CN112894478A - 一种仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法，包括：S1、将切削刀具安装在相应的机床上，切削刀具在机床上能够产生法向振动或有法向分量的振动；S2、根据波动分离加工条件和润滑液膜或气膜的保持条件，设置切削参数和振动参数，并向机床的数控系统中输入切削参数和振动参数，输入的切削参数和振动参数用于实现加工过程中切削刀具和工件表面的周期性波动分离，以及用于实现切削过程中润滑介质始终保持在切削界面内；S3、启动机床，进行波动式表面低损伤断续切削加工过程。实现了切削段切削界面内的锁膜(气膜/液膜)，切削段润滑介质始终保持在切削界面内，起到增润与减粘的效果，改善加工产品的表面质量。

Description

一种仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法

技术领域

本发明涉及机械制造和摩擦润滑技术领域，尤其涉及一种仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法。

背景技术

切削是一种常见的材料去除加工方法，其通过切削工具-刀具和被切削材料-工件的相对运动和两者之间的硬度差实现了工件材料的去除。在普通切削，如车削、铣削和钻削等过程中，切削刀具和工件之间存在一个最小毫秒量级的接触时段，在该接触段内，刀具和工件的切削界面紧密贴合，润滑介质无法保持和渗入，从而使已加工表面存在损伤，进而导致工件表面性不佳。

低损伤是一种常见的工件加工表面完整性指标，其通过研磨、珩磨和抛光等工艺模式，改善切削加工后的表面粗糙度和塑性变形程度等来实现。由于该指标对加工工艺要求高，需要润滑介质始终保持在刀具和工件的接触界面内，因此上述工艺方法中刀具和工件之间仅有微小甚至无材料去除，使得这些工艺方法仅是切削工艺的后续工艺。

因此，亟需一种切削方法，来实现切削段润滑介质始终保持在刀具和工件的接触界面内。

发明内容

本申请是基于发明人对以下问题的认识和研究而做出的：

在生物界中，猪笼草是一种具有捕食昆虫能力的藤本植物，主要分布在旧大陆热带地区，其一般生长在森林或灌木林的边缘或空地上，这些地方为泥炭、白沙、砂岩或火山土壤。如图1A所示，猪笼草的捕虫笼由笼身、笼盖组成，笼身主要分为口缘、蜡质区和消化区。一般认为，猪笼草的捕虫功能与其口缘区和蜡质区关系最大，如图1B所示，口缘区微观结构为三级结构，其中第一级为波动楔形盲孔结构；而蜡质区为月牙状凸起，同样为波动结构，如图1C所示。

其中，在口缘区的内侧最低端存在着分泌腺，这些分泌腺会分泌含糖的液体，吸引昆虫到口缘部位，并通过在具有各向异性的微纳多级结构上进行的定向铺展，在昆虫和口缘壁面接触界面内形成湿润液膜，增大润湿能力，从而使昆虫易滑入捕虫笼内部。在该滑落过程中，如图2A所示，虫爪首先与口缘区微腔内的液体接触锁膜，此时接触界面摩擦力最小，随着虫爪在波动结构的滑动耗膜，接触界面摩擦力逐渐增大直至波动结构的下一个单元，虫爪与上一个楔形结构分离，锁膜过程重启。这种接触和分离的波动式滑落过程使得虫爪和口缘区接触界面摩擦力在增大到一数值时由于润滑液膜的重新形成而回落，始终无法增大到平衡昆虫自身的重力，如图2B所示，从而实现口缘区的食虫。

同理，在捕虫笼的蜡质区，其具有微纳米级的双层蜡质周期性波动结构，同样使虫爪与蜡质区的接触界面具有接触锁膜、滑动耗膜和分离重启三个过程，如图3A所示。这种接触和分离的波动式滑落过程使得虫爪和蜡质区接触界面摩擦力在增大到一数值时由于润滑气膜的重新形成而回落，始终无法增大到平衡昆虫自身的重力，如图3B所示，减弱昆虫攀附，阻止昆虫从笼中逃脱。

