CN114226866A - 一种设定轨迹循环振动切削方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种设定轨迹循环振动切削方法，刀具沿设定路径循环振动，设定路径包括第一切削路段、第二切削路段和回刀路段；第一切削路段与第二路段为直线切削路段，第一切削路段和第二切削路段按照设定夹角移动切削材料；第一切削路段和第二切削路段完成第一次切削后，依照回刀路段循环按照设定夹角移动切削材料。通过本方法切削时，刀具的有效前角和切削速度可为固定值，不需要随刀具振动位置的改变而变化，使得振动切削的效率变高、成本降低，并且这将有助于从切削机理层面揭示间断切削各向异性晶体的脆塑转变机理，同时本切斜路径中的切削路段在切削时平行于切削运动方向，不会出现现有椭圆振动切削中的刀纹现象，从而满足高精度的要求。

Description

一种设定轨迹循环振动切削方法

技术领域

本发明涉及材料切削领域，尤其涉及一种设定轨迹循环振动切削方法。

背景技术

现有技术对脆性材料进行精密加工时一般选用以下几种方式；

方式一：单点金刚石连续切削，在切削力的作用下连续切削加工后的表面将不可避免地留下小尺度周期性波纹和一定程度的亚表面损伤；

方式二：椭圆振动切削技术，然而，由于椭圆振动切削加工机理的限制，加工表面还将留下垂直于切削方向的振动刀纹，导致获得的脆性材料表面质量相对于传统连续切削工艺更加恶化。此外，椭圆振动切削过程中瞬时切削速度、瞬时切削层厚度、有效刀具前角将随时间不断发生改变，而脆性材料的机械强度通常具有很强的各向异性特征，因此椭圆振动切削脆性材料的脆-硬转变机制十分复杂；

方式三：超精密抛光方法，采用超精密抛光方法难以充分脆性材料的表面损伤，从而难以保证脆性材料平面的精度。

上述方式虽然都可以对脆性材料进行加工，但是在加工时不可避免的会产生波纹、刀纹或表面损伤，或是在切削时切削机制十分复杂，导致效率低下，成本过高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种设定轨迹循环振动切削方法，以解决现有技术中在对脆性材料进行切削加工时，产生波纹、刀纹造成切削效率低下，成本过高的技术问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：一种设定轨迹循环振动切削方法，其步骤包括：刀具沿设定路径循环振动，所述设定路径包括第一切削路段、第二切削路段和回刀路段；

第一切削路段与第二路段为直线切削路段，所述第一切削路段和所述第二切削路段按照设定夹角移动切削材料；

所述第一切削路段和所述第二切削路段完成第一次切削后，依照所述回刀路段循环按照所述设定夹角移动切削材料。

进一步地，所述设定夹角的角度大于90度。

进一步地，所述设定夹角的角度为100度。

进一步地，所述第一切削路段、第二切削路段和回刀路段形成的轨迹为梯形。

进一步地，所述的刀具的刀尖为圆弧形。

进一步地，当瞬时切削厚度超过加工材料所能承受的临界值时，位于刀尖的圆弧半径中心处的材料通过脆性域去除，位于圆弧半径两侧的材料通过塑性域去除。

进一步地，切削步骤还包括：所述第一切削路段和所述第二切削路段按照设定瞬时切削厚度移动切削材料，所述瞬时切削厚度为加工材料的被切削深度。

进一步地，所述第一切削路段和所述第二切削路段在切削时会产生关键裂纹，所述瞬时切削厚度大于所述关键裂纹的长度。

进一步地，所述关键裂纹的长度的表达式为：

其中，H为硬度，E为杨氏模量，K_ID为动态断裂强度，η₀为动态系数，F_c为主切削力；

所述主切削力F_c包括脆性切削力F_脆和塑形切削力F_塑，所述塑形切削力F_塑的计算公式为：

其中，φact表示切削过程中的实际剪切角，Ap表示未变形切屑中塑性域切屑的面积；H表示材料的硬度；Af表示刀具后刀面与已加工表面的接触面积；δf表示材料在刀具后刀面作用下弹性回弹区域的平均应力；μf表示刀具后刀面与工件材料之间摩擦系数；φact表示切削过程中的实际剪切角；

