一种基于超声椭圆振动切削技术的钛合金超精密加工方法与流程

本发明属于精密和超精密切削技术领域，涉及一种钛合金材料的超精密切削工艺方法。

背景技术

铁合金因其具有高强度比、低密度、耐高温、耐腐蚀等优点而被广泛应用于航空航天、海洋工程、生物医学及汽车工业等行业。近年来随着科学技术的进一步发展，对典型钛合金零件的加工精度要求越来越高。然而，钛合金材料具有低热导率、低弹性模量、髙温下高强度等材料属性，使得在切削钛合金过程中通常伴随着高的切削温度以及极快的刀具磨损。因此，难以用普通的切削方法来完成钛合金材料的超精密加工。如何实现钛合金材料超精密加工的同时保证零件的生产效率已经成为钛合金超精密加工必须要突破的关键技术。

目前钛合金的超精密加工主要采用磨削和车削等工艺手段。在钛合金磨削过程中存在磨削力大、磨削温度高、磨削过程中变形复杂、砂轮粘附严重等问题。因此，其加工质量不易控制、加工效率低、制造成本高且工艺可重复性差。金刚石车削技术是目前实现金属材料超精密加工最有效的技术，最有可能实现钛合金超精密加工。然而，钛合金材料在超精密切削加工过程中存在两个极端问题：切削温度高和极快地刀具磨损。在高温作用下钛合金容易与金刚石刀具材料发生化学反应，容易在刀具的前刀面形成积屑瘤。并且钛合金的弹性模量小，材料容易发生回弹，这使得刀具后刀面与已加工表面产生严重的摩擦，进一步提高切削温度、加快刀具磨损。此外，在金刚石车削钛合金过程中伴随着刀具的颤振。因此，在切削表面上存在大量的麻点且刀具磨损快，表面粗糙度值难以得到保证，这给钛合金的超精密切削带来了很大的困难。

技术实现要素：

为了解决现有钛合金材料超精密切削过程中切削温度高、刀具磨损快、刀具颤振、加工表面存在大量麻点的问题，本发明提供了一种基于超声椭圆振动切削技术的钛合金超精密加工方法。该方法采用超声椭圆振动切削技术来实现钛合金的超精密加工，具有能够有效抑制刀具磨损、抑制加工表面的凹坑和微裂纹、提高工件表面完整性以及有效降低工件亚表层损伤深度等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于超声椭圆振动切削技术的钛合金超精密加工方法，包括如下步骤：

一、准备工作：调节和控制超精密加工实验室的温度、湿度和空气洁净度，其中：温度控制在20±0.1℃，湿度控制在35±5%，洁净度控制在1000级以上；

二、机床试运行：启动超精密机床，检查机床各个轴系的工作特性是否正常，待机预热直至超精密机床达到热稳定；

三、超声椭圆振动切削系统调试：启动超声椭圆振动切削系统，待机直至其工作稳定；利用激光测位仪对刀具尖端轴向和垂直方向的振动信息进行采集，得到其刀具尖端输出振动轨迹信息；

四、超声椭圆振动切削装置的安装：将超声椭圆振动切削装置安装在超精密机床的z导轨上，并且完成对刀；

五、钛合金材料安装：将钛合金工件安装在超精密机床主轴的真空吸盘上，并完成钛合金工件的动平衡调整；

六、粗切：开启切削液，采用水溶性冷却切削液喷雾加工，设置切削参数：an=15~20μm，f=10~12μm/r，n=1800~2000r/min，其中an为切削深度，f为每转进给量，n为主轴转速；

七、半精切：采用完成粗切加工的零件作为切削工件，开启切削液，采用水溶性冷却切削液喷雾加工，设置切削参数：an=8~12μm，f=6~8μm/r，n=1800~2000r/min；

八、精切：采用完成半精切加工的零件作为切削工件，开启切削液，采用水溶性冷却切削液喷雾加工，设置切削参数：an=5μm，f=4μm/r，n=2000r/min；

九、超声椭圆振动辅助切削：采用完成精切加工的零件作为切削工件，开启切削液，采用水溶性冷却切削液喷雾加工，启动超声椭圆振动切削系统，分别调节超声椭圆振动切削装置的两路激励信号电压值及其相位差值，测定此时刀具尖端的轴向振幅值、垂直方向振幅值分别为8μm和6μm，振动频率为29700hz，设置切削参数：an=5μm，f=4μm/r，n=12r/min；

