超乎预期的切削边缘以及切屑，因此一维振动辅助系统的弯曲刚度必须大。有一些研究人员还因此会在刀具运动方向的进给量上给刀具增加一定的角度，为了防止碰撞。超声振动辅助切削方法加工钛合金除了加工过程中刀具运动规律十分复杂以外，其超声波刀架的价格也不菲，以及其刀架在机床中的安装位置及方式也会对工件加工带来一定的限制和约束，给加工过程带来不便之处。另一种加工技术为表面织构化技术，即是在刀具表面加工出凹槽、凹坑、凸包、正方形、圆形和椭圆形等微结构，其原理是利用微结构具有减摩降磨、减振和抗粘结的特性，从而达到改善刀具与工件的接触面积、降低切削力和切削温度的目的。然而，现有的表面微结构加工技术包括：激光加工技术、电火花加工技术、光刻技术、刻蚀技术等。但是刀具多为金刚石制作而成，由于金刚石本身就属于难加工材料，因此要想在金刚石刀具表面加工出特定的微、纳结构，使其达到降低切削力、切削温度和改善刀具与工件接触面积的目的是非常困难的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于表面微结构设计的超精密切削方法，以解决现有技术中存在的问题，通过半精加工工艺在工件待加工面获得所设计的微/纳结构，达到降低精加工中刀具所受到的切削力并减少切削过程中热量的产生，从而提高刀具寿命，且在难加工材料上实现纳米级表面粗糙度的超精密加工。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：提供一种基于表面微结构设计的超精密切削方法，包括如下步骤：S1、粗加工：利用机床去除工件上多余的材料，为半精加工准备工件的几何轮廓，并在工件待加工表面留下加工余量，所述加工余量的厚度为微米级；S2、半精加工：在经过粗加工的工件待加工表面上，利用机床加工出若干个密集排布的缺陷结构，各所述缺陷结构的深度小于所述加工余量；S3、精加工：利用机床去除在半精加工中加工出的所述缺陷结构和剩余的所述加工余量，且其切削深度等于粗加工中预留的所述加工余量的厚度。优选的，在步骤S2中，各所述缺陷结构呈阵列状排布。优选的，各所述缺陷结构沿机床上刀具对工件的切削方向均布在工件待加工表面上，在切削时对工件的切削深度发生周期性的变化。优选的，在步骤S2中，各所述缺陷结构均为与所述加工余量结构相适配的微米级结构，在所述微米级机构的内壁上开设有若干个密集排布的纳米级结构缺陷。优选的，所述纳米级结构缺陷沿机床上刀具对工件的切削方向均布在所述微米级结构的内壁上。优选的，在步骤S2中，各所述缺陷结构均为与所述加工余量结构相适配的纳米级结构。优选的，各所述缺陷结构为沟槽型结构和/或凹坑结构。优选的，所述沟槽型结构为圆柱型或V型沟槽，所述凹坑结构为球形或椭球形凹坑。优选的，采用机床上刀具对工件进行刮削的方式加工出所述沟槽型结构，采用机床上刀具对工件进行慢刀伺服方式加工出所述凹坑结构。优选的，在步骤S3中，利用机床上的刀具，采用最小切削深度和最小进给量切除各所述缺陷结构和所述加工余量。本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：第一、在工件待加工表面上加工出若干个密集排布的缺陷结构，由于在切削过程中，切削力与切削深度紧密相关，在工件表面上加入缺陷结构，工件表面形成一定的微观不平度，切削时切削深度会发生交替改变，因此切削力也会随之发生交替变化；在切削厚度较小时，切削力也会比较小，在切削深度较大时，切削力也会比较大，因此在工件表面带有缺陷结构是会形成一定的微观不平度，这会使得刀具在切削过程中所受到的力交替缓缓变化，而并非一直处于高切削力的状态，这有助于减缓切削钛合金过程中刀具的磨损速度。第二、由于较硬的材料具有更高的比切削能，所以较硬的材料通常比较软的材料产生更高的加工温度。加工过程中产生高温是由于变形和摩擦造成的，并且类似钛合金材料导热系数低，不像铝等其他材料，切削过程中一部分热量传到工件材料上且一部分热量随切削飞出被带走，所以钛合金切削过程中产生的热都集中在刀具上，能帮助刀具散热就能减缓刀具的磨损速度。在工件待加工表面上加工出若干个密集排布的缺陷结构，切削深度交替变化，导致刀具与工件材料的接触面积也交替变化，刀具的一部分在切削过程中并非一直处于与工件接触的情况，在接触面积交替变化中，某段时间刀具与空气接触而没有与工件接触，这有助于在切削过程中刀具散热，减少热量聚集在刀具上，因此有助于减缓切削类似钛合金材料的过程中刀具的磨损速度。第三、由于工件表面微观不平度的存在，切削过程中切削深度一直在发生交替变化，在切削深度大的时候，由刀具运动所产生的材料残留高度会比较大，而在切削深度小的时候，由刀具运动所产生的材料残留高度会比较小。因此，在相同进给量的情况下，工件表面带有微观不平度会使由于刀具运动所留下的材料残留高度也会发生交替变化，有一部分会较低，所以工件表面带有缺陷结构的情况下加工，工件的表面粗糙度会比较小，使类似钛合金材料的工件能获得更好的表面质量。第四、在加工难加工材料时，利用工件上缺陷结构所形成的微观不平度代替超声振动辅助装置，可以使得刀具运动轨迹更加简单，从而减少加工时对工件表面粗糙度造成影响的可能性，进而无需安装超声振动辅助切削装置，降低了设备的成本，也避免了因其在机床中的安装位置及方式所给工件加工带来一定的限制和约束。第五、由于金刚石刀具本身就本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于表面微结构设计的超精密切削方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、粗加工：利用机床去除工件上多余的材料，为半精加工准备工件的几何轮廓，并在工件待加工表面留下加工余量，所述加工余量的厚度为微米级；/nS2、半精加工：在经过粗加工的工件待加工表面上，利用机床加工出若干个密集排布的缺陷结构，各所述缺陷结构的深度小于所述加工余量；/nS3、精加工：利用机床去除在半精加工中加工出的所述缺陷结构和剩余的所述加工余量，且其切削深度等于粗加工中预留的所述加工余量的厚度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于表面微结构设计的超精密切削方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、粗加工：利用机床去除工件上多余的材料，为半精加工准备工件的几何轮廓，并在工件待加工表面留下加工余量，所述加工余量的厚度为微米级；
S2、半精加工：在经过粗加工的工件待加工表面上，利用机床加工出若干个密集排布的缺陷结构，各所述缺陷结构的深度小于所述加工余量；
S3、精加工：利用机床去除在半精加工中加工出的所述缺陷结构和剩余的所述加工余量，且其切削深度等于粗加工中预留的所述加工余量的厚度。


2.根据权利要求1所述的基于表面微结构设计的切削方法，其特征在于，在步骤S2中，各所述缺陷结构呈阵列状排布。


3.根据权利要求1或2所述的基于表面微结构设计的切削方法，其特征在于，各所述缺陷结构沿机床上刀具对工件的切削方向均布在工件待加工表面上，在切削时对工件的切削深度发生周期性的变化。


4.根据权利要求1所述的基于表面微结构设计的切削方法，其特征在于，在步骤S2中，各所述缺陷结构均为与所述加工余量结构相适配的微米级结构，在所述微米级机构的内壁上开设有若干个密集排...

【专利技术属性】
技术研发人员：王素娟，陆镇鸿，孙占文，谢海振，唐文艳，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44