CN109732398A - 一种超精密切削优化控制方法及系统 - Google Patents

一种超精密切削优化控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超精密切削优化控制方法及系统。所述优化控制方法基于Al‑Mg‑Si系铝合金的热效益特性，首先确定加工材料的析出相的种类，并建立每种析出相的LSW模型；然后，根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围，得到综合温度范围；根据所述LSW模型建立切削参数与切削温度的关系模型；最后根据所述综合温度范围和所述关系模型，优化所述切削参数，使所述切削温度在所述综合温度范围之外，以抑制析出相的生成。本发明解决了超精密加工过程中，切削热引致加工材料析出相的生成，由于析出相硬度高于加工材料本身，在加工表面留下划痕，影响加工表面的完整性并造成加工表面质量下降的问题。

Description

一种超精密切削优化控制方法及系统
技术领域
本发明涉及超精密切削加工领域，特别涉及一种超精密切削优化控制方法及系统。
背景技术
超精密加工的切削量在微米级别，所生成的表面粗糙度为纳米级别，切屑体积的降低和工件表面塑性变形使得超精密加工中热量的传播比例与传统加工完全不同，其最高温度位于剪切面。同时，金刚石刀具的前角和刀尖形状对加工中的热效应有很大的影响。如图1所示，切削过程中工件温度的上升是由于第II和第III变形区产生的热量，而这两个变形区主要产生机械和热载荷传导热量到已加工表面。即，超精密加工过程中主要的热量传导在被加工表面上，且刀尖为金刚石(硬度极高)，因此，超精密金刚石切削加工过程中，热量的产生将引起工件表面温度上升。有研究结果显示，超精密加工中切削温度高达250℃到400℃。因此，对于Al-Mg-Si系铝合金来说，切削过程中产生的热量将会引起其析出相的析出。
以Al-Mg-Si系铝合金的Al6061为例，其铸态合金中存在大量枝晶偏析，析出相主要有黑色的Mg2Si、白色的β-Al5FeSi、β-Al5(FeMn)Si及少量的α-Al12(FeMn)3Si2等。这些析出相的硬度高于铝合金本身，因此，在超精密加工过程中，随着金刚石刀具与工件的相对运动，析出相会在被加工表面留下划痕，如图2所示，从而降低其表面完整性并提高其表面粗糙度。
发明内容
本发明的目的是提供一种超精密切削优化控制方法及系统，以避免Al-Mg-Si系铝合金超精密加工过程中产生的强化相在加工表面留下划痕，提高加工表面的完整性，降低加工表面粗糙度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种超精密切削优化控制方法，所述优化控制方法包括如下步骤：
确定加工材料的析出相的种类，建立每种析出相的LSW(Lifshitz-Slyozov-Wagner)模型，所述LSW模型表示析出相的尺寸、加热温度和加热时间之间的关系；
根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围，得到综合温度范围；
根据所述LSW模型建立切削参数与切削温度的关系模型；
根据所述综合温度范围和所述关系模型，优化所述切削参数，使所述切削温度在所述综合温度范围之外，以抑制析出相的生成。
可选的，所述确定加工材料的析出相的种类，建立每种析出相的LSW模型，所述LSW模型表示析出相的尺寸、加热温度和加热时间之间的关系，具体包括：
对所述加工材料进行加热处理，在不同的加热温度下，采用扫描电镜和能谱仪获取析出相的种类；
对于每种析出相采用扫描电镜和能谱仪获取不同的加热温度和不同加热时间对应的析出相的尺寸，建立每种析出相的LSW模型。
可选的，所述根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围，得到综合温度范围，具体包括：
根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围；所述析出相对应的温度范围为所述析出相的尺寸大于预设阈值的温度范围；
将每种析出相对应的温度范围合并，得到综合温度范围。
可选的，所述根据所述LSW模型建立切削参数与切削温度的关系模型，具体包括：
建立切削时间预测模型；
根据所述切削时间预测模型，确定不同切削参数对应的切削时间；
采用能谱仪获取不同切削参数对应的强化相尺寸；
根据所述切削参数、所述切削参数对应的强化相尺寸和所述切削参数对应的切削时间，建立加工材料的强化相的尺寸与切削参数、切削时间的关系图；
根据所述LSW模型和所述关系图建立切削参数与切削温度的关系模型。
可选的，所述切削时间预测模型为：
其中，L为刀具回转半径，f为进给速度，S为主轴转速，aep为切削深度。
可选的，所述LSW模型为：
其中，R为强化相半径，R0为强化相初始半径，C为第一常数，K为加热时间系数，T为加热温度，t为加热时间，γ为强化相的界面能，Vat为原子的平均体积，Ceq为强化相的均质浓度，D为强化相的扩散系数，D＝D0exp(-Q/kB/T)，Q为激励能量，kB为第二常数，D0为强化相的初始扩散系数。
