CN115091266A - 一种超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法 - Google Patents

一种超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法，该方法包括：利用金刚石压头对待加工钛合金工件进行压痕实验，进而获得待加工钛合金工件的材料参数；检测金刚石刀具的刀尖尺寸参数；利用所述金刚石刀具对待加工钛合金工件做不同切削深度的微沟槽切削实验；根据前述步骤中获得的参数确定切削回弹补偿量。该方法解决了钛合金微结构表面的超精密切削中加工表面易产生回弹变形，由于材料回弹变形造成的微结构表面面型精度低的难题。通过建立加工参数与材料回弹量之间的数学模型，优化加工参数和刀具几何参数，从而达到对钛合金微结构加工中材料回弹变形补偿的目的，实现钛合金微结构表面的高精度、确定性加工。

Description

一种超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法
技术领域
本发明涉及钛合金微结构表面切削工艺的技术领域，具体是涉及一种超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法。
背景技术
钛合金具有高强度、低弹性模量、导热性差等特点，属于典型的难加工材料。钛合金微结构表面的特征尺寸通常处于微米级，如微沟槽结构、微金字塔结构、微凸台结构等。为了加工出具有纳米级表面粗糙度和亚微米级面型精度的微结构表面，通常采用超精密切削方法。
目前，普遍采用超精密金刚石切削加工方法加工微结构表面，即针对所加工微结构形貌特征，通过规划刀具切削路径，可以加工出特定的微结构表面。虽然，超精密金刚石切削加工方法可以在铜、铝等易加工材料上，加工出高面型精度的微结构表面，但是这些方法难以直接用于钛合金微结构的加工。主要原因在于，钛合金具有较低的弹性模型，在切削加工时材料极易发生弹性变形，即切削加工中刀具对材料的挤压作用使加工表面产生回弹变形。材料的弹性变形造成所加工的实际面型误差或回弹误差。目前，通常采用多次切削加工，并反复检测和修正的方式来提高所加工微结构的面型精度，不仅效率低，而且极大的依赖加工人员的经验。
发明内容
本申请实施例提供了一种超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法，所述方法包括：
利用金刚石压头对待加工钛合金工件进行压痕实验，进而获得待加工钛合金工件的材料参数；
检测金刚石刀具的刀尖尺寸参数；
利用所述金刚石刀具对待加工钛合金工件做不同切削深度的微沟槽切削实验；
根据前述步骤中获得的参数确定切削回弹补偿量。
本申请实施例提供的超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法，解决了钛合金微结构表面的超精密切削中加工表面易产生回弹变形，由于材料回弹变形造成的微结构表面面型精度低的难题。通过建立加工参数与材料回弹量之间的数学模型，优化加工参数和刀具几何参数，从而达到对钛合金微结构加工中材料回弹变形补偿的目的，实现钛合金微结构表面的高精度、确定性加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是数控机床的局部结构示意图；
图2是刀具切削工件的示意图；
图3是刀具在工件表面切削出的微沟槽结构示意图；
图4是本申请超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法一实施例的流程示意图；
图5是本申请实施例中金刚石刀具的侧视结构示意图；
图6是图5实施例中金刚石刀具的俯视结构示意图；
图7是图6实施例中金刚石刀具刀头的局部结构放大示意图；
图8是切削沟槽的光学示意图；
图9是切削沟槽的三维示意图；
图10是切削沟槽实验的切削力示意图；
图11是采用白光干涉仪观测微沟槽的宽度(L)与切削深度(h0)的示意图；
图12是根据前述步骤中获得的参数确定切削回弹补偿量的具体流程示意图；
图13是切削参数与切削横截面积的几何关系示意图；
图14是切削力随切削横截面积的变化趋势示意图；
图15是切削过程的结构示意图；
图16是图15中被切削的钛合金工件的轴测示意图；
图17是本申请超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法另一实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。本申请实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或组件。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