所述脆性切削力F_脆的计算公式为：

F_脆＝σ_bA_b

其中，σb表示材料的断裂强度，Ab表示未变形切屑中脆性域切屑的面积。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、在本发明中，提供了一种切削的方法，通过第一切削路段与第二路段对材料进行直线切削，在任一条切削路段中，进给速度给定的情况下，加工过程中的实际切削厚度，有效前角都是固定值，与椭圆振动切削工艺相比，椭圆振动轨迹切削过程中，瞬时切削速度的方向、瞬时切削层厚度、有效刀具前角将随时间不断发生改变，脆性材料通常在物理与机械性能方面表现出极强的各向异性，临界切削层厚度也在随时间变化，无法对椭圆振动切削的切削参数进行优化，最终将影响材料表面加工质量和效率，且无法消除，而本发明中的切削方法，既可以进行稳定切削，进行高效率的振动切削，降低切削的低成本，又又可以调整切削参数保证加工表面的质量，达到高加工精度的要求。

2、与现有的几种切削方式相比，本切斜路径中的第一切削路段、第二切削路段在切削时平行于切削运动方向，不会产生波纹或者刀纹，

3、实际切削层厚度大于临界切削厚度时，若脆性域切削产生的脆性裂纹尚未传播到理想加工面的深度，则该瞬时裂纹可通过下一振动周期直接切除而不影响最终加工表面质量，在保证加工表面精度不变的情况下有效切削层厚度的进一步提高，提高了切削的效率。

3、本发明采用圆弧形刀尖对脆性材料进行切割，切削过程中的切削力计算简单，每一次振动周期中的瞬时切削厚度为常数，更方便后期对振动轨迹的进一步运算和优化。

附图说明

图1为本发明中刀具切削是路径示意图；

图2为本发明中刀具刀尖切削时与材料位置示意图；

图3为本发明中刀具运动轨迹坐标系；

图4为本发明中刀具沿梯形轨迹实际运行参数示意图；

图5为本发明中刀具各个切削路段中切削深度示意图；

图6为本发明中切削深度与裂纹示意图；

图7为梯形边BC与梯形高度方向的夹角与实际切削深度的关系示意图；

图8为名义切削深度与实际切削深度的关系示意图；

图9为梯形的高度与实际切削深度的关系；

图10为刀具名义前角与实际切削深度的关系；

图11为刀具的进给速度与实际切削深度的关系。

图中：

1、材料；11、关键裂纹；

2、第一切削路段；21、加工表面；

3、第二切削路段；

4、回刀路段；41、回退路段；

5、刀具；51、脆性域；52、塑性域；

6、第一切削路段切削深度；

7、第二切削路段前期切削深度；

8、第二切削路段末端切削深度；

9、循环振动轨迹；91、下一振动周期。

具体实施方式

下面，结合附图1至附图11以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本发明实施例提供了一种设定轨迹循环振动切削方法，如图1所示，其步骤包括：刀具5沿设定路径循环振动，所述设定路径包括第一切削路段2、第二切削路段3和回刀路段4；第一切削路段2与第二切削路段3为两段不同的直线切削路段，第一切削路段2对材料1所需切削面进行切削，将切削面切削为一个平面，该平面即为加工表面21，第二切削路段3从第一切削路段2的末端沿所需切削深度方向进行切削，所述第一切削路段2和所述第二切削路段3之间按照设定夹角进行移动从而切削材料1，设定夹角的角度一般大于90度；所述第一切削路段2和所述第二切削路段3完成第一次切削后，依照设定的回刀路段4循环按照所述设定夹角移动切削材料1，即回刀路段4为将刀具5移动到第二切削路段3末端后通过设定将刀具5重新移动到第下一个循环的第一切削路段2的启始位置，因刀具5向前进给切削，下一个循环的第一切削路段2的启始位置比上一个循环的第一切削路段2的启始位置前移一端距离，使得第一切削路段2的末端可以更前方的切削面进行切割，使得第二切削路段3具有一定的切削厚度，每次切削时进给的距离相同，因此切削的厚度一般为常数，即固定值，与现有的切削方式相比，进给速度给定的情况下，加工过程中的实际切削厚度，有效前角都是固定值，使得每次循环切削时切削的效果是相同的，这就提高的了该循环振动切削的效率，并且通过控制进行速度和切削厚度可以控制加工表面21的质量，提高加工的精度，使得该切削效果达到高加工精度的要求。