十、关停超精密机床和超声椭圆振动切削系统，取下钛合金工件并用无水乙醇清洗，干燥后进行保存，得到超声椭圆振动切削技术加工的超精密钛合金表面。

本发明为了有效的减小钛合金切削过程中刀具磨损，抑制刀具颤振，提高钛合金零件的加工表面质量，采用超声椭圆振动切削技术来实现钛合金的超精密加工。超声椭圆振动辅助切削加工过程中刀具和工件之间存在一个微米级的高频椭圆振动轨迹，这使得刀具与工件的接触时间大大减小，并且切屑与刀具前刀面摩擦力的反转将极大地促进了切屑的排出。与现有钛合金超精密加工技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、刀具的椭圆运动轨迹使得材料的瞬时切削深度小于常规切削中的深度，因此其切削力减小。

2、间断式的切削使得冷却介质容易进入切削区域，并且切屑容易发生断裂，大量切削热被切屑带走，从而降低了切削温度。

3、刀具的椭圆振动轨迹使得切削过程中切屑和刀具前刀面的摩擦力发生反转，这使得切屑更加容易排出，抑制了积屑瘤的产生。

4、由于刀具具有微米级的、有规律的高频振动，这使得切削中的刀具颤振得到有效抑制。

5、切削力和切削温度的降低抑制了刀具的磨损。

6、切屑的顺利排出以及切削过程中刀具颤振的抑制保证了切削表面的完整性。

7、采用本发明加工的钛合金工件的加工表面质量显著得到改善，即加工表面粗糙度从60nm降到了22.7nm。从图4中可以看出加工表面平整，无麻点、粘接颗粒以及凹坑等表面缺陷。

8、本发明主要适用于对钛合金材料的超精密加工。

附图说明

图1是超声椭圆振动切削加工钛合金结构示意图，图中：1-机床控制中心，2-超声椭圆振动控制器，3-钛合金工件，4-真空吸盘，5-金刚石刀具，6-高度调节装置，7-超声椭圆振动装置，8-c轴/主轴，9-x轴，10-z轴；

图2是超声椭圆振动切削装置测试示意图，图中：11-激光位移传感器1，12-激光位移传感器2；

图3是超精密机床的结构示意图，图中：13-刀架，14-机床床身；

图4是本发明制备的超精密钛合金材料的afm图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种基于超声椭圆振动切削技术的钛合金超精密加工方法，如图1所示，所述方法具体是按以下步骤完成的：

一、准备工作：调节和控制超精密加工实验室的温度、湿度和空气洁净度，其中：温度控制在20±0.1℃，湿度控制在35±5%，洁净度控制在1000级以上。

二、机床试运行：启动超精密机床，检查机床各个轴系的工作特性是否正常，待机预热直至超精密机床达到热稳定。

三、超声椭圆振动切削系统调试：启动超声椭圆振动切削系统（cn107552368a），待机直至其工作稳定。如图2所示，用两个激光测位仪对刀具尖端轴向和垂直方向的振动信息进行采集，得到其刀具尖端输出振动轨迹信息，包括振动频率、轴向振幅值、垂直方向振幅值以及两个方向振动位移的相位差值。此外，刀具尖端的振动轨迹可以通过分别调节超声椭圆振动切削装置的两路激励信号电压值及其相位差值来进行调整。

四、超声椭圆振动切削装置的安装：如图1所示，将超声椭圆振动切削装置通过高度调节装置安装在超精密机床的z导轨上，并且通过调节高度调整仪来完成对刀。

五、钛合金材料安装：将钛合金工件安装在超精密机床主轴的真空吸盘上，并通过扭簧表来完成工件材料的动平衡调整。

六、粗切：开启切削液，采用水溶性冷却切削液喷雾加工。不启动超声椭圆振动切削系统，即超声椭圆振动切削装置作为普通刀架用。设置切削参数：an=15μm，f=12μm/r，n=2000r/min，其中an为切削深度，f为每转进给量，n为主轴转速。利用原子力显微镜（nanopsurfnaniteb）对加工表面进行测量，其表面粗糙度值为ra=150nm±10nm。

