[发明专利]一种热弹激励-超声冲击协同切削系统及方法

说明书

本发明适用于精密加工技术领域，提供了一种热弹激励‑超声冲击协同切削系统及方法。所示系统包括切削刀具和机床本体；超声振动组件；所述切削刀具受所述超声振动组件的激励在切屑形成域内产生超声冲击波；脉冲激光组件，用于发出脉冲激光辐射切屑形成域，以诱发切屑形成域内产生热弹激励；附加夹具，用于连接所述超声振动组件和所述脉冲激光组件，以使所述脉冲激光的光斑始终辐射切屑形成域。本发明基于热弹激励和超声冲击波两种超声能场协同作用于切屑形成域产生Blaha效应、局部非线性共振以及颗粒细化及纳米化现象，改善了待切削工件的加工性能。

技术领域

本发明属于精密加工技术领域，尤其涉及一种热弹激励-超声冲击协同切削系统及方法。

背景技术

先进复合材料一般指将两种或多种材料通过物理或化学方法进行优化组合，所得到的在刚度、强度、密度、韧性、耐磨性、耐热性以及耐腐蚀性等多方面表现优越性能的复合材料材料，在承载、传递动力、增强机械表面或界面行为等方面以及在极端服役条件下具有极大的应用潜力。随着科技的发展，先进复合材料在航空航天、汽车、国防、生物医疗等众多领域的应用愈加广泛。以SiC/Al复合材料为例，其作为一种重要的先进复合材料，兼具了陶瓷材料的耐高温、高强度、高硬度和金属材料良好的韧性，可用于冲击和磨损、高温等苛刻环境中。如目前制备的SiC/Al复合材料已经成功应用于天宫一号、天宫二号和风云四号上。但是，由于SiC/Al复合材料的高强度、高硬度以及良好的韧性等特性，导致这种复合材料的可加工性较差，被认为是一种难加工材料。具体体现在三个方面：

(1)刀具磨损严重；

(2)加工表面质量差；

(3)造成亚表面损伤。

目前对SiC/Al复合材料的加工方法有激光加工、电火花加工、电化学加工、游离磨粒超声振动加工、超声振动辅助加工以及激光辅助加工等。这些方法虽然能够在一定程度上改善陶瓷颗粒增强金属基复合材料的可加工性，但都存在一定的局限性。如激光加工难以获得理想的加工精度、电火花加工无法调控加工精度与加工效率的问题、激光辅助加工过程中也没有找到不同材料激光吸收率和热响应特征差异大的解决办法。此外，超声振动辅助加工陶瓷颗粒增强金属基复合材料过程中难以避免陶瓷颗粒的整体拔出和部分断裂对已加工表面的二次损伤问题(划擦、犁耕以及空洞等)。

在复合材料的切削加工领域目前主要以纤维增强复合材料切削方法为主，并不适用于陶瓷颗粒增强金属基复合材料的加工。也有针对硬脆材料端面精密加工的超声振动与激光辅助协同加工的方法，这种方法利用激光加热待切削工件表面软化工件与超声振动的间歇性切削特性实现降低切削力、减少刀具磨损的目的。但是在加工SiC/Al复合材料过程中仍然无法解决不同材料激光吸收率和热响应特征差异大的问题，以及陶瓷颗粒对工件表面导致的二次损伤问题。为此，提高SiC/Al复合材料的可加工性是当前机械加工领域亟待解决的工程问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种热弹激励-超声冲击协同切削系统，旨在解决背景技术中所提到的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种热弹激励-超声冲击协同切削系统，包括切削刀具和用于安装待切削工件的机床本体，所述系统还包括：

超声振动组件；所述切削刀具受所述超声振动组件的激励在切屑形成域内产生超声冲击波；所述超声冲击波以机械冲击波的形式作用于切削刀具-切屑接触区；

脉冲激光组件，用于发出脉冲激光辐射切屑形成域，以诱发切屑形成域内产生热弹激励；

附加夹具，用于连接所述超声振动组件和所述脉冲激光组件，以使所述脉冲激光的光斑始终辐射切屑形成域。

优选的，所述超声振动组件与超声电源电性连接。

优选的，所述脉冲激光组件包括：

脉冲激光头；所述脉冲激光头设置在所述附加夹具上；