本申请通过对昆虫在猪笼草捕虫笼笼身的口缘区和蜡质区的滑落运动过程进行特征提取并简化，设计出了一种仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法。

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法，其实现了切削段切削界面内的锁膜(气膜/液膜)，切削段润滑介质始终保持在切削界面内，起到增润与减粘的效果，改善加工产品的表面质量。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明实施例提供一种仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法，包括以下步骤：

S1、将切削刀具安装在相应的机床上，切削刀具在机床上能够产生法向振动或有法向分量的振动；

S2、根据波动分离加工条件和润滑液膜或气膜的保持条件，设置切削参数和振动参数，并向机床的数控系统中输入切削参数和振动参数，输入的切削参数和振动参数用于实现加工过程中切削刀具和工件表面的周期性波动分离，以及用于实现切削过程中润滑介质始终保持在切削界面内；

S3、启动机床，进行波动式表面低损伤断续切削加工过程。

可选地，S1中，切削刀具包括能进行各类切削加工工艺的车刀、铣刀、磨头、钻头、铰刀和锪钻中的一种；机床包括能进行各类切削加工工艺的车床、铣床、钻床、磨床和加工中心中的一种。

可选地，S1中，切削刀具外接有超声波发生器，超声波发生器启动之后驱动切削刀具在机床上产生法向振动或有法向分量的振动。

可选地，S1中，法向振动或有法向分量的振动包括：切削刀具上的切削刃上一点做与切削速度方向垂直的振动。

可选地，S2中，切削参数包括切削过程中的切深、刀具进给量和切削速度，振动参数包括振动频率、振动幅度和振动相位；

波动分离加工条件，包括满足以下公式：

其中，f为相邻两转刀具切削轨迹中心线的偏移量，其是一个和刀具进给量、切深和切削速度相关的量，具体取值取决于切削加工工艺方式和刀具振动方式；φ为相邻两转刀具加工轨迹的相位差，其是一个和刀具振动频率、主轴转速相关的量，取值取决于切削加工工艺方式和刀具振动方式；A为刀具振幅，10μm≤A≤15μm。

可选地，S2中，润滑液膜或气膜的保持条件，包括满足以下公式：

其中，V为切削速度；F为振动频率；Dc为占空比，其表示一个振动波长内材料切削长度所占的比值，其值不大于1；L₀表示增润临界切削长度。

可选地，S2中，设置切削参数和振动参数，满足波动分离加工条件的同时，f不大于0.01mm/r，φ为180°。

可选地，在S2之后，S3之前，还包括：S21、根据表面低损伤波动增润切削条件，设置刀具几何尺寸参数，刀具几何尺寸参数用于实现切削界面粘结导致的畸变形貌小和表层塑性变形层薄。

可选地，刀具几何尺寸参数包括切削刀具的刀尖钝圆半径r_n和后刀面磨损带宽度VB；表面低损伤波动增润切削条件，包括：刀尖钝圆半径r_n小于预设r_n，后刀面磨损带宽度VB小于预设VB；

预设r_n为畸变形貌表面损伤度R_t达到低损伤临界标准时对应的r_n，预设VB为畸变形貌表面损伤度R_t达到低损伤临界标准时对应的VB；或者，预设r_n为塑变深度h_y达到低损伤临界标准时对应的r_n，预设VB为塑变深度h_y达到低损伤临界标准时对应的VB。

可选地，在S2之后，S3之前，还包括：S22、设置冷却润滑参数，并向机床的数控系统中输入冷却润滑参数，输入的冷却润滑参数用于实现冷却润滑介质能充分进入切削加工界面；冷却润滑参数包括冷却润滑介质的初始压力、流量、距离切削加工界面的直线距离、喷射直径和冷却润滑介质种类。