在一些实施例中，如图1和图3所示，每一次循环中第一切削路段2、第二切削路段3和回刀路段4形成的轨迹为相同形状的梯形，回刀路段4包括从第二切削路段3的末端水平向后移动的回退路段41和将刀具5重新移动下个循环中第一切削路段2启始位置的进刀路段，通过该设定使得刀具5的运行轨迹更加规律和更容易掌控，从而使得循环周期更加稳定，也使得控制器再控制刀具5 运行是更加容易计算，在计算位置时，一般通过建立刀具5运动轨迹坐标系，该坐标系以第一切削路段2的进给方向作为x轴方向，以材料1所需的名义切削深度作为y轴方向，如图3所示，循环振动轨迹9为一个等腰梯形，在图中的坐标系中，x轴与回退路径重合，y轴设在等腰梯形的中部，第一切削路段2 的启始位置为A点，第一切削路段2的末端位置为B点，第二切削路段3的末端位置为C点，回退路径的末端位置为D点，其中A点坐标为(XA，-h)、 B点坐标为(-XB，-h)，C点坐标为(-XC，0)，D点坐标为(XD，0)，段落AB与段落BC之间的夹角即为设定夹角，在图3示意的坐标系中，该设定夹角的角度为100度左右；

但在实际运行中，在刀具5轨迹产生时难以保证坐标系重合，为了更好地在刀具伺服机构中调整各个参数，梯形轨迹用图6表示更加清晰，在图6中，为梯形底边AB的长度；为梯形顶边CD的长度；为梯形边DA的长度；h为梯形的高度；为梯形边BC与梯形高度方向的夹角；为刀具5梯形振动的频率，即每秒振动的梯形周期数；doc为名义切削深度；V为刀具5进给速度；为刀具5 切削面与刀具5高度方向的夹角。

刀具5在梯形行进中，如图5所示，切削会产生三个阶段，第一阶段：第一切削路段切削深度6随着循环的进行切削深度持续增加，第二阶段：切削深度在第二切削路段切削深度受到刀具5进给距离的影响，当前后循环中的进给距离相同，则第二切削路段前期切削深度7不变，第三阶段：第二切削路段末端切削深度8逐渐减小；

由此，实际切削深度UCT与梯形参数及切削参数的关系如下：

UCT＝f(l₁,l₃,α,h,doc,v,f,γ₀,t)