一种超精密切削优化控制系统，所述优化控制系统包括：
LSW模型建立模块，用于确定加工材料的析出相的种类，建立每种析出相的LSW模型，所述LSW模型表示析出相的尺寸、加热温度和加热时间之间的关系；
综合温度范围确定模块，用于根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围，得到综合温度范围；
关系模型建立模块，用于根据所述LSW模型建立切削参数与切削温度的关系模型；
切削参数优化模块，用于根据所述综合温度范围和所述关系模型，优化所述切削参数，使所述切削温度在所述综合温度范围之外，以抑制析出相的生成。
可选的，所述LSW模型建立模块，具体包括：
析出相的种类确定子模块，用于对所述加工材料进行加热处理，在不同的加热温度下，采用扫描电镜和能谱仪获取析出相的种类；
LSW模型建立子模块，用于对于每种析出相采用扫描电镜和能谱仪获取不同的加热温度和不同加热时间对应的析出相的尺寸，建立每种析出相的LSW模型。
可选的，所述综合温度范围确定模块，具体包括：
温度范围确定子模块，用于根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围；所述析出相对应的温度范围为所述析出相的尺寸大于预设阈值的温度范围；
综合温度范围确定子模块，用于将每种析出相对应的温度范围合并，得到综合温度范围。
可选的，所述关系模型建立模块，具体包括：
切削时间预测模型建立子模块，用于建立切削时间预测模型；
切削时间预测子模块，用于根据所述切削时间预测模型，确定不同切削参数对应的切削时间；
强化相的尺寸获取子模块，用于采用能谱仪获取不同切削参数对应的强化相尺寸；
关系图建立子模块，用于根据所述切削参数、所述切削参数对应的强化相尺寸和所述切削参数对应的切削时间，建立加工材料的强化相的尺寸与切削参数、切削时间的关系图；
关系模型建立子模块，用于根据所述LSW模型和所述关系图建立切削参数与切削温度的关系模型。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种超精密切削优化控制方法及系统。所述优化控制方法基于Al-Mg-Si系铝合金的热效益特性，首先确定加工材料的析出相的种类，并建立每种析出相的LSW模型；然后，根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围，得到综合温度范围；根据所述LSW模型建立切削参数与切削温度的关系模型；最后根据所述综合温度范围和所述关系模型，优化所述切削参数，使所述切削温度在所述综合温度范围之外，以抑制析出相的生成。本发明解决了超精密加工过程中，切削热引致加工材料析出相的生成，由于析出相硬度高于加工材料本身，在加工表面留下划痕，影响加工表面的完整性并造成加工表面质量下降的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1超精密切削过程中切削热产生区域分析图；
图2为超精密加工件表面的划痕示意图；
图3为本发明提供的一种超精密切削优化控制方法的流程图；
图4为本发明提供的一种超精密切削优化控制方法的优选的实施方式的流程图；
图5为本发明提供的切削材料为铝6061时，加工件表面的黑色析出相示意图；
图6为本发明提供的切削材料为铝6061时，加工件表面的白色析出相示意图；
图7为本发明提供的一种超精密切削优化控制系统的结构组成示意图。
具体实施方式
Al-Mg-Si系铝合金属于可热处理强化型铝合金，包括Al6061，Al6063等。其中，Al6061弹性模量大约为69.7GPa，拉伸弹性模量大约为68.3GPa，是目前广泛应用于航空、航天、汽车等领域的一种轻型材料。这种合金具有良好的综合力学性能，具有较好的加工性能，可进行大的塑性变形，抗蚀性较强。该合金经时效处理后，强度可以得到大幅提高。由于Al6061具有良好的综合力学性能和良好的加工性，而常被作为超精密加工材料进行超精密加工研究。
在实际的超精密切削过程中，金刚石刀具与工件相接触，依照设置的加工参数(切削深度、进给速度)去除材料，消耗的功率转化为热能，切削所产生的热量通过刀具、刀屑和工件材料传递。超精密切削过程中，工件温度的上升是由于第II和第III变形区产生的热量，而这两个变形区主要产生机械和热载荷，这些热量都与加工参数相关，因此，控制加工参数可改变切削过程中的切削热，从而控制Al-Mg-Si系铝合金强化相的析出。
本发明的目的是提供一种超精密切削优化控制方法及系统，以避免Al-Mg-Si系铝合金超精密加工过程中产生的强化相在加工表面留下划痕，提高加工表面的完整性，降低加工表面粗糙度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。
实施例1
本发明实施例1提供一种超精密切削优化控制方法。
如图3所示，所述优化控制方法包括如下步骤：