可选地，冷却润滑介质的初始压力为15～20MPa，流量为16～22L/min，距离切削加工界面的直线距离为7～10mm，喷嘴直径为0.6～1mm，冷却润滑介质为本构模型冷却介质。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

1、本发明的仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法，实现切削段切削界面内的锁气/液，使润滑介质始终保持在切削界面内，起到增润与减粘的效果，达到改善加工产品表面质量的目的，即实现了高表面质量。

2、本发明的仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法，能够大范围的应用于多种材料的去除工艺。根据实际加工工艺和材料的特征来选取波动加工和润滑参数，本发明方法在铝、镁、铜及其合金、不锈钢、钛及其合金、高温合金、高强钢以及复合材料的切削加工中均可获得增润光整加工界面。

3、普通切削过程中，刀具连续切削时间长，导致高速切削时热量积累严重，刀具磨损加快，所以普通切削速度多在其相应材料和相应加工工艺方式的低速切削区才能保证一定的刀具耐用度，其加工效率受到了极大地限制。在本发明提供的仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法中，刀具与工件产生周期性的分离，避免了热量积累，在相同刀具耐用度或表面质量下，切削速度可以达到普通切削的2到3倍，进入相应材料和相应加工工艺的高速切削区，从而显著提高切削加工效率。即实现了高加工效率。

4、本发明的仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法，相比普通切削，减小了刀具和工件的粘结程度，降低表面损伤度Rt最大约50％，在合理刀具几何尺寸参数范围内，其塑性变形层减薄最大约56％。

附图说明

本发明借助于以下附图进行描述：

图1A为根据本发明实施例的猪笼草生物原型图；

图1B为根据本发明实施例的猪笼草口缘区结构示意图；

图1C为根据本发明实施例的猪笼草蜡质区结构示意图；

图2A为根据本发明实施例的猪笼草口缘区虫爪滑动液膜增润原理示意图；

图2B为根据本发明实施例的猪笼草口缘区虫爪滑动接触界面摩擦力曲线图；

图3A为根据本发明实施例的猪笼草蜡质区虫爪滑动气膜增润原理示意图；

图3B为根据本发明实施例的猪笼草蜡质区虫爪滑动接触界面摩擦力曲线图；

图4为根据本发明实施例的仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法的流程图；

图5A为根据本发明实施例的波动式切削增润过程示意图；

图5B为根据本发明实施例的波动式切削增润原理示意图；

图6为根据本发明实施例的波动式锐刃切削低损伤示意图；

图7A为根据本发明实施例的刀尖几何参数钝圆示意图；

图7B为根据本发明实施例的刀尖几何参数后刀面磨损带宽度示意图；

图8A为根据本发明实施例的采用本发明方法进行切削与普通切削的表面损伤度Rt和塑变深度hy与切削路程(刀具磨损量)的变化规律示意图；

图8B为根据本发明实施例的采用本发明方法进行切削与普通切削的表面损伤度Rt和塑变深度hy与刀尖钝圆半径的变化规律示意图；

图9为根据本发明实施例的波动式切削光整加工增润过程示意图；

图10为根据本发明实施例的采用本发明方法进行湿切与普通湿切的已加工表面形貌对比图；

图11为根据本发明实施例的采用本发明方法进行切削与普通切削的亚表面塑性变形层对比图；

图12为根据本发明实施例的波动式车削工艺示意图；

图13为根据本发明实施例的波动式铣削工艺示意图；

图14为根据本发明实施例的波动式钻/铰削工艺示意图。

【附图标记说明】

1：工件；

2：加工刀具；

21：车刀；22：铣刀；23：钻头；24：铰刀；

3：切屑；

4：已加工表面；

5：冷却润滑介质。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明通过对昆虫在猪笼草捕虫笼笼身的口缘区和蜡质区的滑落运动过程进行特征提取并简化，提出了一种仿生波动迹分离界面增润减粘式断续切削方法。在该方法中，将超声频和微米级的振动应用在加工刀具上，辅之以合理的加工和波动参数设置，使切削过程中刀具具有与工件表面波动式分离的运动轨迹，使冷却润滑介质能周期性地浸润刀具和工件分离段切削界面，最终实现切削段切削界面内的锁膜(气膜/液膜)，起到增润与减粘的效果，降低切削段界面间的摩擦和粘结，达到改善加工产品表面质量的目的。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