具体的，UCT与梯形参数的关系可通过图7、图8、图9、图10和图11来表示，图片中A区域为UCT变化的第一阶段，B区域为第二阶段，C区域为第二阶段：

图7为α与UCT的关系,从图中可以看出：

第一阶段：随着刀具匀速进深，UCT线性变大,并且α越大，UCT最大值越小，到达峰值的时间越短；

第二阶段：UCT保持不变，随着α越大，此阶段持续时间越大，结束地越晚，并且UCT的值越小；

第三阶段：随着刀具匀速回刀，UCT线性减小，α越大，开始地越晚，结束地越晚，且此阶段持续时间越短，阶段开始时UCT值越小。

图8为doc与UCT的关系，从图中可以看出：

第一阶段：UCT线性变大，doc不影响此阶段UCT的值；

第二阶段：UCT保持不变，doc越大，此阶段持续时间越大，结束地越晚， doc不影响此阶段UCT的值；

第三阶段：UCT线性减小，doc越大，开始地越晚，结束地越晚，但此阶段持续时间不变，阶段开始UCT值不变。

图9为梯形高度h与UCT的关系，从图中可以看出：

第一阶段：UCT线性变大，h不影响此阶段UCT的值。但是h越大，此阶段结束的越早，持续时间越短；

第二阶段：UCT保持不变，h越大，此阶段持续时间越小，结束地越晚，h不影响此阶段UCT的值；

第三阶段：UCT线性减小，h越大，开始地越晚，结束地越晚，但此阶段持续时间不变，阶段开始UCT值相同。

图10刀具名义前角γ₀与UCT的关系，从图中可以看出：

第一阶段：UCT线性变大，γ₀越大，UCT的最大值越大，该阶段持续时间不变；

第二阶段：UCT大小保持不变，γ₀越大，此阶段持续时间越小，结束地越早，γ₀不影响此阶段UCT的值；

第三阶段：UCT线性减小，γ₀越大，开始地越早，结束时间点相同，此阶段持续时间越长，阶段开始UCT值相同。

图11为进给速度v与UCT的关系，从图中可以看出：

第一阶段：UCT线性变大，v越大，UCT最大值越大，不影响此阶段结束时间，但v越大，开始时间越早，此阶段持续时间越大；

第二阶段：UCT保持不变，v越大，UCT的值越大，结束地越早，此阶段持续时间越短；

第三阶段：UCT线性减小，v越大，UCT的初始值越大，开始地越早，结束时刻相同，故阶段持续时间逐渐变大。

每个阶段具体UCT则通过下面进行步骤进行具体计算：

令单个循环刀具的行进距离为L＝l₁+l₂+l₃+l₄；

梯形轨迹四个边的行进时间分别为t₁、t₂、t₃、t_4；

其中

其中：

则第一阶段：t∈(t₀,t₁)时，

第二阶段：

t∈(t₁,t₁+t′₂)时，

第三阶段：

时，

在一些实施例中，如图2所示，所述的刀具4的刀尖为圆弧形。

圆弧形的刀尖对材料1进行切削操作，当瞬时切削厚度超过材料1所能承受的临界值时，位于刀尖的圆弧半径中心处的材料1通过脆性域51去除，位于圆弧半径两侧的材料1通过塑性域52去除，

在一些实施例中，切削步骤还包括：所述第一切削路段2和所述第二切削路段3按照设定瞬时切削厚度移动切削材料1，所述瞬时切削厚度为加工材料1 的被切削深度，如图4所示，此时脆性域51伸入的最深处到材料1表面的长度即为此时的瞬时切削厚度，而瞬时切削厚度可通过每次控制器对第一切削路段2 的末端位置进行控制而改变。

在实际切削过程中，如图5所示，所述第一切削路段2和所述第二切削路段3在切削时会产生列脆性裂纹，当脆性裂纹尚未传播到理想加工表面21的深度，该脆性裂纹可通过下一振动周期91直接切除而不影响最终加工表面21质量，从而提高了切削的效率和质量。

在切削时还会产生关键裂纹11，关键裂纹11为材料1在切割时，刀尖处沿切削深度方向传播的裂纹，所述瞬时切削厚度大于所述关键裂纹11的长度，该关键裂纹11收到材料1特性和切削力的影响，关键裂纹11的长度的表达式为：

其中，H为硬度，E为杨氏模量，K_ID为动态断裂强度，η₀为动态系数，F_c为主切削力；脆性材料的动态断裂强度断裂强度KID,杨氏模量E，硬度H，动态系数η0，这些都为材料参数，不同的材料的材料参数不同，但是相同材料的材料参数为常数，所以真正影响关键裂纹的因素为切削力。