步骤301，确定加工材料的析出相的种类，建立每种析出相的LSW模型，所述LSW模型表示析出相的尺寸、加热温度和加热时间之间的关系；步骤302，根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围，得到综合温度范围；步骤303，根据所述LSW模型建立切削参数与切削温度的关系模型；步骤304，根据所述综合温度范围和所述关系模型，优化所述切削参数，使所述切削温度在所述综合温度范围之外，以抑制析出相的生成。
实施例2
本发明实施例2提供一种超精密切削优化控制方法的一个优选的实施方式，但是本发明的实施不限于本发明实施例2所限定的实施方式。
如图4所示，步骤301所述LSW模型表示析出相的尺寸、加热温度和加热时间之间的关系，具体包括：对所述加工材料进行加热处理，在不同的加热温度下，采用扫描电镜和能谱仪获取析出相的种类，其中，加工材料为6061的主要析出相如图5和6所示，分别为黑色的Mg2Si和白色的β-Al5(FeMn)Si。对于每种析出相采用扫描电镜和能谱仪获取不同的加热温度和不同加热时间对应的析出相的尺寸，建立每种析出相的LSW模型。
步骤302所述根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围，得到综合温度范围，具体包括：根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围；所述析出相对应的温度范围为所述析出相的尺寸大于预设阈值的温度范围；将每种析出相对应的温度范围合并，得到综合温度范围。
步骤303所述根据所述LSW模型建立切削参数与切削温度的关系模型，具体包括：建立切削时间预测模型；根据所述切削时间预测模型，确定不同切削参数对应的切削时间；采用能谱仪获取不同切削参数对应的强化相尺寸；根据所述切削参数、所述切削参数对应的强化相尺寸和所述切削参数对应的切削时间，建立加工材料的强化相的尺寸与切削参数、切削时间的关系图；根据所述LSW模型和所述关系图建立切削参数与切削温度的关系模型。
其中，所述切削时间预测模型为：
式中，L为刀具回转半径，f为进给速度，S为主轴转速，aep为切削深度。
所述LSw模型为：
式中，R为强化相半径，R0为强化相初始半径，C为第一常数，K为加热时间系数，T为加热温度，t为加热时间，γ为强化相的界面能，Vat为原子的平均体积，Ceq为强化相的均质浓度，D为强化相的扩散系数，D＝D0exp(-Q/kB/T)，Q为激励能量，kB为第二常数，D0为强化相的初始扩散系数。
实施例3
本发明实施例3提供一种超精密切削优化控制系统。
如图7所示，所述优化控制系统包括：LSW模型建立模块701，用于确定加工材料的析出相的种类，建立每种析出相的LSW模型，所述LSW模型表示析出相的尺寸、加热温度和加热时间之间的关系；综合温度范围确定模块702，用于根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围，得到综合温度范围；关系模型建立模块703，用于根据所述LSW模型建立切削参数与切削温度的关系模型；切削参数优化模块704，用于根据所述综合温度范围和所述关系模型，优化所述切削参数，使所述切削温度在所述综合温度范围之外，以抑制析出相的生成。
实施例4
本发明实施例4提供一种超精密优化控制系统的一个优选的实施方式，但是本发明的实施不限于本发明实施例4所限定的实施方式。
所述LSW模型建立模块701，具体包括：析出相的种类确定子模块，用于对所述加工材料进行加热处理，在不同的加热温度下，采用扫描电镜和能谱仪获取析出相的种类；LSW模型建立子模块，用于对于每种析出相采用扫描电镜和能谱仪获取不同的加热温度和不同加热时间对应的析出相的尺寸，建立每种析出相的LSW模型。
所述综合温度范围确定模块702，具体包括：温度范围确定子模块，用于根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围；所述析出相对应的温度范围为所述析出相的尺寸大于预设阈值的温度范围；综合温度范围确定子模块，用于将每种析出相对应的温度范围合并，得到综合温度范围。
所述关系模型建立模块703，具体包括：切削时间预测模型建立子模块，用于建立切削时间预测模型；切削时间预测子模块，用于根据所述切削时间预测模型，确定不同切削参数对应的切削时间；强化相的尺寸获取子模块，用于采用能谱仪获取不同切削参数对应的强化相尺寸；关系图建立子模块，用于根据所述切削参数、所述切削参数对应的强化相尺寸和所述切削参数对应的切削时间，建立加工材料的强化相的尺寸与切削参数、切削时间的关系图；关系模型建立子模块，用于根据所述LSW模型和所述关系图建立切削参数与切削温度的关系模型。
本发明解决了超精密加工过程中，切削热引致加工材料析出相的生成，由于析出相硬度高于加工材料本身，在加工表面留下划痕，影响加工表面的完整性并造成加工表面质量下降的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种超精密切削优化控制方法，其特征在于，所述优化控制方法包括如下步骤：