下面就参照附图来描述本发明实施例提出的仿生波动迹分离界面增润减粘式断续切削方法。

如图4所示，本发明实施例提出的仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法包括以下步骤：

步骤S1、将切削刀具安装在相应的机床上，切削刀具在机床上能够产生法向振动或有法向分量的振动。

具体地，切削刀具包括能进行各类切削加工工艺的车刀、铣刀、磨头、钻头、铰刀和锪钻中的一种；机床包括能进行各类切削加工工艺的车床、铣床、钻床、磨床和加工中心中的一种。可见在本发明方法中，不同的振动方式与不同的切削加工工艺的组合，能实现多种切削加工工艺的过程，例如与车削方式结合，可有波动式车削工艺；与铣削方式结合，可有波动式铣削工艺；与钻削方式结合，可有波动式钻削工艺；与铰孔方式结合，可有波动式铰孔工艺。

具体地，切削刀具外接有超声波发生器，超声波发生器启动之后驱动切削刀具在机床上产生法向振动或有法向分量的振动。

具体地，法向振动或有法向分量的振动包括：切削刀具上的切削刃上一点做与切削速度方向垂直的振动。

步骤S2、根据波动分离加工条件和润滑液膜或气膜的保持条件，设置切削参数和振动参数，并向机床的数控系统中输入切削参数和振动参数，输入的切削参数和振动参数用于实现加工过程中切削刀具和工件表面的周期性波动分离，以及用于实现切削过程中润滑介质始终保持在切削界面内。

具体地，切削参数包括切削过程中的切深、刀具进给量和切削速度，振动参数包括振动频率、振动幅度和振动相位。

具体地，波动分离加工条件包括满足以下公式：

其中，f为相邻两转刀具切削轨迹中心线的偏移量，其是一个和刀具进给量、切深和切削速度相关的量，具体取值取决于切削加工工艺方式和刀具振动方式；φ为相邻两转刀具加工轨迹的相位差，其是一个和刀具振动频率、主轴转速相关的量，取值取决于切削加工工艺方式和刀具振动方式；A为刀具振幅，10μm≤A≤15μm。

确定上述波动分离加工条件的依据是：f是衡量相邻两转刀具轨迹横向的位置关系，φ是衡量相邻两转刀具轨迹纵向的位置关系，两者同时影响着加工过程中的分离效应。当f数值超过两倍波动幅度时，无论φ取何值，由于相邻两转刀具轨迹横向距离过大，加工过程不存在波动分离效应；当φ数值在以0为中心的合适邻域内取值时，由于相邻两转刀具轨迹在纵向上无交点，彼此不相交，则无论f数值取多少，加工过程都不存在波动分离效应。

优选地，设置切削参数和振动参数，满足波动分离加工条件的同时，f不大于0.01mm/r，φ为180°。此时加工过程发生波动分离效应最佳。

具体地，润滑液膜或气膜的保持条件包括满足以下公式(如图5A所示)：

其中，V为切削速度；F为振动频率；Dc为占空比，其表示一个振动波长内材料切削长度所占的比值，其值不大于1；L₀表示增润临界切削长度。在小于L₀范围内，润滑液膜或气膜能得到保持，摩擦力较小，随着切削过程的继续，界面初始锁定液膜或气膜减粘效应逐渐丧失，大于L₀值后，润滑液膜或气膜不再存在，界面增润效应完全消失，摩擦力急剧增大，两者对应关系参见图5B。