钛合金因具有强度高、密度小、机械性能好、韧性强、抗腐蚀、耐高温等特点，现主要用于制作飞机发动机压气机部件，和火箭、导弹和高速飞机的精密结构件。通过在钛合金零部件上加工特定微结构表面，可以改善精密零部件的表面特性，并延长零件使用寿命。超精密切削技术是指采用金刚石刀具，按照设计的切削路径，加工出具有特定形状特征的表面结构的一种技术方法，所加工结构通常具有亚微米级的形状精度和纳米级的表面粗糙度。请参阅图1，图1是数控机床的局部结构示意图，主轴100用于夹紧待加工钛合金工件200并带动待加工钛合金工件200转动，而刀具300(本申请实施例中为金刚石刀具)相对于工件进给(沿图中箭头方向)切削，切削参数包括刀尖圆弧半径、切削深度等。请一并参阅图2和图3，图2是刀具切削工件的示意图，图3是刀具在工件表面切削出的微沟槽结构示意图，图中210表示为切削出的微沟槽结构。由于钛合金工件200具有较低的弹性模量，在加工时材料极易发生弹性变形。材料的弹性变形造成所加工面型与理论面型之间的偏差，进而造成面型误差或回弹误差。所加工微结构与理想微结构的面型偏差程度取决于刀具的刀尖圆弧半径和切削深度。
请参阅图4，图4是本申请超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法一实施例的流程示意图，本实施例中的超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法包括但不限于以下步骤。
步骤S100，利用金刚石压头对待加工钛合金工件进行压痕实验，进而获得待加工钛合金工件的材料参数。
在该步骤中，通过采用金刚石压头压入钛合金工件表面，伴随着加载卸载过程，记录载荷-压痕深度曲线，从而获得材料的硬度(H)、弹性模量(Ew)、泊松比(Vw)等材料参数。
步骤S200，检测金刚石刀具的刀尖尺寸参数。
在步骤S200中，具体可以是采用扫描电镜检测实际加工时选用的金刚石刀具300，请一并参阅图5、图6以及图7，图5是本申请实施例中金刚石刀具的侧视结构示意图，图6是图5实施例中金刚石刀具的俯视结构示意图，图7是图6实施例中金刚石刀具刀头A处的局部结构放大示意图。其中，金刚石刀具300包括刀柄310以及刀尖320(也即金刚石晶体)。该步骤中具体为检测金刚石刀具的刀尖320的圆弧半径参数(R)。
请继续参阅图4，本申请实施例中的超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法还包括步骤S300，利用所述金刚石刀具对待加工钛合金工件做不同切削深度的微沟槽切削实验。
在该步骤，利用上一步骤中所选用的金刚石刀具300对钛合金工件200做不同切削深度的刮微沟槽实验，请一并参阅图8和图9，图8是切削沟槽的光学示意图，图9是切削沟槽的三维示意图。可以是采用测力仪获得不同切削深度下刮槽时的切削力,在某一次实验中采集的切削力数据如图10所示，图10是切削沟槽实验的切削力示意图。切削力随切削深度增加而增大。采用白光干涉仪观测微沟槽的宽度(L)与切削深度(h0)，数据如图11所示，图11是采用白光干涉仪观测微沟槽的宽度(L)与切削深度(h0)的示意图。
请继续参阅图4，本申请实施例中的超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法还包括步骤S400，根据前述步骤中获得的参数确定切削回弹补偿量。
其中，请参阅图12，图12是根据前述步骤中获得的参数确定切削回弹补偿量的具体流程示意图。
其中，步骤S400包括：步骤S410，根据前述步骤中获得的参数计算得到切削力(Ft)。
在该步骤中，通过测得所选金刚石刀具的刀尖圆弧半径参数(R)，以及所测微沟槽的宽度L与切削深度h0，计算出切削横截面积(S)，请参阅图13，图13是切削参数与切削横截面积的几何关系示意图。
满足如下公式：
Figure BDA0003671995370000061
S表示微沟槽切削实验中的切削横截面积；L为测得切削宽度，h0为测得切削深度，R表示为金刚石刀具的刀尖圆弧半径。
根据所测得的切削力，计算出切削力(Ft)与切削横截面积的关系如图14所示，图14是切削力随切削横截面积的变化趋势示意图，由此构建切削力模型：
Ft＝k·S；
其中，k为所述金刚石刀具切削钛合金测得切削力与切削横截面积之比。
请继续参阅图12，该步骤还包括步骤S420，根据切削力(Ft)计算得到待加工钛合金工件的材料回弹高度(hs)。