确定加工材料的析出相的种类，建立每种析出相的LSW模型，所述LSW模型表示析出相的尺寸、加热温度和加热时间之间的关系；
根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围，得到综合温度范围；
根据所述LSW模型建立切削参数与切削温度的关系模型；
根据所述综合温度范围和所述关系模型，优化所述切削参数，使所述切削温度在所述综合温度范围之外，以抑制析出相的生成。
2.根据权利要求1所述的超精密切削优化控制方法，其特征在于，所述确定加工材料的析出相的种类，建立每种析出相的LSW模型，所述LSW模型表示析出相的尺寸、加热温度和加热时间之间的关系所述LSW模型表示析出相的尺寸、加热温度和加热时间之间的关系，具体包括：
对所述加工材料进行加热处理，在不同的加热温度下，采用扫描电镜和能谱仪获取析出相的种类；
对于每种析出相采用扫描电镜和能谱仪获取不同的加热温度和不同加热时间对应的析出相的尺寸，建立每种析出相的LSW模型。
3.根据权利要求1所述的超精密切削优化控制方法，其特征在于，所述根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围，得到综合温度范围，具体包括：
根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围；所述析出相对应的温度范围为所述析出相的尺寸大于预设阈值的温度范围；
将每种析出相对应的温度范围合并，得到综合温度范围。
4.根据权利要求1所述的超精密切削优化控制方法，其特征在于，根据所述LSW模型建立切削参数与切削温度的关系模型，具体包括：
建立切削时间预测模型；
根据所述切削时间预测模型，确定不同切削参数对应的切削时间；
采用能谱仪获取不同切削参数对应的强化相尺寸；
根据所述切削参数、所述切削参数对应的强化相尺寸和所述切削参数对应的切削时间，建立加工材料的强化相的尺寸与切削参数、切削时间的关系图；
根据所述LSW模型和所述关系图建立切削参数与切削温度的关系模型。
5.根据权利要求4所述的超精密切削优化控制方法，其特征在于，所述切削时间预测模型为：
其中，L为刀具回转半径，f为进给速度，S为主轴转速，aep为切削深度。
6.根据权利要求1-4任一项所述的超精密切削优化控制方法，其特征在于，所述LSW模型为：
其中，R为强化相半径，R0为强化相初始半径，C为第一常数，K为加热时间系数，T为加热温度，t为加热时间，γ为强化相的界面能，Vat为原子的平均体积，Ceq为强化相的均质浓度，D为强化相的扩散系数，D＝D0exp(-Q/kB/T)，Q为激励能量，kB为第二常数，D0为强化相的初始扩散系数。
7.一种超精密切削优化控制系统，其特征在于，所述优化控制系统包括：
LSW模型建立模块，用于确定加工材料的析出相的种类，建立每种析出相的LSW模型，所述LSW模型表示析出相的尺寸、加热温度和加热时间之间的关系所述LSW模型表示析出相的尺寸、加热温度和加热时间之间的关系；
综合温度范围确定模块，用于根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围，得到综合温度范围；
关系模型建立模块，用于根据所述LSW模型建立切削参数与切削温度的关系模型；
切削参数优化模块，用于根据所述综合温度范围和所述关系模型，优化所述切削参数，使所述切削温度在所述综合温度范围之外，以抑制析出相的生成。
8.根据权利要求7所述的超精密切削优化控制系统，其特征在于，所述LSW模型建立模块，具体包括：
析出相的种类确定子模块，用于对所述加工材料进行加热处理，在不同的加热温度下，采用扫描电镜和能谱仪获取析出相的种类；
LSW模型建立子模块，用于对于每种析出相采用扫描电镜和能谱仪获取不同的加热温度和不同加热时间对应的析出相的尺寸，建立每种析出相的LSW模型。
9.根据权利要求7所述的超精密切削优化控制系统，其特征在于，所述综合温度范围确定模块，具体包括：
温度范围确定子模块，用于根据所述LSW模型确定每种析出相对应的温度范围；所述析出相对应的温度范围为所述析出相的尺寸大于预设阈值的温度范围；
综合温度范围确定子模块，用于将每种析出相对应的温度范围合并，得到综合温度范围。
10.根据权利要求7所述的超精密切削优化控制系统，其特征在于，所述关系模型建立模块，具体包括：
切削时间预测模型建立子模块，用于建立切削时间预测模型；
切削时间预测子模块，用于根据所述切削时间预测模型，确定不同切削参数对应的切削时间；
强化相的尺寸获取子模块，用于采用能谱仪获取不同切削参数对应的强化相尺寸；
关系图建立子模块，用于根据所述切削参数、所述切削参数对应的强化相尺寸和所述切削参数对应的切削时间，建立加工材料的强化相的尺寸与切削参数、切削时间的关系图；
关系模型建立子模块，用于根据所述LSW模型和所述关系图建立切削参数与切削温度的关系模型。
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