一种脆塑转变临界切削厚度的确定方法和装置与流程

本发明涉及脆性光学技术领域，具体涉及一种脆塑转变临界切削厚度的确定方法和装置。

背景技术：

随着光电技术的不断发展，脆性光学材料如今在空间探测、国防安全和民用光学元件中得到了越来越多的需求。然而这些光学材料脆性大，硬度高，且光学元件的表面粗糙度较低，面型一般较为复杂，传统的加工方法难以满足这些光学元件的表面精度要求。单点金刚石车削采用带有空气静压主轴、液体静压导轨的超精密机床，以及纳米级刃口钝圆半径的金刚石刀具对零件进行极薄切削的去除，可以使已经加工表面达到纳米级的粗糙度。因此，单点金刚石车削为这些光学元件的超精密加工提供了良好的办法。

脆性材料由于加工性能较差，容易在加工过程中产生裂纹，降低表面质量。研究表明，当切削厚度小于某一临界值时，材料以塑性的方式去除，已加工表面不存在裂纹与凹坑。这一临界值被称为脆塑转变临界值切削厚度。实现纳米级表面粗糙度脆性光学元件的切削的前提是使材料在加工过程中始终处于塑性域加工。因此，确定脆塑转变临界切削厚度对于提高表面质量和加工效率有着重大的意义。

目前确定临界切削厚度的方法主要有：压痕法、划痕法、飞切和螺旋线刻划法。压痕法通过压头对材料进行挤压，观测表面形貌来确定临界切削厚度，但该方法属于准静态加载，无法反应实际加工过程中各种参数的变化对临界切削厚度的影响；划痕法是通过变切深划痕来确定临界切削厚度，但其划痕速度较慢，与实际车削的线速度相差较远；飞切法的切削线速度比划痕法快，但其在对材料的去除过程中刀具前角不断变化，与实际车削情况不相符；螺旋线刻划法通过对零件表面进行变切深螺旋线刻划法来确定临界切削厚度，但其在刻划过程中不同的周向位置刻划深度不同，无法准确反应出材料的各向异性对临界切削厚度的影响。

技术实现要素：

为了解决现有技术中临界切削厚度确定方法存在的问题，本发明实施例提供一种脆塑转变临界切削厚度的确定方法，该方法对材料进行单点金刚石车削，并使切削厚度在刀具进给过程中处于动态变化。利用轮廓仪对已加工表面进行检测，通过检测结果计算出材料在该参数下的临界切削厚度，相比于传统方法，该方法更接近于实际加工情况下的临界切削厚度值。其具体技术方案如下：

本发明实施例提供的一种脆塑转变临界切削厚度的确定方法，包括：

安装金刚石刀具，对工件进行预切削处理；

根据机床主轴的线速度与转速之间的关系、主轴每转的进给量与进给速度之间的关系、所述进给量与所述工件的几何中心的径向距离之间的关系，计算得到最大未变形切屑厚度与所述径向距离之间的关系式；

确定预切削后工件的切削区域，在所述切削区域内对工件进行恒线速度单点金刚石车削；

获取工件径向的轮廓曲线，确定脆塑转变点，根据所述脆塑转变点计算脆塑转变点到工件几何中心的转变点径向距离；

根据计算得到的所述转变点径向距离、最大未变形切屑厚度与所述径向距离之间的关系式，计算得到脆塑转变临界切削厚度。

进一步的，所述最大未变形切屑厚度与所述径向距离之间的关系式为：

式中：r为刀尖圆弧半径、ap为背吃刀量、v为线速度、f为进给速度、r为径向距离。

进一步的，所述预切削后工件的切削区域为圆环带区域。

进一步的，所述获取工件径向的轮廓曲线，确定脆塑转变点，根据所述脆塑转变点计算脆塑转变点到工件几何中心的转变点径向距离，包括：

采用轮廓仪对加工好的工件进行测量，根据测量结果得到工件的轮廓曲线；

寻找轮廓曲线上存在的粗糙度值的突变点，以该突变点作为脆塑转变点；

测量所述脆塑转变点与提取区域后的轮廓起始点的测量距离；

根据所述测量距离与所述径向距离之间的关系，计算得到脆塑转变点到工件几何中心的转变点径向距离。

本发明的第二方面提供一种脆塑转变临界切削厚度的确定装置，包括：

预切削模块，用于安装金刚石刀具，对工件进行预切削处理；

关系式获得模块，用于根据机床主轴的线速度与转速之间的关系、主轴每转的进给量与进给速度之间的关系、所述进给量与所述工件的几何中心的径向距离之间的关系，计算得到最大未变形切屑厚度与所述径向距离之间的关系式；

