CN114918736A - 一种适用于难加工材料的智能工艺系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于难加工材料的智能工艺系统，包括切削信息数据库模块、低温冷流场辅助高速高效切削模块、超声能场辅助高速精密切削模块和3D测头在机原位测量模块；加工时，先通过所述切削信息数据库模块确定待加工材料的切削力及切削热等级，低温冷流场辅助高速高效切削模块调用无线智能刀柄对待加工材料进行切削并实时调整降温等级；待所述无线智能刀柄完成粗加工后，超声能场辅助高速精密切削模块控制超声刀柄以设定振幅对待加工材料进行精密切削；所述3D测头在机原位测量模块检测工件的加工误差，当加工误差超出允许误差时，重复超声刀柄的精密切削工作，直到加工误差在允许误差范围内。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于难加工材料的智能工艺系统。
背景技术
当今时代，智能制造已成时代主导，我国作为制造业大国，在高端装备制造业方面做出重大努力，旨在加快自动化和信息化的制造业向智能化方向发展。作为工业母机的数控加工中心，其产品在制造业中占比超过50％，因而在智能制造领域具有较强的竞争力。其中，新型智能机床除传统机床本体外，还应包括智能工艺系统。
航空航天和清洁能源装备等新兴产业是未来我国制造业智能化发展的重要领域，但其钛合金、高温合金、高强度钢及复合材料等难加工材料具有材料去除量大、刀具磨损快、切削效率低、切削液排放大等缺点，这严重制约了难加工材料制造产业自主可控发展。
高速干式切削是清洁切削加工的基础性关键技术，能够在改善加工质量并保证加工效率的同时，实现少无切削液绿色加工。但高速干式切削过程中由于缺少切削液冷却和润滑作用，使得加工过程中大部分能耗转化为切削热，从而加剧刀具磨损并降低刀具寿命。除此之外，切削力也是切削过程中十分重要的参数，它直接影响着切削热。加工过程中难加工材料和刀具的变形情况及机床能耗，也由切削力直接决定，同时切削力也直接对刀具寿命和加工精度起作用。
目前切削信号监测主要依靠工作台上力传感器及布置在工件内部或主轴上的温度传感器。然而，搭建此监控平台耗时费力，且仅能适用环境稳定、工况简单的基础研究。智能刀柄能实时准确反馈加工过程中的切削力和温度信号并已逐渐成为切削过程监控的主流。
考虑到切削加工过程中，工件和刀具接触区一直处于闭合状态，这将导致加工热量逐渐累积，而超声振动辅助加工，可以实现工件和刀具的周期性分离，并能起到有效断屑作用，因此，广泛应用于车削、铣削、刨削和磨削等工艺研究中。
当下，我国正处在制造大国向制造强国迈进的过程中，仅依靠工艺工程师加工经验进行机械加工，会导致同一零件，不同工程师加工完的表面质量不尽相同，且此种加工方式已很难满足时代需求。另外，难加工材料高速高效铣削过程中，切削力与切削热控制不到位，会导致刀具寿命短，机床能耗高，加工效率低，再加上难加工材料高速精密切削过程中，工件和刀具接触区会处于一直闭合状态，这导致加工热量高。此外，工件二次装夹导致加工质量差，基于以上问题，有必要提出一种可适用于难加工材料的智能工艺系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于难加工材料的智能工艺系统，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种适用于难加工材料的智能工艺系统，包括切削信息数据库模块、低温冷流场辅助高速高效切削模块、超声能场辅助高速精密切削模块和3D测头在机原位测量模块；
加工时，先通过所述切削信息数据库模块确定待加工材料的切削力及切削热等级，低温冷流场辅助高速高效切削模块调用无线智能刀柄对待加工材料进行切削并实时调整降温等级；待所述无线智能刀柄完成粗加工后，超声能场辅助高速精密切削模块控制超声刀柄以设定振幅对待加工材料进行精密切削；所述3D测头在机原位测量模块检测工件的加工误差，当加工误差超出允许误差时，重复超声刀柄的精密切削工作，直到加工误差在允许误差范围内。