具体地，设置切削参数和振动参数满足上述润滑液膜或气膜的保持条件的原则是：在占空比一定时，切削速度和波动频率需同步增大或减小；在切削速度和波动频率比值一定时，可通过减小占空比来降低每个振动波长内的实际切削长度，通常波动频率为一定值，不易改变，因此在考虑保证加工效率，也即切削速度较大的情况下，应选用较小的占空比。

具体地，切削加工界面为切削刀具和工件的接触界面，如前刀面-切屑变形区的第二变形区和后刀面-已加工表面的第三变形区。

步骤S3、根据表面低损伤波动增润切削条件，设置刀具几何尺寸参数，刀具几何尺寸参数用于实现切削界面粘结导致的畸变形貌小和表层塑性变形层薄。

具体地，畸变形貌包括表面划痕、鳞刺、积瘤等，如图6所示。

具体地，刀具几何尺寸参数包括切削刀具的刀尖钝圆半径r_n和后刀面磨损带宽度VB，如图7A、7B所示。

具体地，表面低损伤波动增润切削条件，包括：刀尖钝圆半径r_n小于预设r_n，后刀面磨损带宽度VB小于预设VB。其中预设r_n为畸变形貌表面损伤度R_t达到低损伤临界标准时对应的r_n，预设VB为畸变形貌表面损伤度R_t达到低损伤临界标准时对应的VB；或者，预设r_n为塑变深度h_y达到低损伤临界标准时对应的r_n，预设VB为塑变深度h_y达到低损伤临界标准时对应的VB。作为一个示例，参见图8A，塑变深度h_y达到低损伤临界标准时对应的r_n为30μm，因此设置的刀尖钝圆半径r_n磨损到不大于30μm。作为一个示例，参见图8B，塑变深度h_y达到低损伤临界标准时对应的VB为0.15mm，因此设置的后刀面磨损带宽度VB不超过0.15mm。此时能达到较低的加工表面损伤量。

步骤S4、设置冷却润滑参数，并向机床的数控系统中输入冷却润滑参数，输入的冷却润滑参数用于实现冷却润滑介质能充分进入切削加工界面。

具体地，冷却润滑参数包括冷却润滑介质的初始压力、流量、距离切削加工界面的直线距离、喷射直径和冷却润滑介质种类。其中冷却润滑介质种类包括各种本构模型条件下的液体和气体。

具体地，设置冷却润滑参数的原则为：冷却润滑介质需充分覆盖切削加工界面，此时应在可选用范围内选用较高的初始压力、流量(最大可达20Mpa和22L/min)；较近的距离加工界面的直线距离(通常不大于10mm)；较小的喷嘴直径(通常不大于1mm)；并选用导热系数高，粘度适中的本构模型冷却介质，以提高液膜或气膜的保持能力，增大增润临界切削长度。

步骤S5、启动机床，进行波动式表面低损伤断续切削加工过程。

其中波动式表面低损伤断续切削加工过程具体包括：如图9所示，在ab段，加工刀具2在分离段时打开刀具和工件的接触界面，使得冷却润滑介质5能够充分浸润分离界面。随着刀具的运动，在b点刀具和工件接触，开始进入切削段bc，此时冷却润滑介质5在逐渐闭合的切削界面内形成液膜或气膜起到界面增润作用；随着刀具从b点向c点运动，一方面切削界面内的液膜和空气膜受到强烈的挤压变薄，一方面去除的工件材料在刀具表面变形形成切屑3。在刀具运动到c点时，增润状态处于临界失效状态(切削段长度等于增润临界切削长度)，切削界面内的液膜或气膜近乎消失，而刀具2和切屑3与已加工表面4同时实现分离，切削过程随即进入分离段。分离段cd重复ab段的过程，当切削界面分离打开时，新的冷却润滑介质5又可重新进入，作为下一个波动切削过程中液膜或气膜的补充，同时带走刀具2和已加工表面4内因工件材料剪切和摩擦产生的热量。在整个波动式切削中，上述a-b-c过程周期性的重复，类似于猪笼草口缘区和蜡质区的周期性波动，从而实现仿生波动增润。

