本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合材料加工，尤其涉及一種陶瓷基復(fù)合材料波動超聲脆塑復(fù)合跨尺度切削增強加工方法。

背景技術(shù)：

1、陶瓷基復(fù)合材料的大量應(yīng)用是航空航天制造領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢。由于陶瓷基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強、高模量、耐磨性或耐高低溫等優(yōu)良特性，其在航空航天領(lǐng)域的需求日益增長，陶瓷基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域材料使用總量中的占比也逐步增高。但陶瓷基復(fù)合材料加工難度高，切削過程易產(chǎn)生材料斷裂、撕裂等機械損傷，經(jīng)常出現(xiàn)纖維分層及脫落形成的宏觀缺陷，降低加工表面質(zhì)量，產(chǎn)品精度保證困難，影響產(chǎn)品性能。根據(jù)陶瓷基復(fù)合材料的材料去除機理表明，在微觀脆性斷裂域去除材料可以實現(xiàn)高質(zhì)量表面加工，但由于多變量復(fù)雜最優(yōu)化問題最優(yōu)切削條件的判斷較為困難，切削效率提升的最優(yōu)方式不易確定。因此，目前，為了實現(xiàn)零件高表面質(zhì)量的加工，通常會選擇犧牲加工效率而保證表面質(zhì)量，難以兼顧加工效率和加工表面質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種陶瓷基復(fù)合材料波動超聲脆塑復(fù)合跨尺度切削增強加工方法，提高陶瓷基復(fù)合材料的加工效率，并兼顧加工表面質(zhì)量。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種陶瓷基復(fù)合材料波動超聲脆塑復(fù)合跨尺度切削增強加工方法，包括以下步驟：

3、將工件固定在超聲振動加工平臺，超聲振動加工平臺的刀具能夠發(fā)生軸向超聲振動；

4、根據(jù)工件的材料脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削厚度設(shè)置超聲振動加工平臺的振幅、頻率、轉(zhuǎn)速和軸向切削深度，通過刀具運動軌跡波形的相位差控制，使在一次切削過程中交替進行塑性切削和脆性切削，實現(xiàn)脆塑復(fù)合切削。

5、可選地，刀具運動軌跡為：

6、

7、其中，f為進給速度，a為振幅，k為振動頻率，θ為刀具旋轉(zhuǎn)的弧度；

8、動態(tài)切削厚度h1為：

9、

10、其中，x(θ-m2π)為前m次軌跡的最大值，定義脆塑復(fù)合切削中的頻率與轉(zhuǎn)速之比ξ為：

11、

12、其中，n為轉(zhuǎn)速；

13、那么，兩次軌跡波形的相位差ψ可表示為：

14、ψ＝2π(ξ-[ξ])

15、其中，[ξ]為對ξ取整數(shù)，其物理含義解釋如下：超聲頻率一般高于20khz，n/60表示旋轉(zhuǎn)頻率且一般在100hz以下，因此兩者并不總是可以整除，當(dāng)恰好能夠整除時為零相位差，當(dāng)不能整除時，頻率與轉(zhuǎn)速之比由整數(shù)部分和小數(shù)部分組成，小數(shù)部分確定了相鄰兩轉(zhuǎn)的位置關(guān)系，并由小數(shù)部分可計算得出相位角。

16、可選地，超聲加工控制平臺的控制單元對兩次軌跡的波形λn和λn+1的相位差ψ進行調(diào)節(jié)滿足如下條件，出現(xiàn)塑性切削：

17、波形λn的最小值為xn(θ1)，對應(yīng)的刀具旋轉(zhuǎn)的弧度為θ1，

18、那么xn(θ1+ψ)≥xn+1(θ1)，h1＝xn(θ1+ψ)-xn+1(θ1)且h1(θ)≤h；

19、其中，h為材料的脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削厚度。

20、可選地，一次切削過程內(nèi)的塑性切削和脆性切削之比的調(diào)節(jié)如下：

21、先調(diào)節(jié)波形最低點的切削厚度小于材料的脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削厚度；

22、然后通過調(diào)節(jié)相位差和占空比實現(xiàn)一次切削過程內(nèi)塑性切削和脆性切削之比的調(diào)節(jié)。

23、可選地，基于加工過程中產(chǎn)生刀具和切削面分離的條件進行切削占空比dc調(diào)節(jié)，當(dāng)滿足分離條件時，定義一個振動周期內(nèi)，切削段與一個振動周期之比為波動切削的占空比，則占空比dc的定義計算式為：