进一步，所述切削信息数据库模块包括工件材料及切削参数查询计算单元和切削力及切削热等级划分单元；
所述工件材料及切削参数查询计算单元中储存有若干种加工材料的属性、每种材料的若干组切削参数、每种材料在每组切削参数下的切削力数值范围和每种材料在每组切削参数下的切削热数值范围，切削参数包括主轴转速nc、每齿进给速度fz、轴向切深ap和径向切宽ae，刀具参数包括刀具直径D与刀具刃数Z；
使用者向人机界面中输入待加工材料的属性及切削参数，控制中心根据工件材料及切削参数查询计算单元中的储存信息查询是否使用过待加工材料及切削参数，当使用过时，提取出这种加工材料在对应切削参数下的切削力最大值、切削力最小值、切削热最大值和切削热最小值；当未使用过时，依据切削力和切削热的经验公式，计算出这种加工材料在对应切削参数下的切削力最大值、切削力最小值、切削热最大值和切削热最小值。
所述切削力及切削热等级划分单元将切削力最大值与切削力最小值之间的数值分为8个等级，从小到大分别为切削力一级、切削力二级、切削力三级、切削力四级、切削力五级、切削力六级、切削力七级和切削力八级；
所述切削力及切削热等级划分单元将削热最大值和切削热最小值之间的数值分为8个等级，从小到大分别为切削热一级、切削热二级、切削热三级、切削热四级、切削热五级、切削热六级、切削热七级和切削热八级。
进一步，所述低温冷流场辅助高速高效切削模块包括低温冷流场等级划分单元和智能刀柄感知单元；
所述低温冷流场等级划分单元基于切削力及切削热数据的八个划分等级，将冷风射流机的冷却温度划分为八个等级，从低到高分别为温度一级、温度二级、温度三级、温度四级、温度五级、温度六级、温度七级和温度八级；
在所述智能刀柄感知单元中，加工中心刀库调用无线智能刀柄进行切削，无线智能刀柄实时测量并存储加工过程中的切削力及切削热数据，并在人机界面实时显示，控制中心将实时测量的切削力数据与切削力及切削热等级划分单元中切削力的八个等级进行比对，将实时测量的切削热数据与切削力及切削热等级划分单元中切削热的八个等级进行比对，当两种实测数据在一个等级范围内的稳定时间均小于5秒时，冷风射流机的冷却温度等级保持不变；当有一种实测数据在一个等级范围内的稳定时间大于等于5秒时，将冷风射流机的冷却温度等级调整为这种实测数据所在等级；当两种实测数据在一个等级范围内的稳定时间均大于等于5秒时，将冷风射流机的冷却温度等级调整为这两种实测数据所在等级的较大值。
进一步，所述温度一级对应室温，温度二级对应0℃，温度三级对应-10℃，温度四级对应-20℃，温度五级对应-30℃，温度六级对应-40℃，温度七级对应-50℃，温度八级对应-60℃。
进一步，所述超声能场辅助高速精密切削模块包括超声参数智能调控单元和超声刀柄单元，在超声刀柄单元中，加工中心刀库调用超声刀柄进行切削；
当所述控制中心查询到使用过待加工材料及切削参数时，超声参数智能调控单元读取数模参数和3D测头测量值对应的平面度差值绝对值，若差值绝对值小于0.01mm，直接读取对应振动幅值并控制超声波发生器输出相应的振幅；
当所述数模参数和3D测头测量值对应的平面度差值绝对值大于等于0.01mm，依据同种类待加工材料的硬度和抗拉强度数据，以使用过的对应材料与相应刀具对应的硬度和抗拉强度数据做二分法，若材料硬度和抗拉强度大于使用过的对应材料与相应刀具对应的硬度和抗拉强度数据，相应的增大振动幅值，此时控制中心还需计算现有刀具与已使用过刀具的刀具直径比，并使增大振动幅值乘上新计算的刀具直径比，获取最终振动幅值并控制超声波发生器输出相应的增大振幅，反之，相应的减小振动幅值并乘上新计算的刀具直径比，之后控制超声波发生器输出相应的振幅；
当控制中心未查询到使用过待加工材料及切削参数时，超声参数智能调控单元读取数模参数并选取数模上任一平面依据超声刀柄可输出的振幅范围，选择最大振动幅值、最小振动幅值和正中间振动幅值进行试切三刀，每刀切削长度等于2倍刀具直径D，调用3D测头读取每刀3D测头测量值，分别计算数模参数和3D测头测量值对应的平面度差值绝对值，以差值绝对值较小的两刀数据对应的振幅值再取正中间值，如此循环，直至取到的振动幅值不再是整数为止；若振动幅值为整数，则重复上述过程；若振幅值为非整数值，则读取正中间值为非正整数的两端平面度差值绝对值对应的最小振幅。