请一并参阅图15和图16，图15是切削过程的结构示意图，图16是图15中被切削的钛合金工件的轴测示意图，依据超精密单点金刚石切削系统配置结构，建立超精密切削材料回弹量预测模型，获得回弹高度hs与加工参数的对应关系。
在该步骤中，满足如下公式：
Figure BDA0003671995370000062
其中，式中Er为折减模量，通过钛合金工件的弹性模量(Ew)和泊松比(Vw)计算获得，H为钛合金工件的硬度。
本申请实施例提供的超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法，解决了钛合金微结构表面的超精密切削中加工表面易产生回弹变形，由于材料回弹变形造成的微结构表面面型精度低的难题。通过建立加工参数与材料回弹量之间的数学模型，优化加工参数和刀具几何参数，从而达到对钛合金微结构加工中材料回弹变形补偿的目的，实现钛合金微结构表面的高精度、确定性加工。
请参阅图17，图17是本申请超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法另一实施例的流程示意图，本实施例中的超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法包括但不限于以下步骤。
步骤S100，利用金刚石压头对待加工钛合金工件进行压痕实验，进而获得待加工钛合金工件的材料参数。
步骤S200，检测金刚石刀具的刀尖尺寸参数。
步骤S300，利用所述金刚石刀具对待加工钛合金工件做不同切削深度的微沟槽切削实验。
步骤S400，根据前述步骤中获得的参数确定切削回弹补偿量。
其中，步骤S100至步骤S400的详细流程和特征方法请参阅前述所述的相关描述，此处不再赘述。
与前述实施例不同的是，本实施例中的超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法还包括步骤S500，根据理论切削深度以及材料回弹高度确定实际加工深度。
为了提高加工精度，减少因材料回弹造成加工误差，获得确切切削深度。结合前述步骤中建立的超精密切削材料回弹量模型得到回弹高度hs，在超精密金刚石切削实验中输入理论切削深度h(理论切削深度h指的是：不考虑材料回弹，输入机床加工深度参数为切削深度)的基础上增加hs，即输入h+hs，从而得到切削深度h0近似与理论切削深度h，提高加工精度工艺。构建超精密切削材料回弹变形补偿模型，满足公式：h'＝h+hs，其中，h'表示为确定实际加工深度(实际加工深度h'指的是：输入数控机床实际切削深度参数)。
请继续参阅图17，本实施例中的超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法还包括步骤S600，修整金刚石刀具的刀尖圆弧半径为R'。
在该步骤中，由图13中可知，在增加切削深度的同时，切削宽度随之也会改变。在保证加工精度的前提下，为获得相同的切削深度，以及保证切削宽度L不变，需要修整刀尖圆弧半径为R'。其理论关系满足如下公式：
R2-(R-h)2＝R2-(R-h0)2。
请继续参阅图17，本实施例中的超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法还包括步骤S700，获取修整后的金刚石刀具的刀尖圆弧半径参数R'，使用修整后的金刚石刀具进行微沟槽实验，将切削参数R'、h'代入微沟槽实验中并检测实验结果，若在使用修整后的金刚石刀具参数R'和实际加工深度h'的加工参数下实验，切削深度h0等于理论切削深度h，则判断材料回弹变形补偿的目的达到，否则重复前述步骤。
在步骤S700中，可以是采用扫描电镜获取修整后的金刚石刀具参数R'，使用该刀具结合前述步骤中超精密切削材料回弹变形补偿模型，进行微沟槽实验，将切削参数R'、h'代入微沟槽实验中并观察实验结果，若在该加工参数下实验，切削深度h0等于理论切削深度h，则材料回弹变形补偿的目的达到。
本申请实施例中的超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法，第一步是通过实验方法获得钛合金材料机械特性参数；第二步是通过扫描电镜观察得出金刚石刀具参数；第三步是进行钛合金超精密车削微沟槽，使用测力仪测得切削力Ft，采用白光干涉仪观察，得出切削深度h0，切削宽度L；第四步是计算出切削横截面积S，计算切削力与切削横截面积的关系，从而得到切削力与切削参数的公式，构建切削力模型。第五步是根据第一步中实验所测得机械特性参数以及第四步中切削力与切削参数的关系建立超精密切削材料回弹量预测模型。第六步是利用第五步所得材料回弹量模型，将同等切削参数下的回弹高度hs附加到输入的理论切削深度中，从而补偿由于弹性变形引起的材料回弹，提高加工精度。第七步是考虑第六步中改变切削深度会引起切削宽度的变化，从而在一定程度上又降低了加工精度，采用减少刀尖圆弧半径的办法。由于切削宽度L相同，根据图13中的几何关系，确定修整后金刚石刀具刀尖圆弧半径R'。第八步是进行对比实验，验证材料回弹变形补偿。