确定模块，用于确定预切削后工件的切削区域，在所述切削区域内对工件进行加工；

脆塑转变点确定模块，用于获取工件塑性区和脆性区的轮廓曲线，确定脆塑转变点，根据所述脆塑转变点计算脆塑转变点到工件几何中心的转变点径向距离；

切削厚度计算模块，用于根据计算得到的所述转变点径向距离、最大未变形切屑厚度与所述径向距离之间的关系式，计算得到脆塑转变临界切削厚度。

进一步的，所述最大未变形切屑厚度与所述径向距离之间的关系式为：

式中：r为刀尖圆弧半径、ap为背吃刀量、v为线速度、f为进给速度、r为径向距离。

进一步的，所述脆塑转变点确定模块包括：

轮廓曲线模块，用于采用轮廓仪对加工好的工件进行测量，根据测量结果得到工件的轮廓曲线；

突变点找寻模块，用于寻找轮廓曲线上存在的粗糙度值的突变点，以该突变点作为脆塑转变点；

测量模块，用于测量所述脆塑转变点与提取区域后的轮廓起始点的测量距离；

转变点径向距离计算模块，用于根据所述测量距离与所述径向距离之间的关系，计算得到脆塑转变点到工件几何中心的转变点径向距离。

进一步的，所述预切削后工件的切削区域为圆环带区域。

本发明实施例提供的一种脆塑转变临界切削厚度的确定方法和装置，该方法首先对工件进行预切削处理，然后根据机床主轴的线速度与转速之间的关系、主轴每转的进给量与进给速度之间的关系、进给量与工件的几何中心的径向距离之间的关系，计算得到最大未变形切屑厚度与径向距离之间的关系式；再对确定切削区域的工件进行加工和测量，确定脆塑转变点并计算得到脆塑转变点到工件几何中心的转变点径向距离；最后根据转变点径向距离、关系式，计算得到脆塑转变临界切削厚度。本发明利用轮廓仪对已加工表面进行检测，通过检测结果计算出材料在该参数下的临界切削厚度，相比于传统方法，该方法更接近于实际加工情况下的临界切削厚度值。

附图说明

图1是本发明一种脆塑转变临界切削厚度的确定方法流程图。

图2是t型布局导轨车床下的超精密加工加工结构示意图；

图3为最大未变形切削厚度模型图；

图4为最大未变形切削厚度在加工过程中动态变化的示意图；

图5为加工区域图，阴影部分为加工区域；

图6为加工后零件的脆塑性加工区域分布图；

图7a为轮廓仪测量后的轮廓曲线；

图7b为轮廓仪测量后利用基准提取区域过程图；

图8为突变点与提取区域后的轮廓起始点的测量距离变化；

图中：1-机床主轴，2-真空吸盘，3-被加工工件，4-金刚石刀具，5-刀架，6-机床z轴导轨，7-机床x轴导轨。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行说明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1是本发明一种脆塑转变临界切削厚度的确定方法流程图，包括：

s1：安装金刚石刀具，对工件进行预切削处理。

将工件材料装夹在超精密机床加工主轴上，并将设计好的金刚石刀具安装在超精密机床的刀架上；如图2所示，图中，1为机床主轴，2为真空吸盘，3为被加工工件，4为金刚石刀具，5为刀架，6为机床z轴导轨，7为机床x轴导轨。

为了避免后续切削时由于机床导轨垂直误差等因素引起车平面的背吃刀量ap不均匀，本发明实施例中，在对工件材料进行切削前需对工件进行一次微量切削，切削区域为整个平面。

s2：根据机床主轴的线速度与转速之间的关系、主轴每转的进给量与进给速度之间的关系、所述进给量与所述工件的几何中心的径向距离之间的关系，计算得到最大未变形切屑厚度与所述径向距离之间的关系式。