24、

25、其中，t和t1分別代表一個振動周期內(nèi)的總時間和刀具與工件的接觸時間；

26、加工過程產(chǎn)生刀具和切削面分離條件如下：

27、

28、其中，f為進給速度，a為振幅，ap為軸向切削深度。

29、可選地，基于以下關(guān)系對塑性切削和脆性切削之比η進行調(diào)節(jié)：

30、

31、當(dāng)

32、其中，ts為塑性切削時間，tc為脆性切削時間。

33、可選地，一次切削過程中包括：

34、一個或多個塑性切削段；和

35、一個或多個脆性切削段。

36、本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點：

37、本發(fā)明提供的陶瓷基復(fù)合材料波動超聲脆塑復(fù)合跨尺度切削增強加工方法，包括以下步驟：將工件固定在超聲振動加工平臺，超聲振動加工平臺的刀具能夠發(fā)生軸向超聲振動。根據(jù)工件的材料脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削厚度設(shè)置超聲振動加工平臺的振幅、頻率、轉(zhuǎn)速和軸向切削深度，通過刀具運動軌跡波形的相位差控制，使在一次切削過程中交替進行塑性切削和脆性切削，實現(xiàn)脆塑復(fù)合切削。該方法利用超聲加工軌跡波形的相位差控制實現(xiàn)單次去除量的微量調(diào)節(jié)，實現(xiàn)微織構(gòu)切削，其切削過程形成特有的振動加工軌跡，形成變厚度跨尺度切削。該制造過程，通過進給參數(shù)的控制，將切削過程最終表面區(qū)域在微尺度重疊，形成塑性終表面，提高陶瓷基復(fù)合材料的表面質(zhì)量及加工效率。

技術(shù)特征：

1.一種陶瓷基復(fù)合材料波動超聲脆塑復(fù)合跨尺度切削增強加工方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基復(fù)合材料波動超聲脆塑復(fù)合跨尺度切削增強加工方法，其特征在于：所述刀具運動軌跡為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陶瓷基復(fù)合材料波動超聲脆塑復(fù)合跨尺度切削增強加工方法，其特征在于：超聲加工控制平臺的控制單元對兩次軌跡的波形λn和λn+1的相位差ψ進行調(diào)節(jié)滿足如下條件，出現(xiàn)塑性切削：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陶瓷基復(fù)合材料波動超聲脆塑復(fù)合跨尺度切削增強加工方法，其特征在于：一次切削過程內(nèi)的塑性切削和脆性切削之比的調(diào)節(jié)如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的陶瓷基復(fù)合材料波動超聲脆塑復(fù)合跨尺度切削增強加工方法，其特征在于：

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的陶瓷基復(fù)合材料波動超聲脆塑復(fù)合跨尺度切削增強加工方法，其特征在于：基于以下關(guān)系對塑性切削和脆性切削之比η進行調(diào)節(jié)：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基復(fù)合材料波動超聲脆塑復(fù)合跨尺度切削增強加工方法，其特征在于：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合材料波動超聲脆塑復(fù)合跨尺度切削增強加工方法，包括以下步驟：將工件固定在超聲振動加工平臺，超聲振動加工平臺的刀具能夠發(fā)生軸向超聲振動。根據(jù)工件的材料脆塑轉(zhuǎn)變臨界切削厚度設(shè)置超聲振動加工平臺的振幅、頻率、轉(zhuǎn)速和軸向切削深度，通過刀具運動軌跡波形的相位差控制，使在一次切削過程中交替進行塑性切削和脆性切削，實現(xiàn)脆塑復(fù)合切削。該方法利用超聲加工軌跡波形的相位差控制實現(xiàn)單次去除量的微量調(diào)節(jié)，實現(xiàn)微織構(gòu)切削，其切削過程形成特有的振動加工軌跡，形成變厚度跨尺度切削。該制造過程，通過進給參數(shù)的控制，將切削過程最終表面區(qū)域在微尺度重疊，形成塑性終表面，提高陶瓷基復(fù)合材料的表面質(zhì)量及加工效率。

技術(shù)研發(fā)人員：李少敏,彭海春,丁超,楊寶付,宋鵬,楊杰,徐允恒
受保護的技術(shù)使用者：航天特種材料及工藝技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19