进一步，初次使用超声刀柄时，使用者在主轴位置手动安装无线输电环。
进一步，所述3D测头在机原位测量模块包括数模参数单元和3D测头单元；
所述数模参数单元获取原始加工零件三维图形，控制中心依据已加工图形平面形状对三维图形进行拆分，每个平面形状上随机选择三点作为测量点，并将测点原始数据保存在控制中心；
在所述3D测头单元中，主轴依据测点原始数据带动3D测头移动到待测量点，读取每个测量点数据并将其保存在测点原始数据后一列文本中，控制中心计算测点原始数据与测量点数据差值绝对值，若差值绝对值小于0.01mm，加工中心刀库将3D测头送回刀库并结束加工；若差值绝对值大于等于0.01mm，重复所述超声能场辅助高速精密切削模块及3D测头在机原位测量模块的工作过程，直至差值绝对值小于0.01mm。
本发明的有益效果在于：
1、针对难加工材料加工过程，从切削数据获取、高速高效切削、高速精密切削和在机测量四个层面，对难加工材料的智能工艺系统进行架构，涉及：切削数据智能查询、计算与存储，切削力热数据驱动下冷风射流机自适应调节，过程参数驱动刀库智能换刀，原位测量指引智能工艺调控。
2、通过对难加工材料切削信息数据库模块分析，创新实现切削力与切削热数据等级划分，基于低优先级服从高优先级原则，确定对应参数下切削力与切削热等级，为冷风温度调节做好数据库准备。
3、通过对难加工材料低温冷流场辅助高速高效切削模块研究，优先依据切削力与切削热等级进行冷却温度等级划分，通过控制中心实时获取智能感知刀柄测量得到的切削力与切削热等级，避免冷风射流机的错误判别，切削力与切削热数据稳定在5秒及以上的时间，压缩机、一级冷却和二级冷却才按照冷却温度等级开展相应动作。
4、通过对难加工材料超声能场辅助高速精密切削模块分析，以真实数模参数和3D测头测量值的差值绝对值为条件，判别控制中心内存储数据的可用性，数据可用，直接输出对应幅值；数据不可用，依据已使用过的材料硬度与抗拉强度作为判据，进行幅值增大或减小的判定；幅值确定后，主轴带动超声刀柄完成精加工余量去除。
5、通过对难加工材料3D测头在机原位测量模块研究，依据已加工图形平面形状对三维图形进行拆分并选择平面三点作为测量点，3D测头测量待测点数据并计算测点原始数据与测量点数据差值的绝对值，差值绝对值小于0.01mm时结束加工；差值绝对值大于0.01mm时重复超声能场辅助高速精密切削模块及3D测头在机原位测量模块，直至差值绝对值小于0.01mm时结束加工。
6、通过对切削力与切削热数据存储与计算，为智能刀柄感知搭建了数据库选择平台，依据智能刀柄测量得到的切削力与切削热数据，分出冷风冷却等级，实现自适应冷却，保证了恒温切削加工，提高了刀具的使用寿命，降低了制造成本。
7、通过对冷风射流机的自适应控制，实现了一级冷却与二级冷却和仅使用压缩机的自由切换，降低了切削过程中的能耗，此外，仅使用一级冷却或二级冷却过程中，对应有温度自适应调整，减少了冷却剂的使用量，保证了绿色低碳加工。
8、通过对超声刀柄的智能调控，完成了精密切削，通过差值绝对值调控与控制中心的存储数据比较，可实现快速调整到对应振动幅值，避免了人为干预调整速率慢的缺点，实现了智能精密切削。
9、通过3D测头智能在机原位测量，避免了二次装夹带来的制造误差，随机测量点选择，表明测量数据的可靠性，多点差值绝对值判定，保证了多品种、大批量零件制造结果的一致性。
10、通过对难加工材料智能工艺系统研究，在保证加工质量的同时，提高生产效率，降低制造成本，实现高效开粗，精密保质，在节能、低碳、绿色的基础上，实现了加工过程的高效精密智能化，符合国家发展战略需求。
本发明系统可满足现有机床市场的智能加工要求，且能自动调控切削力与切削热，这提高了刀具寿命，也改善了加工效果，此外，还实现了绿色低碳加工，因而，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明的智能工艺系统整体架构图；