图8A是采用本发明方法进行切削与普通切削的表面损伤度Rt和塑变深度hy与切削路程(刀具磨损量)的变化规律示意图，图8B是采用本发明方法进行切削与普通切削的表面损伤度Rt和塑变深度hy与刀尖钝圆半径的变化规律示意图，可见本发明实施例提出的仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法，降低了表面损伤度Rt最大约50％。

图10是采用本发明方法进行湿切与普通湿切的已加工表面形貌对比图，可见本发明实施例提出的仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法，减小了刀具和工件的粘结程度。

图11是采用本发明方法进行切削与普通切削的亚表面塑性变形层对比图。参见图8A、图8B和图11，可知本发明实施例提出的仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法，在合理刀具几何尺寸参数范围内，其塑性变形层减薄最大约56％。

综上所述，本发明根据昆虫在猪笼草捕虫笼笼身的口缘区和蜡质区的滑落运动过程，设计切削刀具的波动式加工轨迹，实现刀具和工件在在切削过程中的周期性分离状态，使冷却润滑介质能周期性地浸润刀具和工件分离段切削界面，最终实现切削段切削界面内的锁膜(气膜/液膜)，起到增润与减粘的效果，降低切削段界面间的摩擦和粘结，改善加工产品的表面质量。

实施例1

车削是一种用刀具缩小圆形轮廓的外径或端面的切削工艺，其应用范围一般从半粗加工到精加工，所用刀具通常为车刀21，如图12所示。

采用本发明提出的方法进行车削，具体步骤如下：

步骤S1、将车刀安装在车床上，通过外接超声波发生器驱动车刀在车床上能够做与切削速度方向垂直的振动。

具体地，车刀在车床上做与切削速度方向垂直的振动包括：①轴向振动式切削，振动方向为进给方向；②径向振动式切削，振动方向为径向；③椭圆振动式切削，振动方向为轴向和径向的耦合。

步骤S2、设置切削参数和振动参数，来满足波动分离加工条件：

具体地，作为一个示例，高温合金车削时，其切削参数可设置为：切深0.2mm，进给量0.005-0.01mm/r，切削速度80-240m/min；其振动参数可设置为：振动幅度10μm，振动频率为20000Hz。

设置切削参数和振动参数，来满足润滑液膜或气膜的保持条件：

具体地，通过相位控制技术动态微调振动频率，使其一方面满足波动分离相位条件，一方面通过相位的设定，使其尽可能减小波动式切削占空比Dc，从而满足润滑液膜或气膜的保持条件。

步骤S3、设置车道几何尺寸参数。

具体地，作为一个示例，使用硬质合金刀具，刀尖钝圆半径r_n选用20μm，实时动态监测刀具磨损状态，使其后刀面磨损带宽度VB在切削过程中不大于0.15mm。

步骤S4、设置冷却润滑参数。

具体地，作为一个示例，选用20MPa冷却润滑液压力，22L/min冷却润滑液流量，1mm喷嘴直径，10mm距离加工界面的直线距离以及常见的水基乳化液。

步骤S5、启动车床和超声波发生器，进行波动式表面低损伤断续切削加工过程。

实施例2

铣削是指使用旋转的多刃刀具去除材料外形的加工工艺，所用刀具通常为铣刀22，如图13所示。

采用本发明提出的方法进行铣削，具体步骤如下：

步骤S1、将铣刀安装在铣床上，通过外接超声波发生器驱动铣刀在铣床上能够做与切削速度方向垂直的振动。

具体地，铣刀在铣床上做与切削速度方向垂直的振动包括：进给方向(切向)和径向切深方向耦合的椭圆振动式切削。

步骤S2、设置切削参数和振动参数，来满足波动分离加工条件：

具体地，作为一个示例，钛合金铣削时，其切削参数可设置为：轴向切深5mm，径向切深0.2mm，进给量0.01-0.02mm/z，切削速度80-160m/min；其振动参数可设置为：振动幅度切向11μm，径向11μm，振动频率为20 000Hz。