上述机床主轴的线速度用字母v来表示，转速用s表示，主轴每转的进给量用f表示，进给速度f表示。

上述线速度v与主轴转速s之间的关系由公式(1)给出：

式中，r为刀具切削点到工件几何中心的径向距离。

切削过程中每转的进给量f与进给速度f之间的关系由公式(2)给出：

结合公式(1)可以得出切削过程中每转的进给量f与切削点到工件几何中心的径向位置r的关系如公式(3)：

在普通加工中，最大未变形切削厚度tmax的值与背吃刀量ap相等，但在超精密加工中，由于材料去除量极小，进给量f的值较低，在满足时(其中r为刀尖圆弧半径)，切削的模型如图3所示，最大未变形切削厚度tmax的值不再与ap相等，其表达式如公式(4)：

公将公式(4)与式(3)相结合可得到公式(5)：

由公式(5)可知，在刀尖圆弧半径r、背吃刀量ap、线速度v、进给速度f恒定的前提下，切削过程中的最大未变形切削厚度只随着r的变化而变化，即最大未变形切削厚度tmax在刀具沿x方向进给的过程中动态变化，如图4所示。

s3：确定预切削后工件的切削区域，在所述切削区域内对工件进行加工。

在本发明实施中，预切削后工件的切削区域不覆盖整个面，而是只取靠近外圆侧的一个环带区域，如图5所示。采用环带区域切削由如下优点：避免靠近中心处r值过小导致主轴转速过大而影响动平衡；避免金刚石刀具长距离切削而导致刀具磨损；在利用轮廓仪测量时，由于平面测量不容易寻找几何中心点，中间的圆环台阶为测量提供了一个位置计算的基准。在本发明实施例中，加工后的工件如图6所示，其中黑色的部分是塑性加工区域，粗糙度值较小，白色部分为脆性加工区域，粗糙度值较大，因此在黑色部分和白色部分的交界处会发生粗糙度的突变。由于材料具有各向异性，各方向脆塑转变点的r值不相同，因此黑色区域与白色区域的交线呈现出花瓣的形状。

s4：获取工件径向的轮廓曲线，确定脆塑转变点，根据所述脆塑转变点计算脆塑转变点到工件几何中心的转变点径向距离。

在本发明实施例中，采用轮廓仪对加工好的工件进行测量，根据测量结果得到工件的轮廓曲线，轮廓曲线参见图7a所示，为了便于测量，测量起始点为中心圆上以圆心方向距离台阶1-2mm处，沿径向向外圆方向进行测量。得到测量结果后，手动对台阶以后的区域进行提取分析见图7b所示。寻找轮廓曲线上存在的粗糙度值的突变点，该突变点就是脆塑转变点，粗糙度值突变的原因为裂纹刚好扩展至已加工表面。

s5：根据计算得到的所述转变点径向距离、最大未变形切屑厚度与所述径向距离之间的关系式，计算得到脆塑转变临界切削厚度。

找出轮廓曲线上的粗糙度值突变点，使用距离测量功能测量该突变点与提取区域后的轮廓起始点的测量距离，如图8。通过公式(6)可计算出脆塑转变点的r值：

r＝r0+1(6)

式中，r表示脆塑转变点的径向距离，r0表示测量起始点的径向距离将所求得的r值代入公式(5)，所得到的tmax即为工件在该参数下脆塑转变临界切削厚度tc。求出各典型晶向中最小的临界切削厚度，在该参数下切削时，选择比该临界切削厚度更小的最大未变形切削厚度即可实现全塑性域切削。

上述轮廓起始点为提取区域后的轮廓起始点即中心圆台阶位置。

在本发明的可选实施方式中，还包括对各切削参数进行优化，切削参数包括：机床主轴的线速度、转速之间、主轴每转的进给量与进给速度，在切削工件过程中，每隔预定时间改变切削参数，得出临界切削厚度随各参数的变化规律，并基于该变化规律选择合适的切削参数，进而能够准确确定脆塑转变临界切削厚度。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。