图2为本发明切削信息数据库模块关系图；
图3为本发明低温冷流场辅助高速高效切削模块关系图；
图4为本发明超声能场辅助高速精密切削模块关系图；
图5为本发明3D测头在机原位测量模块关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1，本实施例公开了一种适用于难加工材料的智能工艺系统，包括切削信息数据库模块、低温冷流场辅助高速高效切削模块、超声能场辅助高速精密切削模块和3D测头在机原位测量模块；
加工时，先通过所述切削信息数据库模块确定待加工材料的切削力及切削热等级，低温冷流场辅助高速高效切削模块调用无线智能刀柄对待加工材料进行切削并实时调整降温等级；待所述无线智能刀柄完成粗加工后，超声能场辅助高速精密切削模块控制超声刀柄以设定振幅对待加工材料进行精密切削；所述3D测头在机原位测量模块检测工件的加工误差，当加工误差超出允许误差时，重复超声刀柄的精密切削工作，直到加工误差在允许误差范围内。
具体的，参见图2，所述切削信息数据库模块包括工件材料及切削参数查询计算单元和切削力及切削热等级划分单元；
所述工件材料及切削参数查询计算单元中储存有若干种加工材料的属性、每种材料的若干组切削参数、每种材料在每组切削参数下的切削力数值范围和每种材料在每组切削参数下的切削热数值范围，切削参数包括主轴转速nc、每齿进给速度fz、轴向切深ap和径向切宽ae，刀具参数包括刀具直径D与刀具刃数Z；
使用者向人机界面中输入待加工材料的属性及切削参数，控制中心根据工件材料及切削参数查询计算单元中的储存信息查询是否使用过待加工材料及切削参数，当使用过时，提取出这种加工材料在对应切削参数下的切削力最大值、切削力最小值、切削热最大值和切削热最小值；当未使用过时，依据切削力和切削热的经验公式，计算出这种加工材料在对应切削参数下的切削力最大值、切削力最小值、切削热最大值和切削热最小值。经验公式为：
A＝CAnc xfz yap zae w (1)
式中，A为铣削力、铣削热的变量，CA为常数(CA为经验参数)，式(1)两边取自然对数得：
lnA＝lnCA-xlnnc-ylnfz-zlnap-wlnae (2)
令Y＝lnA、C＝lnCA、X1＝lnnc、X2＝lnfz、X3＝lnap、X4＝lnae；则可得：
Y＝C-xX1-yX2-zX3-wX4 (3)
式(3)为求得的铣削力、铣削温度的回归方程，其中x、y、z、w为回归方程的回归系数，Y、X1、X2、X3、X4为维数为9的数组向量。通过正交试验表获得Y向量的值后，使用其统计分析工具命令，以Y作为因变量，X1、X2、X3、X4为自变量，获得回归方程中的各项系数CA、x、y、z、w的值，从而得到铣削力、铣削温度的经验公式。
所述切削力及切削热等级划分单元将切削力最大值与切削力最小值之间的数值分为8个等级，从小到大分别为切削力一级、切削力二级、切削力三级、切削力四级、切削力五级、切削力六级、切削力七级和切削力八级；
所述切削力及切削热等级划分单元将削热最大值和切削热最小值之间的数值分为8个等级，从小到大分别为切削热一级、切削热二级、切削热三级、切削热四级、切削热五级、切削热六级、切削热七级和切削热八级。
参见图3，所述低温冷流场辅助高速高效切削模块包括低温冷流场等级划分单元和智能刀柄感知单元；
所述低温冷流场等级划分单元基于切削力及切削热数据的八个划分等级，将冷风射流机的冷却温度划分为八个等级，从低到高分别为温度一级、温度二级、温度三级、温度四级、温度五级、温度六级、温度七级和温度八级；
在所述智能刀柄感知单元中，加工中心刀库调用无线智能刀柄进行切削，无线智能刀柄实时测量并存储加工过程中的切削力及切削热数据，并在人机界面实时显示，控制中心将实时测量的切削力数据与切削力及切削热等级划分单元中切削力的八个等级进行比对，将实时测量的切削热数据与切削力及切削热等级划分单元中切削热的八个等级进行比对，当两种实测数据在一个等级范围内的稳定时间均小于5秒时，冷风射流机的冷却温度等级保持不变；当有一种实测数据在一个等级范围内的稳定时间大于等于5秒时，将冷风射流机的冷却温度等级调整为这种实测数据所在等级；当两种实测数据在一个等级范围内的稳定时间均大于等于5秒时，将冷风射流机的冷却温度等级调整为这两种实测数据所在等级的较大值，满足低优先级服从高优先级的原则。