设置切削参数和振动参数，来满足润滑液膜或气膜的保持条件：

具体地，通过相位控制技术动态微调振动频率，使其一方面满足波动分离相位条件，一方面通过相位的设定，使其尽可能减小波动式切削占空比Dc，从而满足润滑液膜的保持条件。

步骤S3、设置车道几何尺寸参数。

具体地，作为一个示例，使用硬质合金刀具，刀尖钝圆半径r_n选用20μm，实时动态监测刀具磨损状态，使其后刀面磨损带宽度VB在切削过程中不大于0.15mm。

步骤S4、设置冷却润滑参数。

具体地，作为一个示例，选用15MPa冷却润滑液压力，16L/min冷却润滑液流量，1mm喷嘴直径，10mm距离加工界面的直线距离以及常见的水基乳化液。

步骤S5、启动铣床和超声波发生器，进行波动式表面低损伤断续切削加工过程。

实施例3

钻削是指使用刀具进行孔加工的工艺，所用刀具通常为钻头23，铰削是从已加工的孔壁切除薄层金属，以获得精确的孔径和几何形状以及较低的表面粗糙度的切削加工工艺，所用刀具通常为铰刀24，如图14所示。

采用本发明提出的方法进行钻削，具体步骤如下：

步骤S1、将钻头安装在钻床上，通过外接超声波发生器驱动钻头在钻床上能够做与切削速度方向垂直的振动。

具体地，钻头在钻床上做与切削速度方向垂直的振动包括：振动方向为进给方向，即为轴向振动式切削。

步骤S2、设置切削参数和振动参数，来满足波动分离加工条件：

具体地，作为一个示例，钛合金钻削时，其切削参数可设置为：进给量0.01-0.015mm/r，切削速度20-80m/min；其振动参数可设置为振动幅度15μm，振动频率为17000Hz。

设置切削参数和振动参数，来满足润滑液膜或气膜的保持条件：

具体地，通过相位控制技术动态微调振动频率，使其一方面满足波动分离相位条件，一方面通过相位的设定，使其尽可能减小波动式切削占空比Dc，从而满足润滑液膜或气膜的保持条件。

步骤S3、设置车道几何尺寸参数。

具体地，作为一个示例，使用硬质合金刀具，刀尖钝圆半径r_n选用20μm，实时动态监测刀具磨损状态，使其后刀面磨损带宽度VB在切削过程中不大于0.15mm。

步骤S4、设置冷却润滑参数。

具体地，作为一个示例，采用空气冷却润滑模式。

步骤S5、启动钻床和超声波发生器，进行波动式表面低损伤断续切削加工过程。

采用本发明提出的方法进行铰削，具体步骤如下：

步骤S1、将铰刀安装在铰床上，通过外接超声波发生器驱动铰刀在铰床上能够做与切削速度方向垂直的振动。

具体地，铰刀在铰床上做与切削速度方向垂直的振动包括：振动方向为径向，即为径向波动式切削。

步骤S2、设置切削参数和振动参数，来满足波动分离加工条件：

具体地，作为一个示例，钛合金铰削时，其切削参数可设置为：进给量0.002-0.005mm/r，切削速度5-25m/min；其振动参数可设置为振动幅度5μm，振动频率为21000Hz。

设置切削参数和振动参数，来满足润滑液膜或气膜的保持条件：

具体地，通过相位控制技术动态微调振动频率，使其一方面满足波动分离相位条件，一方面通过相位的设定，使其尽可能减小波动式切削占空比Dc，从而满足润滑液膜或气膜的保持条件。

