[发明专利]一种基于表面微结构设计的超精密切削方法

说明书

本发明提供一种基于表面微结构设计的超精密切削方法，包括如下步骤：粗加工：利用机床去除工件上多余的材料，为半精加工准备工件的几何轮廓，并在工件待加工表面留下加工余量，加工余量的厚度为微米级；半精加工：在经过粗加工的工件待加工表面上，利用机床加工出若干个密集排布的缺陷结构，即几何尺寸为微米级或者纳米级的微小结构，各种微/纳结构的深度小于加工余量；精加工：利用机床去除在半精加工中加工出的微/纳结构和剩余的加工余量，且其切削深度等于粗加工中预留的加工余量的厚度，通过综合控制精加工工艺和半精加工工艺在工件待加工面获得所设计的微/纳结构，从而达到控制精加工中刀具所受到的切削力并减少切削过程中热量的产生，实现提高刀具寿命、并在难加工材料上获得纳米级表面粗糙度的超精密加工的目的。

技术领域

本发明涉及切削加工技术领域，尤其涉及一种基于表面微结构设计的超精密切削方法。

背景技术

现有技术中的难加工材料中，钛合金是一种有前景的优质合金材料，因其强度高、密度低、耐腐蚀性好和弹性模量低等突出优点，特别是在高温条件下仍能保持较好地保持这些特性，所以现已被广泛应用在航天、航空以及医疗器械等领域。钛合金通常被认为是难以加工的材料，其原因有：(1)在加工钛合金时，在工件-刀具及刀具-切屑接触区域产生了大量的热，由于钛合金的导热系数低，导致了该区域形成难以消除的高温；(2)钛合金的化学活性高，在高温下又更加容易与刀具发生氧化反应，使得刀具磨损速率加大；(3)由于切削钛合金硬度大，钛合金切屑呈现锯齿状，导致切削过程中刀具受到的力的切削力大且呈周期性突变，这会加剧刀具磨损，也明显影响刀具的寿命。这些原因使得钛合金加工时效率低以及成本高。

现有技术中针对难加工材料主要采用两种加工技术，其中一种为超声振动辅助切削，其工作原理为超声波发生器产生高频但低振幅的振动，然后通过换能器将高频电能转化为高频机械振动，再通过放大器将这种振动放大，且将刀具固定在放大器末端，从而实现超声波振动辅助切削功能产生波浪形(即微观不平度)的切削表面，然而在超声振动辅助切削技术中，刀具的运动是重复的，非线性的和具有脉冲式的负载，导致系统会有在几个不同振幅下工作的可能性，这会使得刀具的运动产生不稳定性，从而对加工和的工件表面粗糙度产生不利的影响。而且超声振动辅助切削方法加工钛合金需要将超声振动辅助装置安装在机床的刀架上，为了防止结构横向振动，偏离理想的线性切削路径，当退刀时产生碰撞到工件未加工的表面的可能性，从而产生冲击导致损坏周边的加工完的表面造成超乎预期的切削边缘以及切屑，因此一维振动辅助系统的弯曲刚度必须大。有一些研究人员还因此会在刀具运动方向的进给量上给刀具增加一定的角度，为了防止碰撞。超声振动辅助切削方法加工钛合金除了加工过程中刀具运动规律十分复杂以外，其超声波刀架的价格也不菲，以及其刀架在机床中的安装位置及方式也会对工件加工带来一定的限制和约束，给加工过程带来不便之处。

另一种加工技术为表面织构化技术，即是在刀具表面加工出凹槽、凹坑、凸包、正方形、圆形和椭圆形等微结构，其原理是利用微结构具有减摩降磨、减振和抗粘结的特性，从而达到改善刀具与工件的接触面积、降低切削力和切削温度的目的。然而，现有的表面微结构加工技术包括：激光加工技术、电火花加工技术、光刻技术、刻蚀技术等。但是刀具多为金刚石制作而成，由于金刚石本身就属于难加工材料，因此要想在金刚石刀具表面加工出特定的微、纳结构，使其达到降低切削力、切削温度和改善刀具与工件接触面积的目的是非常困难的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于表面微结构设计的超精密切削方法，以解决现有技术中存在的问题，通过半精加工工艺在工件待加工面获得所设计的微/纳结构，达到降低精加工中刀具所受到的切削力并减少切削过程中热量的产生，从而提高刀具寿命，且在难加工材料上实现纳米级表面粗糙度的超精密加工。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：提供一种基于表面微结构设计的超精密切削方法，包括如下步骤：

S1、粗加工：利用机床去除工件上多余的材料，为半精加工准备工件的几何轮廓，并在工件待加工表面留下加工余量，所述加工余量的厚度为微米级；