所述温度一级对应室温，温度二级对应0℃，温度三级对应-10℃，温度四级对应-20℃，温度五级对应-30℃，温度六级对应-40℃，温度七级对应-50℃，温度八级对应-60℃。其中温度一级仅压缩机工作便可满足，想要满足温度一级～温度五级，除压缩机工作外还需要进行一级冷却，要实现温度六级～温度八级，不仅需要压缩机和一级冷却还要进行二级冷却才能满足温度条件。
参见图4，所述超声能场辅助高速精密切削模块包括超声参数智能调控单元和超声刀柄单元，在超声刀柄单元中，加工中心刀库调用超声刀柄进行高速高效切削；
所述超声参数智能调控单元依据材料属性与刀具直径进行功率自适应调整，料属性不同，加工过程中可适应的超声振幅不一致，此外，变幅杆前端安装的刀具直径也影响超声振动的幅值，控制中心从人机界面获取材料属性与刀具直径后，首先查询是否使用过对应材料与相应刀具。
当所述控制中心查询到使用过待加工材料及切削参数时，超声参数智能调控单元读取数模参数和3D测头测量值对应的平面度差值绝对值，若差值绝对值小于0.01mm，表明对应的超声加工工件表面质量较好，轮廓精度符合生产要求，直接读取对应振动幅值并控制超声波发生器输出相应的振幅；
当所述数模参数和3D测头测量值对应的平面度差值绝对值大于等于0.01mm，依据同种类待加工材料的硬度和抗拉强度数据，以使用过的对应材料与相应刀具对应的硬度和抗拉强度数据做二分法，若材料硬度和抗拉强度大于使用过的对应材料与相应刀具对应的硬度和抗拉强度数据，相应的增大振动幅值，此时控制中心还需计算现有刀具与已使用过刀具的刀具直径比，并使增大振动幅值乘上新计算的刀具直径比，获取最终振动幅值并控制超声波发生器输出相应的增大振幅，反之，相应的减小振动幅值并乘上新计算的刀具直径比，之后控制超声波发生器输出相应的较小振幅；初次使用超声刀柄时，使用者在主轴位置手动安装无线输电环。
当控制中心未查询到使用过待加工材料及切削参数时，超声参数智能调控单元读取数模参数并选取数模上任一平面依据超声刀柄可输出的振幅范围，选择最大振动幅值、最小振动幅值和正中间振动幅值进行试切三刀，每刀切削长度等于2倍刀具直径D，调用3D测头读取每刀3D测头测量值，分别计算数模参数和3D测头测量值对应的平面度差值绝对值，以差值绝对值较小的两刀数据对应的振幅值再取正中间值，如此循环，直至取到的振动幅值不再是整数为止；若振动幅值为整数，则重复上述过程；若振幅值为非整数值，则读取正中间值为非正整数的两端平面度差值绝对值对应的最小振幅。
参见图5，所述3D测头在机原位测量模块包括数模参数单元和3D测头单元；
所述数模参数单元获取原始加工零件三维图形，控制中心依据已加工图形平面形状对三维图形进行拆分，每个平面形状上随机选择三点作为测量点，并将测点原始数据保存在控制中心；
在所述3D测头单元中，主轴依据测点原始数据带动3D测头移动到待测量点，读取每个测量点数据并将其保存在测点原始数据后一列文本中，控制中心计算测点原始数据与测量点数据差值绝对值，若差值绝对值小于0.01mm，加工中心刀库将3D测头送回刀库并结束加工；若差值绝对值大于等于0.01mm，重复所述超声能场辅助高速精密切削模块及3D测头在机原位测量模块的工作过程，直至差值绝对值小于0.01mm。所述3D测头的型号为TS649，精度0.001mm。
实施例2：
本实施例公开了一种适用于难加工材料的智能工艺系统，包括切削信息数据库模块、低温冷流场辅助高速高效切削模块、超声能场辅助高速精密切削模块和3D测头在机原位测量模块；