从图4中可以看出，主切削力F_c包括脆性切削力F_脆和塑形切削力F_塑，结合图2，可以得出所述塑形切削力F_塑的计算公式为：

其中，φact表示切削过程中的实际剪切角，Ap表示未变形切屑中塑性域切屑的面积；H表示材料的硬度；Af表示刀具后刀面与已加工表面的接触面积；δf表示材料在刀具后刀面作用下弹性回弹区域的平均应力；μf表示刀具后刀面与工件材料之间摩擦系数；φact表示切削过程中的实际剪切角；

所述脆性切削力F_脆的计算公式为

F_脆＝σ_bA_b

其中，σb表示材料的断裂强度，Ab表示未变形切屑中脆性域51的切屑的面积。

上述参数中的Ap等接触面积参数的大小受到轨迹坐标系中参数的影响，并对应的对算，从而得到切削力的大小，得到切削力的大小后即而得到关键裂纹 11的长度大小。

当瞬时切削厚度大于关键裂纹11的长度，在该切削方法下即高效率高质量的脆性材料1，我们通过控制各个参数，使得切削深度大于关键裂纹11长度，就可以实现高效率地对脆性材料1进行无创超精密加工。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种设定轨迹循环振动切削方法，其特征在于，刀具沿设定路径循环振动，所述设定路径包括第一切削路段、第二切削路段和回刀路段；

第一切削路段与第二路段为直线切削路段，所述第一切削路段和所述第二切削路段按照设定夹角移动切削材料；

所述第一切削路段和所述第二切削路段完成第一次切削后，依照所述回刀路段循环按照所述设定夹角移动切削材料。

2.根据权利要求1所述的设定轨迹循环振动切削方法，其特征在于，所述设定夹角的角度大于90度。

3.根据权利要求2所述的设定轨迹循环振动切削方法，其特征在于，所述设定夹角的角度为100度。

4.根据权利要求3所述的设定轨迹循环振动切削方法，其特征在于，所述第一切削路段、第二切削路段和回刀路段形成的轨迹为梯形。

5.根据权利要求1所述的设定轨迹循环振动切削方法，其特征在于，所述的刀具的刀尖为圆弧形。

6.根据权利要求5所述的设定轨迹循环振动切削方法，其特征在于，当瞬时切削厚度超过加工材料所能承受的临界值时，位于刀尖的圆弧半径中心处的材料通过脆性域去除，位于圆弧半径两侧的材料通过塑性域去除。

7.根据权利要求5所述的设定轨迹循环振动切削方法，其特征在于，切削步骤还包括：所述第一切削路段和所述第二切削路段按照设定瞬时切削厚度移动切削材料，所述瞬时切削厚度为加工材料的被切削深度。

8.根据权利要求7所述的设定轨迹循环振动切削方法，其特征在于，所述第一切削路段和所述第二切削路段在切削时会产生关键裂纹，所述瞬时切削厚度大于所述关键裂纹的长度。

9.根据权利要求8所述的设定轨迹循环振动切削方法，其特征在于，所述关键裂纹的长度的表达式为：

其中，H为硬度，E为杨氏模量，K_ID为动态断裂强度，η₀为动态系数，F_c为主切削力；

所述主切削力F_c包括脆性切削力F_脆和塑形切削力F_塑，所述塑形切削力F_塑的计算公式为：

其中，φact表示切削过程中的实际剪切角，Ap表示未变形切屑中塑性域52的切屑的面积；H表示材料的硬度；Af表示刀具后刀面与已加工表面的接触面积；δf表示材料在刀具后刀面作用下弹性回弹区域的平均应力；μf表示刀具后刀面与工件材料之间摩擦系数；φact表示切削过程中的实际剪切角；

所述脆性切削力F_脆的计算公式为F_脆＝σ_bA_b

其中，σb表示材料的断裂强度，Ab表示未变形切屑中脆性域切屑的面积。

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