步骤S3、设置车道几何尺寸参数。

具体地，作为一个示例，使用硬质合金刀具，刀尖钝圆半径r_n选用20μm，实时动态监测刀具磨损状态，使其后刀面磨损带宽度VB在切削过程中不大于0.15mm。

步骤S4、设置冷却润滑参数。

具体地，作为一个示例，采用空气冷却润滑模式。

步骤S5、启动钻床和超声波发生器，进行波动式表面低损伤断续切削加工过程。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿生波动迹分离界面增润减粘式低损伤断续切削方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将切削刀具安装在相应的机床上，切削刀具在机床上能够产生法向振动或有法向分量的振动；

S2、根据波动分离加工条件和润滑液膜或气膜的保持条件，设置切削参数和振动参数，并向机床的数控系统中输入切削参数和振动参数，输入的切削参数和振动参数用于实现加工过程中切削刀具和工件表面的周期性波动分离，以及用于实现切削过程中润滑介质始终保持在切削界面内；

S3、启动机床，进行波动式表面低损伤断续切削加工过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中，所述切削刀具包括能进行各类切削加工工艺的车刀、铣刀、磨头、钻头、铰刀和锪钻中的一种；所述机床包括能进行各类切削加工工艺的车床、铣床、钻床、磨床和加工中心中的一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中，切削刀具外接有超声波发生器，超声波发生器启动之后驱动切削刀具在机床上产生法向振动或有法向分量的振动。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中，所述法向振动或有法向分量的振动包括：切削刀具上的切削刃上一点做与切削速度方向垂直的振动。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，所述切削参数包括切削过程中的切深、刀具进给量和切削速度，所述振动参数包括振动频率、振动幅度和振动相位；

所述波动分离加工条件，包括满足以下公式：

其中，f为相邻两转刀具切削轨迹中心线的偏移量，其是一个和刀具进给量、切深和切削速度相关的量，具体取值取决于切削加工工艺方式和刀具振动方式；φ为相邻两转刀具加工轨迹的相位差，其是一个和刀具振动频率、主轴转速相关的量，取值取决于切削加工工艺方式和刀具振动方式；A为刀具振幅，10μm≤A≤15μm。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S2中，所述润滑液膜或气膜的保持条件，包括满足以下公式：

其中，V为切削速度；F为振动频率；Dc为占空比，其表示一个振动波长内材料切削长度所占的比值，其值不大于1；L₀表示增润临界切削长度。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S2中，设置切削参数和振动参数，满足波动分离加工条件的同时，f不大于0.01mm/r，φ为180°。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S2之后，S3之前，还包括：

S21、根据表面低损伤波动增润切削条件，设置刀具几何尺寸参数，刀具几何尺寸参数用于实现切削界面粘结导致的畸变形貌小和表层塑性变形层薄。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述刀具几何尺寸参数包括切削刀具的刀尖钝圆半径r_n和后刀面磨损带宽度VB；

所述表面低损伤波动增润切削条件，包括：刀尖钝圆半径r_n小于预设r_n，后刀面磨损带宽度VB小于预设VB；

所述预设r_n为畸变形貌表面损伤度R_t达到低损伤临界标准时对应的r_n，所述预设VB为畸变形貌表面损伤度R_t达到低损伤临界标准时对应的VB；或者，所述预设r_n为塑变深度h_y达到低损伤临界标准时对应的r_n，所述预设VB为塑变深度h_y达到低损伤临界标准时对应的VB。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S2之后，S3之前，还包括：

S22、设置冷却润滑参数，并向机床的数控系统中输入冷却润滑参数，输入的冷却润滑参数用于实现冷却润滑介质能充分进入切削加工界面；

所述冷却润滑参数包括冷却润滑介质的初始压力、流量、距离切削加工界面的直线距离、喷射直径和冷却润滑介质种类。

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