加工时，先通过所述切削信息数据库模块确定待加工材料的切削力及切削热等级，低温冷流场辅助高速高效切削模块调用无线智能刀柄对待加工材料进行切削并实时调整降温等级；待所述无线智能刀柄完成粗加工后，超声能场辅助高速精密切削模块控制超声刀柄以设定振幅对待加工材料进行精密切削；所述3D测头在机原位测量模块检测工件的加工误差，当加工误差超出允许误差时，重复超声刀柄的精密切削工作，直到加工误差在允许误差范围内。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述切削信息数据库模块包括工件材料及切削参数查询计算单元和切削力及切削热等级划分单元；
所述工件材料及切削参数查询计算单元中储存有若干种加工材料的属性、每种材料的若干组切削参数、每种材料在每组切削参数下的切削力数值范围和每种材料在每组切削参数下的切削热数值范围，切削参数包括主轴转速nc、每齿进给速度fz、轴向切深ap和径向切宽ae，刀具参数包括刀具直径D与刀具刃数Z；
使用者向人机界面中输入待加工材料的属性及切削参数，控制中心根据工件材料及切削参数查询计算单元中的储存信息查询是否使用过待加工材料及切削参数，当使用过时，提取出这种加工材料在对应切削参数下的切削力最大值、切削力最小值、切削热最大值和切削热最小值；当未使用过时，依据切削力和切削热的经验公式，计算出这种加工材料在对应切削参数下的切削力最大值、切削力最小值、切削热最大值和切削热最小值。
所述切削力及切削热等级划分单元将切削力最大值与切削力最小值之间的数值分为8个等级，从小到大分别为切削力一级、切削力二级、切削力三级、切削力四级、切削力五级、切削力六级、切削力七级和切削力八级；
所述切削力及切削热等级划分单元将削热最大值和切削热最小值之间的数值分为8个等级，从小到大分别为切削热一级、切削热二级、切削热三级、切削热四级、切削热五级、切削热六级、切削热七级和切削热八级。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述低温冷流场辅助高速高效切削模块包括低温冷流场等级划分单元和智能刀柄感知单元；
所述低温冷流场等级划分单元基于切削力及切削热数据的八个划分等级，将冷风射流机的冷却温度划分为八个等级，从低到高分别为温度一级、温度二级、温度三级、温度四级、温度五级、温度六级、温度七级和温度八级；
在所述智能刀柄感知单元中，加工中心刀库调用无线智能刀柄进行切削，无线智能刀柄实时测量并存储加工过程中的切削力及切削热数据，并在人机界面实时显示，控制中心将实时测量的切削力数据与切削力及切削热等级划分单元中切削力的八个等级进行比对，将实时测量的切削热数据与切削力及切削热等级划分单元中切削热的八个等级进行比对，当两种实测数据在一个等级范围内的稳定时间均小于5秒时，冷风射流机的冷却温度等级保持不变；当有一种实测数据在一个等级范围内的稳定时间大于等于5秒时，将冷风射流机的冷却温度等级调整为这种实测数据所在等级；当两种实测数据在一个等级范围内的稳定时间均大于等于5秒时，将冷风射流机的冷却温度等级调整为这两种实测数据所在等级的较大值。
实施例5：
本实施例主要结构同实施例4，进一步，所述温度一级对应室温，温度二级对应0℃，温度三级对应-10℃，温度四级对应-20℃，温度五级对应-30℃，温度六级对应-40℃，温度七级对应-50℃，温度八级对应-60℃。
实施例6：
本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述超声能场辅助高速精密切削模块包括超声参数智能调控单元和超声刀柄单元，在超声刀柄单元中，加工中心刀库调用超声刀柄进行切削；
当所述控制中心查询到使用过待加工材料及切削参数时，超声参数智能调控单元读取数模参数和3D测头测量值对应的平面度差值绝对值，若差值绝对值小于0.01mm，直接读取对应振动幅值并控制超声波发生器输出相应的振幅；
当所述数模参数和3D测头测量值对应的平面度差值绝对值大于等于0.01mm，依据同种类待加工材料的硬度和抗拉强度数据，以使用过的对应材料与相应刀具对应的硬度和抗拉强度数据做二分法，若材料硬度和抗拉强度大于使用过的对应材料与相应刀具对应的硬度和抗拉强度数据，相应的增大振动幅值，此时控制中心还需计算现有刀具与已使用过刀具的刀具直径比，并使增大振动幅值乘上新计算的刀具直径比，获取最终振动幅值并控制超声波发生器输出相应的增大振幅，反之，相应的减小振动幅值并乘上新计算的刀具直径比，之后控制超声波发生器输出相应的较小振幅；
