[发明专利]一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法

说明书

本发明公开了一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法，包括搭建超声辅助切削系统，并基于该系统及加工条件构建相应数字孪生体，根据不同工况下的功能需求，利用超声辅助切削技术和数字孪生技术生成满足相应要求的表面微织构，并反演分析得到最优超声振动系统类型、超声振动参数和机床切削参数，指导超声辅助切削系统进行表面微织构创建，解决传统超声辅助切削时，表面微织构不可控的难题，实现了“按需加工”的目标；其中，提取该微织构形貌特征，并反馈至数字孪生体，进行自评估分析，然后做出相应决策，实现了微织构创建过程的闭环控制，进一步保障了加工效果。

技术领域

本发明涉及零件表面微织构创建技术领域，具体为一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法。

背景技术

零件表面微织构是指在零件表面制备特定形状、排布和尺寸的微结构阵列，以获得特殊的表面性能。合理的表面织构对其服役性能具有重要作用，如表面织构可以控制摩擦、减小磨损；改变工件表面疏水性或亲水性，提升相关领域的使用性能；改善润滑性能，降低能量消耗，实现节能减排。

目前微织构的加工方法主要有光刻技术、电火花加工技术、激光加工技术和超声辅助切削技术等。但是光刻技术加工和激光加工，存在设备昂贵，难以普及的问题，而电火花加工只能去除导电材料且加工效率低。相比而言，超声辅助加工可以降低切削力、降低切削热、提升已加工表面质量和加工效率，并且超声振动设备易于机床匹配，近年来取得快速发展，在硬脆材料及难加工材料领域获得广泛应用。此外，超声辅助切削改变传统切削轨迹，使已加工零件生成表面微织构，对零件服役性能产生积极影响，但目前微织构的生成并不可控，无法按照需求生成相应功能的表面微织构，该问题严重制约了表面微织构的进一步应用，所以急需一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法来解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法，解决了上述技术中，表面微织构不可控的难题，实现了“按需加工”的目标。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数字孪生的超声辅助切削表面微织构创建方法，包括如下步骤：

S1、搭建超声辅助切削系统，并基于该系统及加工条件构建相应数字孪生体；

S2、根据需求微织构类型，确定目标微织构，数字孪生体根据该目标微织构的形状及尺寸，结合超声振动切削轨迹及刀具类型，不断优化迭代，反演获得切削参数及超声振动参数；

S3、基于反演的切削参数及超声振动参数，指导超声辅助切削系统构建微织构；

S4、提取表面微织构形貌特征，并与目标值进行比对，若差异在预设容限范围内，则加工结束，若差异大于预设容限范围，则修正加工参数，重新进行切削加工。

优选的，在步骤S1中,构建相应数字孪生体具体为：依据超声辅助切削系统的振动方式构建相对应的三维切削模型，建立物理振动参数与切削模型的一一对应关系，结合机床切削参数，生成超声辅助切削系统的数字孪生体，实现超声振动条件下物理刀尖轨迹与模型刀尖轨迹的映射。

优选的，在步骤S1中，组装超声换能器、变幅杆、刀具、能量传输盘、匹配超声电源和振动末端，完成超声振动系统的搭建，并搭配相应的机床系统，从而搭建超声辅助切削系统。

优选的，在步骤S2中，目标微织构由工件服役过程中的实际需求确定，包括润滑作用的表面微织构、疏水性作用的表面微织构和改善摩擦特性的表面微织构。

优选的，在步骤S2中，以布尔运算为基础，建立微织构与切削参数的一一对应关系的表面微织构模型，并根据目标微织构的形状及尺寸，获得表面轨迹曲线，反演获得刀尖切削轨迹，结合超声振动切削轨迹及刀具类型，反演获得切削参数及超声振动参数。