七、半精切：采用完成粗切加工的零件作为切削工件。开启切削液，采用水溶性冷却切削液喷雾加工。不启动超声椭圆振动切削系统，即超声椭圆振动切削装置作为普通刀架用。设置切削参数：an=10μm，f=6μm/r，n=2000r/min，其中an为切削深度，f为每转进给量，n为主轴转速。利用原子力显微镜（nanopsurfnaniteb）对加工表面进行测量，其表面粗糙度值为ra=80nm±5nm。

八、精切：采用完成半精切加工的零件作为切削工件。开启切削液，采用水溶性冷却切削液喷雾加工。不启动超声椭圆振动切削系统，即超声椭圆振动切削装置作为普通刀架用。设置切削参数：an=5μm，f=4μm/r，n=2000r/min，其中an为切削深度，f为每转进给量，n为主轴转速。利用原子力显微镜（nanopsurfnaniteb）对加工表面进行测量，其表面粗糙度值为ra=60nm±5nm。采用光学显微镜测定金刚石刀具磨损量。

九、超声椭圆振动辅助切削：采用完成精切加工的零件作为切削工件。开启切削液，采用水溶性冷却切削液喷雾加工。启动超声椭圆振动切削系统，分别调节超声椭圆振动切削装置的两路激励信号电压值及其相位差值，测定此时刀具尖端的轴向振幅值、垂直方向振幅值分别为8μm和6μm，振动频率为29700hz。设置切削参数：an=5μm，f=4μm/r，n=12r/min，其中an为切削深度，f为每转进给量，n为主轴转速。

十、关停超精密机床和超声椭圆振动切削系统，取下钛合金零件并用无水乙醇清洗，干燥后进行保存，得到超声椭圆振动切削技术加工的超精密钛合金表面。

本发明中，所述的超声振动辅助切削装置和待加工零件均需要安装牢固，避免在切削加工过程中由于安装不紧固而引入微振动。此外，安装在超声振动辅助切削装置上的刀具更加需要确保固定完好，以防止刀具的高频振动导致刀具脱落。

本发明中，所述的超精密加工机床为三轴超精密机床，其结构示意图如图3所示。超精密机床具有z轴、x轴、c轴/主轴三个轴系。车床床身采用花岗岩材料制成，花岗岩材料具有较低的热膨胀系数及优良的隔振特性，因此花岗岩床身能够为超精密车床提供极好的稳定性，有利于提高工件的加工精度。x轴和z轴的导轨均为闭式液体静压导轨，具有运动平稳、接近零摩擦、承载能力大、刚度高、阻尼大等优点。导轨的驱动方式是采用直线电机驱动，直线电机定子固定安装于导轨基座上，而动子安装在动导轨上，同时采用雷尼绍公司（renishaw，英国）的rslm光栅尺作为位置反馈元件形成位置闭环控制，可实现5nm线性分辨率。c轴/主轴置于x轴上方，c轴/主轴采用气体静压结构，同时兼具高速主轴功能，角度位置由resm圆光栅反馈，角分辨率可达到0.0002°。刀架安装在z轴上。

本发明中，所述的刀具为天然金刚石刀具。刀具的前角为0度，后角11度，刀具刃口半径为1.0mm，且刀具的切削钝圆半径应小于50nm。

本发明中，所述的高度调节装置的调整误差在±0.02mm以内。

本发明中，所述的钛合金工件材料为tc4，其为圆饼状零件，直径为50mm，高度为15mm。

本发明中，所述的切削液是上海新美科公司生产的，牌号为cimtech46c，是一种水溶性冷却切削液。

利用原子力显微镜（nanopsurfnaniteb）对加工表面50μm×50μm范围内的表面三维形貌进行检测与分析，结果如图4所示。由图4可知，切削加工表面平整，无麻点、粘接颗粒以及凹坑等表面缺陷的存在。采用本发明提出的超声椭圆振动切削加工方法能够实现钛合金材料的超精密加工。

通过原子力显微镜检测本发明中制备的超精密加工钛合金表面的粗糙度值ra，可知表面粗糙度值ra=22.7nm。