当控制中心未查询到使用过待加工材料及切削参数时，超声参数智能调控单元读取数模参数并选取数模上任一平面依据超声刀柄可输出的振幅范围，选择最大振动幅值、最小振动幅值和正中间振动幅值进行试切三刀，每刀切削长度等于2倍刀具直径D，调用3D测头读取每刀3D测头测量值，分别计算数模参数和3D测头测量值对应的平面度差值绝对值，以差值绝对值较小的两刀数据对应的振幅值再取正中间值，如此循环，直至取到的振动幅值不再是整数为止；若振动幅值为整数，则重复上述过程；若振幅值为非整数值，则读取正中间值为非正整数的两端平面度差值绝对值对应的最小振幅。
实施例7：
本实施例主要结构同实施例6，进一步，初次使用超声刀柄时，使用者在主轴位置手动安装无线输电环。
实施例8：
本实施例主要结构同实施例6，进一步，所述3D测头在机原位测量模块包括数模参数单元和3D测头单元；
所述数模参数单元获取原始加工零件三维图形，控制中心依据已加工图形平面形状对三维图形进行拆分，每个平面形状上随机选择三点作为测量点，并将测点原始数据保存在控制中心；
在所述3D测头单元中，主轴依据测点原始数据带动3D测头移动到待测量点，读取每个测量点数据并将其保存在测点原始数据后一列文本中，控制中心计算测点原始数据与测量点数据差值绝对值，若差值绝对值小于0.01mm，加工中心刀库将3D测头送回刀库并结束加工；若差值绝对值大于等于0.01mm，重复所述超声能场辅助高速精密切削模块及3D测头在机原位测量模块的工作过程，直至差值绝对值小于0.01mm。
Claims (7)
1.一种适用于难加工材料的智能工艺系统，其特征在于：包括所述切削信息数据库模块、低温冷流场辅助高速高效切削模块、超声能场辅助高速精密切削模块和3D测头在机原位测量模块；
加工时，先通过所述切削信息数据库模块确定待加工材料的切削力及切削热等级，低温冷流场辅助高速高效切削模块调用无线智能刀柄对待加工材料进行切削并实时调整降温等级；待所述无线智能刀柄完成粗加工后，超声能场辅助高速精密切削模块控制超声刀柄以设定振幅对待加工材料进行精密切削；所述3D测头在机原位测量模块检测工件的加工误差，当加工误差超出允许误差时，重复超声刀柄的精密切削工作，直到加工误差在允许误差范围内。
2.根据权利要求1所述的一种适用于难加工材料的智能工艺系统，其特征在于：所述切削信息数据库模块包括工件材料及切削参数查询计算单元和切削力及切削热等级划分单元；
所述工件材料及切削参数查询计算单元中储存有若干种加工材料的属性、每种材料的若干组切削参数、每种材料在每组切削参数下的切削力数值范围和每种材料在每组切削参数下的切削热数值范围，切削参数包括主轴转速nc、每齿进给速度fz、轴向切深ap和径向切宽ae，刀具参数包括刀具直径D与刀具刃数Z；
使用者向人机界面中输入待加工材料的属性及切削参数，控制中心根据工件材料及切削参数查询计算单元中的储存信息查询是否使用过待加工材料及切削参数，当使用过时，提取出这种加工材料在对应切削参数下的切削力最大值、切削力最小值、切削热最大值和切削热最小值；当未使用过时，依据切削力和切削热的经验公式，计算出这种加工材料在对应切削参数下的切削力最大值、切削力最小值、切削热最大值和切削热最小值。
所述切削力及切削热等级划分单元将切削力最大值与切削力最小值之间的数值分为8个等级，从小到大分别为切削力一级、切削力二级、切削力三级、切削力四级、切削力五级、切削力六级、切削力七级和切削力八级；
所述切削力及切削热等级划分单元将削热最大值和切削热最小值之间的数值分为8个等级，从小到大分别为切削热一级、切削热二级、切削热三级、切削热四级、切削热五级、切削热六级、切削热七级和切削热八级。
3.根据权利要求2所述的一种适用于难加工材料的智能工艺系统，其特征在于：所述低温冷流场辅助高速高效切削模块包括低温冷流场等级划分单元和智能刀柄感知单元；