本申请实施例中的超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法，利用金刚石刀具进行超精密切削钛合金实验，研究钛合金在超精密切削实验中切削力与切削深度，刀尖圆弧半径之间的关系，构建切削力模型。依据超精密金刚石切削系统配置结构，确定材料回弹量与切削深度、刀尖圆弧半径之间的对应关系，构建材料回弹量预测模型。依据超精密切削材料回弹量预测模型，在纵向方向(切削深度方向)增加切削用量以补偿切削深度，构建超精密切削材料回弹变形补偿模型，通过切削横截面几何形状与金刚石刀具的刀尖圆弧半径关系，修整刀具的刀尖圆弧半径，横向方向达到相同的切削宽度。利用超精密切削材料回弹变形补偿模型与修整刀尖圆弧半径后的刀具，进行超精密切削钛合金微结构，以达到高精度钛合金微结构表面工艺的目的。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超精密切削钛合金微结构表面的回弹误差补偿方法，其特征在于，所述方法包括：
利用金刚石压头对待加工钛合金工件进行压痕实验，进而获得待加工钛合金工件的材料参数；
检测金刚石刀具的刀尖尺寸参数；
利用所述金刚石刀具对待加工钛合金工件做不同切削深度的微沟槽切削实验；
根据前述步骤中获得的参数确定切削回弹补偿量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用金刚石压头对待加工钛合金工件进行压痕实验，进而获得待加工钛合金工件的材料参数的步骤中，获得的待加工钛合金工件的材料参数包括硬度(H)、弹性模量(Ew)以及泊松比(Vw)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述检测金刚石刀具的刀尖尺寸参数的步骤中，检测的刀尖尺寸参数为金刚石刀具的刀尖圆弧半径(R)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用所述金刚石刀具对待加工钛合金工件做不同切削深度的微沟槽切削实验的步骤中，获得微沟槽的宽度(L)、切削深度(h0)参数以及对应的切削力F(t)值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据前述步骤中获得的参数确定切削回弹补偿量的步骤包括：根据前述步骤中获得的参数构建切削力(Ft)模型；根据所述切削力(Ft)模型计算得到所述待加工钛合金工件的材料回弹高度(hs)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据前述步骤中获得的参数构建得到切削力(Ft)模型的步骤满足如下公式：
Figure FDA0003671995360000011
Ft＝k·S；
其中，k为所述金刚石刀具切削钛合金测得切削力与切削横截面积之比；S表示微沟槽切削实验中的切削横截面积。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述切削力(Ft)模型计算得到所述待加工钛合金工件的材料回弹高度(hs)的步骤满足如下公式：
Figure FDA0003671995360000021
其中，式中Er为折减模量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：根据理论切削深度(h)以及所述材料回弹高度(hs)确定实际加工深度h'，其中，h'＝h+hs。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：修整金刚石刀具的刀尖圆弧半径为R'，满足如下公式：
R2-(R′-h)2＝R2-(R-h0)2。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：获取修整后的金刚石刀具的刀尖圆弧半径参数R'，使用修整后的金刚石刀具进行微沟槽实验，将切削参数R'、h'代入微沟槽实验中并检测实验结果，若在使用修整后的金刚石刀具参数R'和实际加工深度h'的加工参数下实验，切削深度h0等于理论切削深度h，则判断材料回弹变形补偿的目的达到，否则重复前述步骤。
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