所述低温冷流场等级划分单元基于切削力及切削热数据的八个划分等级，将冷风射流机的冷却温度划分为八个等级，从低到高分别为温度一级、温度二级、温度三级、温度四级、温度五级、温度六级、温度七级和温度八级；
在所述智能刀柄感知单元中，加工中心刀库调用无线智能刀柄进行切削，无线智能刀柄实时测量并存储加工过程中的切削力及切削热数据，并在人机界面实时显示，控制中心将实时测量的切削力数据与切削力及切削热等级划分单元中切削力的八个等级进行比对，将实时测量的切削热数据与切削力及切削热等级划分单元中切削热的八个等级进行比对，当两种实测数据在一个等级范围内的稳定时间均小于5秒时，冷风射流机的冷却温度等级保持不变；当有一种实测数据在一个等级范围内的稳定时间大于等于5秒时，将冷风射流机的冷却温度等级调整为这种实测数据所在等级；当两种实测数据在一个等级范围内的稳定时间均大于等于5秒时，将冷风射流机的冷却温度等级调整为这两种实测数据所在等级的较大值。
4.根据权利要求3所述的一种适用于难加工材料的智能工艺系统，其特征在于：所述温度一级对应室温，温度二级对应0℃，温度三级对应-10℃，温度四级对应-20℃，温度五级对应-30℃，温度六级对应-40℃，温度七级对应-50℃，温度八级对应-60℃。
5.根据权利要求2所述的一种适用于难加工材料的智能工艺系统，其特征在于：所述超声能场辅助高速精密切削模块包括超声参数智能调控单元和超声刀柄单元，在超声刀柄单元中，加工中心刀库调用超声刀柄进行切削；
当所述控制中心查询到使用过待加工材料及切削参数时，超声参数智能调控单元读取数模参数和3D测头测量值对应的平面度差值绝对值，若差值绝对值小于0.01mm，直接读取对应振动幅值并控制超声波发生器输出相应的振幅；
当所述数模参数和3D测头测量值对应的平面度差值绝对值大于等于0.01mm，依据同种类待加工材料的硬度和抗拉强度数据，以使用过的对应材料与相应刀具对应的硬度和抗拉强度数据做二分法，若材料硬度和抗拉强度大于使用过的对应材料与相应刀具对应的硬度和抗拉强度数据，相应的增大振动幅值，此时控制中心还需计算现有刀具与已使用过刀具的刀具直径比，并使增大振动幅值乘上新计算的刀具直径比，获取最终振动幅值并控制超声波发生器输出相应的增大振幅，反之，相应的减小振动幅值并乘上新计算的刀具直径比，之后控制超声波发生器输出相应的振幅；
当控制中心未查询到使用过待加工材料及切削参数时，超声参数智能调控单元读取数模参数并选取数模上任一平面依据超声刀柄可输出的振幅范围，选择最大振动幅值、最小振动幅值和正中间振动幅值进行试切三刀，每刀切削长度等于2倍刀具直径D，调用3D测头读取每刀3D测头测量值，分别计算数模参数和3D测头测量值对应的平面度差值绝对值，以差值绝对值较小的两刀数据对应的振幅值再取正中间值，如此循环，直至取到的振动幅值不再是整数为止；若振动幅值为整数，则重复上述过程；若振幅值为非整数值，则读取正中间值为非正整数的两端平面度差值绝对值对应的最小振幅。
6.根据权利要求5所述的一种适用于难加工材料的智能工艺系统，其特征在于：初次使用超声刀柄时，使用者在主轴位置手动安装无线输电环。
7.根据权利要求5所述的一种适用于难加工材料的智能工艺系统，其特征在于：所述3D测头在机原位测量模块包括数模参数单元和3D测头单元；
所述数模参数单元获取原始加工零件三维图形，控制中心依据已加工图形平面形状对三维图形进行拆分，每个平面形状上随机选择三点作为测量点，并将测点原始数据保存在控制中心；
在所述3D测头单元中，主轴依据测点原始数据带动3D测头移动到待测量点，读取每个测量点数据并将其保存在测点原始数据后一列文本中，控制中心计算测点原始数据与测量点数据差值绝对值，若差值绝对值小于0.01mm，加工中心刀库将3D测头送回刀库并结束加工；若差值绝对值大于等于0.01mm，重复所述超声能场辅助高速精密切削模块及3D测头在机原位测量模块的工作过程，直至差值绝对值小于0.01mm。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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